采煤机参数与煤岩硬度关系公式修正系数研究.pdf

第 4 1 卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo L 4l No ． 8 Au g ． 2 0 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 1 2 3 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 1 杨健健 ， 李旭 ， 符世琛 ， 等． 采煤机参数 与煤 岩硬度关系公式修正 系数研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 1 2 3 1 2 6 ． 采燥机参数与煤岩硬度关系公式修正系数研究 杨健 健 ， 李 旭 ， 符世 琛 ， 吴 淼 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 针 对 当前煤 矿综 采 工作 面采煤机 无 法 自动 、 准确 识 别煤 岩性 状 的 问题 ， 分 析 了采煤 机 截割 电动机 参 数与 反 映煤岩硬 度 的普 氏 系数 的 关 系公 式 ， 得 出两者 近似 成 比例 线性 关 系； 通 过 实测数 据 ， 得 到 关 系公 式 中修 正 系数 的取值 范围 ； 最后 通过 实际应 用验证 了根 据修 正 系数推 断 出的普 氏 系数 与 实际情况相 符 。 关 键词 采煤 机 ；煤 岩硬度 ；关 系公 式 ；修 正 系数 中图分类 号 T D6 3 2 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 4 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 4 8 ． 0 3 1 ． h t ml Re s e a r c h o n c o r r e c t i o n c o e f f i c i e nt o f r e l a t i o ns hi p f o r mul a o f s he a r e r pa r a me t e r s a n d c o a l r o c k h a r d n e s s YANG J i a n j i a n ， L I X u ， F U S h i c h e n ， W U Mi a o Sc ho o l o f M e c ha n i c a l El e c t r o ni c a nd I n f o r ma t i o n Eng i ne e r i ng，Ch i na Uni v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Abs t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m t ha t c ur r e n t s he a r e r on f u l l y m e c h a ni z e d c o a l mi ni n g f a c e c a n t a ut o ma t i c a l l y a nd a c c ur a t e l y i de nt i f y c o a l pe t r o g r a ph y c ha r a c t e r ，t he pa p e r a n a l yz e d r e l a t i on s hi p f or m ul a b e t we e n c u t t i n g mot or pa r a me t e r s a nd Pr o t o dy a kn o ve S c oe f f i c i e nt r e f l e c t i ng c oa l a n d r o c k ha r d ne s s ， a nd o bt a i ne d t ha t t h e y w e r e a pp r ox i ma t e l y pr o po r t i o na l a n d ha ve l i ne a r r e l a t i o ns hi p．Va l u e r a ng e o f c or r e c t i o n c oe f f i c i e nt wa s ob t a i ne d b y m e a s u r e d d a t a， a nd f i na l l y i t wa s v a l i d a t e d by p r a c t i c al a p pl i c a t i on t h a t t he Pr ot od v a kn ov e S c o e f f i c i e n t i nf e r r e d a c c o r di n g t o c or r e c t i o n c o e f f i c i e n t wa s c o ns i s t e n t wi t h t he a c t ua 1 s i t ua t i o n． Ke y wo r ds s he a r e r；c o a l r o c k ha r dn e s s ；r e l a t i o ns hi p f or mul a；c o r r e c t i o n c o e f f i c i e n t 0 引 言 现有 煤矿 井下 综采 工作 面煤 岩界 面 自动识 别技 术实用效果不佳 ， 没有适用于煤矿井下的成熟产品， 不能满足综采工作 面智能型 、 信息型 的无人 少人化 要 求[ 1 ] 。