煤礦井下移動設(shè)備駐車距離動態(tài)建模系統(tǒng)

周文君

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

0 引言

煤礦井下礦工面臨著特殊工作環(huán)境危害，在這些危險(xiǎn)中，包括井下工作人員可能被井下重型移動設(shè)備撞擊。這些設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)(CMM)和移動式運(yùn)輸設(shè)備。連續(xù)采煤機(jī)用于從地下礦井工作面機(jī)械采煤，并將其裝載到移動運(yùn)輸設(shè)備上運(yùn)走。連續(xù)采煤機(jī)在工作面巷道上運(yùn)行，通常約3.4 m或更寬，重達(dá)數(shù)十噸。移動運(yùn)輸設(shè)備包括梭車、鏟車和無軌膠輪車。這些設(shè)備靠輪胎來運(yùn)行，其大小與連續(xù)采煤機(jī)相當(dāng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年各大煤礦都有礦工們被這樣的設(shè)備撞擊而嚴(yán)重受傷。這種危險(xiǎn)隨著地下礦井內(nèi)狹窄的空間、微弱的光線、高水平的噪聲和粉塵等惡劣環(huán)境而加劇[1]。

為了降低這類事故的風(fēng)險(xiǎn)，本文開發(fā)近距離探測系統(tǒng)(PDSs)，并在地下礦井的許多設(shè)備上使用。系統(tǒng)由兩個主要部件組成：磁場發(fā)生器和磨損收發(fā)器。機(jī)器安裝的發(fā)電機(jī)包含鐵芯線圈天線，通過低頻調(diào)制信號產(chǎn)生脈沖磁場。磁場的強(qiáng)度(磁通密度)由MWC測量。雖然是非線性的，由MWC測得的場強(qiáng)隨著發(fā)生器和MWC之間的距離成反比。研究人員開發(fā)了一種測定這種位置的方法。接近探測系統(tǒng)后將MWC的位置與機(jī)器周圍的預(yù)定義警告區(qū)和停止區(qū)進(jìn)行比較(如圖1)。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入警告區(qū)時，會發(fā)出視覺和聽覺警報(bào)。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入一個停止區(qū)，機(jī)器運(yùn)動是自動禁用的。最近的一項(xiàng)研究表明，在78%的涉及地下煤礦移動運(yùn)輸設(shè)備的致命事故中，近距離探測系統(tǒng)的使用可能有助于防止事故發(fā)生。

因此，為了確定近距離檢測系統(tǒng)提供的檢測距離是否適合移動式運(yùn)輸設(shè)備，需要對該設(shè)備在各種條件下的駐車距離進(jìn)行調(diào)研[2]。本文的研究利用計(jì)算機(jī)建模來量化不同條件下不同的地下煤炭運(yùn)輸設(shè)備的預(yù)期停車距離。

圖1 接近探測系統(tǒng)的警告區(qū)域和停止區(qū)域

1 動力學(xué)分析

為了解決在煤礦井下使用的近距離探測系統(tǒng)的適應(yīng)性問題，本文開展了一項(xiàng)研究，以確定控制井下移動運(yùn)輸車輛的動力學(xué)參數(shù)。

本文創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)說明了使用井下移動運(yùn)輸設(shè)備的多種不同類型、型號的規(guī)格和重要參數(shù)，進(jìn)行市場分析調(diào)研。在市場分析調(diào)研過程中，對大多數(shù)移動運(yùn)輸設(shè)備的車輛動力學(xué)進(jìn)行了研究。

圖2 近距離檢測系統(tǒng)確保安全所需的檢測距離

圖3 裝載車(LHD)

圖4 梭車

圖5 錨桿機(jī)

從每個車型的手冊中可以找到加速、牽引力、制動、轉(zhuǎn)向和其他參數(shù)等特性。對這些信息進(jìn)行分類和分析，為每一類類似的運(yùn)動學(xué)類型確定合適的代表性車輛(例如打滑轉(zhuǎn)向、鉸接轉(zhuǎn)向和全輪轉(zhuǎn)向)。

