掘进机截齿磨损程度分析及识别方法(1).pdf

第 4 2卷 第 1 2期 2 0 1 6年 1 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 2 De c ． 2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 2 0 0 6 8 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 2 ． 0 1 5 孙汝继 ， 王水生 ， 王海舰． 掘进机截齿磨损程度分析及识别方法E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 2 6 8 7 1 ． 掘进机截齿磨损程度分析及识别方法 孙 汝继 ， 王水 生 ， 王 海舰 。 1 ． 河北旅 游 职业 学 院 机 电系 ， 河北 承德0 6 7 0 0 0 ； 2 ． 辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘 要 为 了 实现掘 进机 截齿 磨损 程度 的精 确识 别 ， 提 出 了掘 进 机截 齿 磨损 程 度 分析 及 识 别 方 法 ， 测试 和 提 取 了不 同磨损 程度 截齿 截割 过程 中的 三 向振 动信 号和 电流信号 ， 建 立 了各 截 割特征 信 号的样 本证 据组 ， 采 用基 于修 改模 型的 D - S组合 识别 模 型 实现 了截 齿磨 损程 度在 线识 别 。 实验 结果表 明 ， 该 方 法 能够根 据 多截 割特征信号实现截齿磨损程度的精确识别， 具有较 高的识别精度和可靠性 ， 为确定截齿的最佳维护和更换周 期 提供 了重要依 据 。 关键 词 煤 炭 开采 ；掘进 机 ；截 齿 ；磨损 程度 ； 在 线识 别 ；D - S组 合 中图分类号 TD 6 3 2 ． 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 1 2 一 O l 1 0 4 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 2 0 1 ． 1 0 4 7 ． 0 1 5 ． h t m1 Ana l y s i s a nd r e c o g ni t i o n me t h o d o f we a r d e gr e e o f r o a d he a d e r c u t t i n g p i c ks S UN Ru j i ， W ANG S h u i s h e n g ， WANG Ha i j i a n 。 1． M a c h i n e r y a n d El e c t r i c De p a r t me n t ，He b e i To u r i s m Vo c a t i o n a l Co l l e g e ，Ch e n g d e 0 6 7 0 0 0，C h i n a 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Li a o n i n g Te c h n i c a l Un i v e r s i t y，Fu x i n 1 2 3 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e a l i z e a c c u r a t e i d e n t i f i c a t i o n o f we a r d e g r e e o f r o a d h e a d e r c u t t i n g p i c k s ，a n a n a l y s i s a n d r e c o g n i t i o n me t h o d o f we a r d e g r e e o f r o a d h e a d e r c u t t i n g p i c k s wa s p r o p o s e d．Th r e e d i r e c t i o n v i b r a t i o n s i g n a l a n d c u r r e n t s i g n a l i n c u t t i n g p r o c e s s o f p i c k s wi t h d i f f e r e n t we a r d e g r e e we r e t e s t e d a n d e x t r a c t e d． Sa m pl e e v i de nc e s e t f or e a c h c ut t i ng c ha r a c t e r i s t i c s i g na l wa s e s t a bl i s he d， a nd o n l i ne r e c o g n i t i o n o f we a r d e g r e e o f p i c k s wa s r e a l i z e d b y u s i n g D S c o mb i n a t i o n r e c o g n i t i o n mo d e l b a s e d o n mo d i f i e d mo d e 1 ．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d me t h o d c a n a c c u r a t e l y i d e n t i f y we a r d e g r e e o f p i c k s a c c o r d i n g t o mu l t i c u t t i n g c h a r a c t e r i s t i c s i g n a l s ，a n d h a s h i g h r e c o g n i t i o n p r e c i s i o n a n d r e l i a bi l i t y，wh i c h pr o vi d e s i mpo r t a n t ba s i s f o r de t e r mi ni n g t he o pt i ma l m a i nt e n a n c e a nd r e pl a c e me n t pe r i od o f pi c ks ． Ke y w o r d s c o a 1 mi n i n g； r o a d h e a d e r ； c u t t i n g p i c k； we a r d e g r e e ； o n - l i n e i d e n t i f i c a t i o n； D- S c o m b i na t i o T 1 0引 言 掘进机是用于开凿平直地下巷道的机械装备 ， 主要 由行走机构 、 工作机构 、 装运机构和转载机构联 合组成 。