本文 研究 了采 煤 机 截 割 电 动机 工 作 参 数 与反 映岩层 硬度 的 普 氏 系数 的关 系 公式 ， 根 据井 下 采煤机实测样本数据完善公式中修正系数 的经验取 值 ， 再 根据 关 系公 式 和修 正 系数 的经 验 取 值 推 导 出 普氏系数的值 ， 从而识别出煤岩硬度 。 1 采煤机 参数 与煤 岩硬 度 的关 系公 式 采煤 机进行 截 割作业 时 ， 截齿受 力不 均 ， 不 同硬 度的煤岩会造成不 同的截割阻力 ， 且滚筒负载与截 割 电动机 及牵 引 电动机 的负 载传递 是通 过摇 臂减 速 机构 及牵 引传 动机 构 完 成 的 ， 当采 煤机 由空 转 到 截 割煤 层再 到截 割岩 石 时会 导 致 一些 参 数 发 生 变化 ， 如截 割 电动机 的 电流 、 绕 组 温度 等 。仅靠 单 一 参 数 收稿 13 期 2 0 1 5 - 0 3 1 1 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 6 0 3 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 国家重点基础研究发展计 划 9 7 3 计划 项 目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 6 。 作者简 介 杨健健 1 9 8 8 一 ， 男， 山东 济宁人 ， 讲师 ， 博士 ， 研究方向为振动监测与故障诊断、 煤矿机 电设备 智能控制 、 掘进机精确定 位与导航 、 嵌 入式设备开发 ， E - ma i l y a n g j ia n n e d v e d 1 6 3 ． c o rn。 1 2 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 不 能准 确反 映滚 筒截 割煤 岩硬度 。通 过创 建 电动机 参 数 与反 映煤岩 硬 度 的普 氏系 数 的关 系公 式 ， 根 据 井 下采 煤机 实测数 据完 善公 式 中修正 系数 的经 验取 值 ， 可实现 自动识别煤岩硬度的目的。 三 相 异 步 电动机 作 为 采煤 机 的截 割动 力 来 源 ， 其输 出功率的近似计算方法如下 P rUL I x C O S 1 式 中 为 线 电 压 ； j 为 线 电流 ； C O S 为 功 率 因 数 。 忽略 损 耗 ， 截 割 电动 机 的 电磁 转 矩近 似 为 输 出 转矩 T 一 2 式 中 ∞为转速 。 截割电动机的电磁转矩和阻转距 的平衡方程为 T 一 TI 3 式 中 叩为机械传动效率 ， 常数 已知多级减速机构 机械 传 动参数 ； K 为 电动 机 负 荷 系数 ， 常 数 电动 机运 行 时 的 实 际 功 率 和 额 定 功 率 的 比 ； T 为 阻转 矩 。 截 割 电动 机经 过传 动后 在滚筒 处产 生 的切 向力 约为 F 一 一 警 ㈩ 式 中 R 为 滚筒 平均 半径 。 截齿作用在煤岩上 ， 煤岩的单轴抗压强度在数 值 上近 似 等于其 所受 压强 例 ， 根 据采 煤机 具体 说 明书获 得相应 参数 ， 计 算得 到 式 6 中参 数 的具体 值 ， 见 表 1 ， 其 中 G 的值 为 Cj一 ． 0 8l 9 7O 8 一 u． u 1 、 o， 叫R h d A 表 1 关系公式的参数具体值 由式 7 得到 表 征煤 岩 硬 度 的 普 氏 系数 与 电动 机参 数 近似成 比例 线 性 关 系式 ， 代 入 表 1中 的参 数 值 ， K。 近似取 0 ． 9 1 5 截割 电动机 Y B C S 4 -- 4 0 0正 常工 作 经验值 ， 可 得 f一 0 ． 0 7 5, fluI 9 1U 由式 9 可 知 ， 电压 、 电流 和修 正 系数 K 共 同确 定 煤岩 硬 度 普 氏系 数 _ 厂的 值 。本 文 根 据 已知 样 本 数 据 的煤 岩硬度 普 氏系数 ．厂 ， 结 合监 测 得 到 的 电压 、 电流参 数 ， 计 算 修正 系数 K 的经验 值 。 由式 9 可得 一 古 一 0 ． 0 0 7 5 √ 3 【 ， L L 1 0 式 1 O 中等 号 的右 边 为监测 的截 割 电动机 电压 和 电流值 ， 左 边为 煤 岩 硬度 普 氏系 数 与 修 正 系数 比 值。