研究人員采集了145輛礦山運(yùn)輸車輛的參數(shù)數(shù)據(jù)，將其劃分為5類：裝載車(如圖3)、梭車(如圖4)、頂板錨桿機(jī)(如圖5)、無軌膠輪車(如圖6)、移動式設(shè)備(工作面鉆機(jī)、生產(chǎn)鉆機(jī)等，如圖7)。利用分類特征確定各組的相應(yīng)動態(tài)模型。從所收集的物理數(shù)據(jù)中，通過研究重要參數(shù)，例如總質(zhì)量、質(zhì)量分布、尺寸、總功率等，為每組選出一臺具有代表性的設(shè)備。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析選擇的參數(shù)分別是操作重力、總功率、內(nèi)外轉(zhuǎn)彎半徑、車輛長度、寬度和高度。當(dāng)然，并非所有參數(shù)對于動態(tài)模型都是必需的，但是可以在以后用于更深入的運(yùn)動學(xué)建模工作。

2 動態(tài)建模

圖6 無軌膠輪車

圖7 移動式設(shè)備

通過建立模型來分析各種類型井下移動設(shè)備，主要是井下車輛在路面上的動態(tài)行為，首先必須確定模型的運(yùn)動類型?？梢詣討B(tài)建模的車輛運(yùn)動包括但不限于行駛、轉(zhuǎn)彎、剎車和加速動態(tài)。該模型描述了在特定條件下車輛部件對激勵的反應(yīng)。當(dāng)坡度為上坡時會增加阻力，當(dāng)遇到下坡坡度時會增加制動力。在低速時，滾動阻力是主要的減速力，由于在低速時制動阻力明顯大于滾動阻力，滾動阻力可包括在制動阻力之內(nèi)。滾動摩擦力的計(jì)算方法是將車輛的重力乘以滾動摩擦因數(shù)。加速度將應(yīng)用于該模型中的車輛，提供每個車輪上施加的牽引力。牽引力的計(jì)算主要根據(jù)發(fā)動機(jī)傳輸給變速器的轉(zhuǎn)矩、變速器提供給傳動軸的轉(zhuǎn)矩、傳動軸提供給車軸轉(zhuǎn)矩，再除以車輪半徑計(jì)算出得出[3]。本文使用以牛頓為單位的牽引力作為主要參數(shù)，該參數(shù)可由操作者對所建模的特定車輛進(jìn)行計(jì)算[4]。由于制動結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)和控制方案因車輛的不同而異，因此決定使用計(jì)算出的制動力作為模型的輸入?yún)?shù)，制動力輸入?yún)?shù)以每個車輪的牛頓為單位輸入。

圖8 動態(tài)模型

在進(jìn)行靈敏度分析時，可以選擇獨(dú)立參數(shù)區(qū)間內(nèi)可編程數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以保證得到相對光滑的圖形曲線。所有得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)都將保存到一個文件中以供后續(xù)處理。

3 動態(tài)建模應(yīng)用程序開發(fā)

通過編寫MATLAB應(yīng)用程序，進(jìn)行動態(tài)建模。軟件執(zhí)行了不同的功能：輸入用于分析的特定機(jī)器數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)的動態(tài)分析，在保持其他參數(shù)不變的情況下輸入特定參數(shù)的敏感度分析，以及收集分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[5]。為了方便使用，通過使用MATLAB的圖形用戶界面GUI功能來完成。圖9顯示了已開發(fā)的MATLAB應(yīng)用程序創(chuàng)建的GUI顯示。 顯示器由3個主要面板組成: 控制(左)、輸出(右上)和狀態(tài)(右下)。圖10顯示了基于控制程序的井下移動設(shè)備駐車距離動力學(xué)動態(tài)建模。

4 結(jié)論

本文通過探測系統(tǒng)能夠動態(tài)模擬井下移動車輛和環(huán)境參數(shù)，利用近距離檢測系統(tǒng)以滿足其特定制動需求和安全探測需求。通過MATLAB應(yīng)用程序以一種更快且更直觀的方法來確定停車距離。這種動態(tài)建模工具作為一種量化停車距離的模型工具，該模型已經(jīng)得到驗(yàn)證。這些對開發(fā)、分析和驗(yàn)證過程的改進(jìn)將使接近檢測技術(shù)能夠?yàn)榫乱苿釉O(shè)備操作人員和礦工提供更好的安全性，有助于防止煤礦井下事故的發(fā)生。

圖9 MATLAB創(chuàng)建的GUI顯示

圖10 移動式運(yùn)輸動力學(xué)模型