样本数据 中的煤岩硬度普 氏系数 ． 厂是 已知的 ， 因此 ， 可以确定 修正系数 K 的经验值 ， 为实现监测 采煤 机截 割 电动机 的参 数识别 截 割煤岩 硬度 奠定 了 理论 基础 。 ≈ P 5 3测 试数 据分 析 由式 2 式 5 推导 可得 厂一 一 ㈣ 式 中 厂为 煤 岩硬 度 普 氏 系数 ； K 为 修 正 系 数 ； A 为 截齿 的受力投 影 。 令 G一 ’ 贝 IJ 工弋 6 可简 化为 厂一 C j K 7 由式 7 可知 ， 表征煤岩硬度的普氏系数与电动 机参 数近 似成 比例线 性关 系 ， 修正 系 数 K 决定 了二 者 的影 响关系 。 2修 正 系数分 析 以型号 为 MG 4 0 0 ／ 9 4 0 一 WD 的电牵 引采煤 机 为 确定 计 算 修 正 系 数 K 的 方 法 后 ， 以 型 号 为 MG4 0 0 ／ 9 4 0 一 WD 的 电牵 引 采 煤 机 为 研 究 对 象 ， 利 用 自主研发 的采 煤 机 黑 匣 子采 存 数 据 ， 选 择 测 试 的 综 采工 作 面煤层 的总 厚度 为 2 ． 9 ～3 ． 7 m， 平均 厚度 为 3 ． 3 m， 煤 层结 构简 单 。 3 ． 1样本数 据 分析 以 2 0 1 4年 7月 2 0号 6时 1 2分 8秒 开 机 的一 次采 煤 机工作 周期 内煤 岩 硬度普 氏系数 与修正 系数 比值 厂 ／ K 作 为 样 本 1 ， 比值 及 其 概 率 密 度 分 布 如 图 1所示 。 样本 l的 厂 ／ K 统 计特 征数 据见 表 2 。 根 据 图 1和 表 2 ， 数 据 点 1处 的 概 率 密度 分 布 相对 集 中 ， 这 是 由采煤 机滚 筒截 割煤 岩机 理决定 的 。 当截 齿 接触煤 岩 时 ， 根 据密 实核 截割 理论 ， 煤岩 体会 2 0 1 5年第 8期 杨健健等 采煤机参数与煤岩硬度关系公式修正 系数研究 1 2 5 出现崩落， 即滚筒的下个截齿受力会立刻减少 ， 因此 出现 了图 中的 2 个 密度 函数 分布 波峰 。 第 1主波段 ， 即数据点 l处的截割工况应为采 煤机 滚 筒空 载 空 转 。 涮 1 00 0 0r 霎 。。。 ． 豳 ． ． 懈 褂 肇 一 a 普氏系数与修正 系数 比值 1 一 0 0 0- 40 0 0- 2 0 0 0 0 2 0 0 0 40 0 0 60 0 0 _厂 ／ 幅值 b f ／ K概率 密度分布 图 1 样本 1的 _厂 ／ K 幅值及概率密度分布 表 2 样本 1的 K 统计特征数据 数据点 4处 普氏系数与修正系数 的比值 f ／ K 为 3 7 4 0 。 考 虑 到 数 据 点 4 的 概 率 分 布 P X f ／ K一3 7 4 0 一9 8 ． 3 6 ， 所以认为数据点 4为采 煤机截割介质最硬处的 ．厂 ／ K 的值 。 第 2个主波段 f ／ K∈E 3 1 6 4 ， 3 7 4 0 ] 为采煤机 滚筒 截割煤 岩介 质 的 f ／ K 正 常值 范 围 ， 工 作面 顶板 良好 ， 平整 。采煤机滚筒正常工作一般不接触顶板 ， 因此 ， 实 际工作 面 煤 硬度 普 氏 系数 ．厂 一2 ～ 3 。本 次 截割工作修正 系数 K∈[ 2 ／ 3 7 4 0 ， 3 ／ 3 1 6 4 ] 一 E o ． 0 0 0 5 ， 0 ． 0 0 0 9 ] 。 以 2 0 1 4年 7月 2 1号 6时 3 1分 5 O秒 开 机 的 一 次 采煤 机工 作周期 内煤 岩硬 度普 氏系数 与修正 系 数比值作为样本 2 ， 比值及其概率密度 分布如 图 2 所示 。 样本 2的 f ／ K 统计 特征 数据 见表 3 。 数据点 6处普 氏系数与修正 系数 的比值 f ／ K 为 3 5 4 7 。考 虑 到 数据 点 4的概 率 分 布 P X f ／ K一3 5 4 7 一 9 4 ． 4 5 ， 所 以 ， 认 为 数 据 点 6为 采煤机截割介质最硬的 ．厂 ／ K 的值 。 第 2个 主波段 f ／ K∈E 3 0 5 4 ， 3 5 4 7 ] 为采煤 机 j 1 00 0 0r 萎 。。 。 ． 0 1 0 0 0 20 0 0 3 0 D 40 0 0 5 0 0 0 6 DO 裔 黼 褂 罐 一 - _ - ． ． 6 ． ．4惑 ． 0 0 0 -4 0 0 0 -20 0 0 0 20 0 o 4 0 0 0 6 0 0 0 f ／ K幅值 b f ／ K概率密度分布 图 2 样本 2的 ， ／ K 幅值 及概率密度分布 表 3 样 本 2的 _厂 ／ K 统计特征数据 滚筒截割煤岩介质的正常 -厂 ／ K 值范围， 工作面顶板 良好 、 平 整 。采煤 机滚 筒正 常工作 一般 不接 触顶板 ， 因此 ， 实际工作 面的煤岩硬度普 氏系数 f一2 ～3 。 本次截割工作修正系数 K∈r o ． 0 0 0 6 ， 0 ． 0 0 1 O ] 。 以 2 0 1 4年 7月 2 2 号 9时 2 ．8分 4 3 秒 开机的一次 采煤机工作周期 内煤岩硬度普氏系数与修正系数比 值作为样本 3 ， 比值及其概率密度分布如图 3所示。 o 0 o ％ 。 oo 些 ． 5 董 时间／ a 普氏系数 与修正 系数 比值 _ _ _ 5 - }． ． ． ． ． 一 O L H J U一4 L H J UZ0 0 0 0 20 0 O 40 0 0 60 D f ／ K幅值 b _厂 ／ K概率密度分布 图 3 样本 3的 f ／ g 幅值概率密度分布 样 本 3的 f ／ K 统计 特征数 据见 表 4 。 数据点 7处普 氏系数与修 正系数 的 比值 ． 厂 ／ K 为 3 5 1 9 。考虑 到数 据 点 5的概率 分 布 P X f ／ g一3 5 1 9 一9 6 ． 1 5 。所 以 ， 认 为 数 据点 5为 1 2 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 采 煤机 截 割介质 最硬 的 厂 ／ K 值 。 第 2个主波段 f ／ K∈[ 2 9 6 3 ， 3 5 1 9 ] 为采煤机 滚筒截割煤岩介质的正常 _厂 ／ K 的值范围， 工作面顶 板 良好 ， 平整 。采 煤 机 滚筒 正 常 工 作 一 般不 接 触 顶 板 ， 因此 ， 实 际工 作 面 的煤 硬 度 普 氏系 数 厂一2 ～ 3 。 本次截割工作修正系数 K∈[ O ． 0 0 0 6 ， 0 ． 0 0 1 0 ] 。 表 4样本 3的 _厂 ／ K统计特征数据 依此类推 ， 共有 5个样本数据 ， 其修正 系数见 表 5 。 表 5 训 练样本 的修正 系数 3 ． 2修正 系数 验证 根据概率密度分布图中的不 同波峰推断滚筒的 截割介质 ， 可得 C O S∞一 0 ． 8 5 1 1 厂一 c 。 一 0 ． 0 0 8 8 KP CO S 上U 。 1 2 为验证根据修正系数 K推断普氏系数 L厂具有 分 辨性 ， 取 K一1 0 一 ， 根据 5个样 本 中的 2个截 割 电 动机功率总峰值推断 P一7 0 0 k W， 厂 6 ． 2 ， 考虑测 试工 作 面的顶 板 为 已破 碎 顶 板 ， 采 煤机 滚筒 截 齿 截 割 到顶板 时 的电动 机功 率峰值 反 映岩层 硬度 的普 氏 系数值为 6 ． 2 ， 煤岩硬度对应表中反 映为较坚固页 岩 ， 与实 际情况 相 符 。 4 结语 分析得 出采煤机截割 电动机参数与表征煤岩硬 度的普 氏系数近 似成 比例 线性 关 系 ， 修 正 系数 K 决 定 了二 者 的影 响关 系 。在 已知 采煤 机结构 参数 及确 定 综采 工作 面 的情 况 下 ， 采 煤机 可 以通 过 自适 应 少 量 样本 学 习 ， 得 到经验 公式 中修 正 系数 K 的取值 范 围 ， 然 后 反 过 来 推 导 出 普 氏 系数 厂的 范 围 ， 为 通 过 采 煤机 截割 电动 机参数 识 别煤岩 硬度 积 累了条 件 。 参考 文献 [1] 孙继平 ， 余 杰． 基于支 持 向量机 的煤岩 图像特 征抽 取 与分类 识 别 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 8 增 刊 2 5 0 8 51 2 ． [2 ] 汪玉凤 ， 夏元 涛 ， 王晓晨． 含噪超完备独立分量分 析在 综 放 煤 岩 识 别 中 的 应 用 [ J ] ．煤 炭 学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 增 刊 1 2 0 3 2 0 6 ． [3 ] 刘春生 ， 杨 秋 ， 李 春华． 采煤 机 滚筒 记忆 程 控截 割 的 模糊 控 制 系统 仿 真 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 8， 3 3 7 8 22 82 5． [ 4] 刘春生 ， 荆 凯 ， 万 丰． 采煤 机滚 筒记 忆程 控 液压 调 高 系统的仿 真 [ J ] ．中 国 工 程 机 械 学 报 ， 2 0 0 7 ， 5 2 1 42 1 46． [ 5] 王增才 ， 富强． 自然 7射线 穿透煤层 及支架 顶梁 衰减 规律 I- J ] ． 辽宁工程技术大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 6 ， 2 5 6 8 04 8 07 ． [ 6] 王增才 ， 盂惠荣 ． 支架 顶梁 对 7射 线方法测 量顶 煤厚 度影 响 研 究 r J ] ．中 国矿 业 大学 学 报 ， 2 0 0 2 ， 3 1 3 3 2 3 3 26 ． [ 7] 梁 义维 ， 熊 诗 波． 基 于神 经 网络 和 D e mp s t e r - 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