掘进机作业工况复杂 、 恶劣 ， 在截割硬煤、 硬岩时， 掘进机截齿与煤 、 岩产生剧烈碰撞和摩擦 ， 对截齿造成强烈的振动和冲击 ， 容易造成截齿严重 磨损甚至折断和脱落 引。若不及时更换截齿 ， 不但 严重影响掘进机的截割效率和进给速度 ， 还会对掘 进机 的整 机性 能造 成 损 害 ， 降 低 掘 进机 的 可靠 性 和 收稿 日期 2 0 1 6 0 7 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 0 2 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 教育部博士点基金项 目 2 0 1 3 2 1 2 1 1 2 0 0 1 1 ； 工业装备结构分析重点实验室开放基金项 目 GZ 1 4 0 2 。 作者简介 孙汝继 1 9 6 7 一 ， 男 ， 河北大城人 ， 副教授 ， 主要研究方 向为机电控制技术 、 机电设备管理 与维护 、 电子技 术 ， E ma i l c d s u n r u j i 1 9 6 7 1 6 3 ． c o rn 。 2 0 1 6年 第 1 2期 孙汝 继等 掘进 机截 齿磨 损程 度 分析及 识 别方 法 6 9 使用 寿命 J 。 针对截齿磨损方式 、 程度和识别技术等方 面的 问题 ， 众多学者进行 了研究。张建广r 6 分析截齿在 截割前后的质量 、 高度 、 磨痕形态及温度等 ， 发现截 齿齿体主要 以磨粒磨损为主 ， 硬质合金 头的磨损与 热 疲劳 密切 相关 ， 截 齿 各 部 位 的磨 损形 状则 与截 割 工 况 有关 ； 尚慧岭 分 析 了采 煤机 滚 筒 及 截齿 磨 损 后 引起 的性 能参 数 变 化 及 其 效应 ， 指 出 采煤 机 在 滚 筒截 齿 失效 条件 下 工 作 时 ， 落 煤 、 装 煤 能 力 下 降 ， 瞬 时负 载 明显 增 大 ； 张强 等 采 用模 糊 信 息 融 合方 法 对截割过程 中的电流信号、 振动信号和声发射信号 进行模糊化 、 模糊规则查询及解模糊处理 ， 得到决策 后 截齿 磨损 量 。笔 者提 出 了一种 掘进 机截 齿磨 损程 度分析及识别方法 ， 根据截齿处于不同磨损程度 时 掘进机截割过程中特征信号 的变化， 建立基于修改 模型的多传感特征信息 D- S组合识别模 型， 实现了 对 掘 进机 磨损 程度 的精 确 识 别 ， 为 获 取 掘 进 机 截齿 的最 佳维 护 和更换 周 期 ， 提 高掘 进 机 的工 作 效 率 和 延长其使用寿命提供了重要 的理论和数值依据。 1 掘进 机截 割特 征信 号分 析 掘进机在截割煤岩过程 中， 各截齿所受 的截割 阻力 可 等效 于其 在 ， Y ， z三 个 轴 向上 所 受 的力 ， 分 别用 ， ， ， 和 ， ， 表示 ， 其 中， t 表示掘进机截割头 部的截齿个数 。掘进机截割头所受的三 向力分别为 各截齿在 X ， Y ， 三个轴 向上所受力的总和， 即 k l { F 一 1 兰 掘进机截割头截割过程 中产生的三向振动信号 方 向与其受力方 向相 同， 在靠近截割头处安装 三向 振 动加 速 度传感 器 ， 分别 检 测 截 齿 不 同磨 损 程度 下 截割头的三向振动信号 ； 此外 ， 随着截割头截齿不断 磨 损 ， 其截 割效 率逐 渐 降低 ， 截割 过程 中的截割 阻力 不断增大 ， 导致掘进机截割电动机负载不断增大， 截 割电流不断升高 ， 因此 ， 采用 E D A9 0 3 3 A 电参数采 集模块测试和提取截割过程 中的电流信号 ， 建立掘 进机截齿磨损的特征信号数据库 。掘进机截割头截 割三向力及传感器布置位置如图 1 所示 。 为 了获取 截 齿不 同磨 损程 度状 态下 的截 割特 征 信号 ， 分别开展新齿 、 一般磨损 、 严重磨损 以及失效 4 种截齿 状态下 的截割实验 ， 测试 和提取4 种截 割 图 1 掘进机截割头截割三 向力示意及传感器安装位置 工况 下 的 三 向振 动 加 速 度 曲 线 和 截 割 电 流 曲 线 ， 图 2和 图 3 分 别 为截割 头在 新齿 和严 重磨 损 2种状 态下 的 三 向振 动加 速度 曲线 和 电流 曲线 。 由 图 2和 图 3可 以看 出 ， 在 新 齿 和 严 重 磨 损 2种状 态下 ， 截 齿 三 向振 动 加 速 度 曲线 和 电流 曲线 差异很大。在新齿状态下 ， 振动加速度值和截割 电 流值相对较小 ； 截齿严重磨损时， 截割效率 降低 ， 掘 进机 截 割头所 受 截 割 阻力 增 大 ， 造 成 截 割 头 的 三 向 振 动和 截割 电流 值都 显著 增大 。通 过分析 不 同磨损 程度截齿的截割特征曲线 ， 提取各截割信号的特征 样本 值 ， 见表 1 。 2 截齿磨损程度识别 若 定义 一个 非 空 集合 ， 即截 齿磨 损 程 度识 别 系统的识别框架 ， 它 由一系列互斥且穷举 的基本命 题 组成 ， 则 系统 中 任 意 命 题 都 应 属 于 幂 集 2 。 ， 2 8 一 [ 0 1 ] 。假设识别框架 2 。上的任意 2个信任函数的 基 本可 信任 分配 函数 为 m 和 mz ， 其核 分 别 为 { A ， A ， ⋯ ， A 和 { B ， B ， ⋯ ， B } ， 若 满 足 式 2 ， 则 基 本可信任分配函数 m 2 。 一[ O 一 1 ] ， 对于所有基本信 任分 配 的非空集 A， 有式 3 成 立 。 1 A m 2 B ， m A m B f ， 用于反映截齿磨 A i 损程度识别各证据之间的冲突程度 ； 系数 1 ／ 1 一是 是保证避免证据合成时将非 0的信任赋给空集 的 归一 化 因子 ] 。 式 3 表示采用 D - S证据理论信息融合技术对 2个或 2 个 以上单一信任函数的概率分配 函数进行 计算 ， 将得到的新基本概率分配作 为最后的决策依 据 。同理可推导出多信任函数的证据组合规则 m 一 ① 2 0 irn 3 0 ⋯ ① m 4 7 0 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 一3 0 7 2 0 1 0 趟0 罨一 1 0 巢 一 3 O JII．JJIIJIl J I．1II ．J ． 。” T “ ’叩If 『 l叩叩 1I1If 唧 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 采样时间／ s I “ JlIIlJIIJ 山 JII “ jIIII』 JI 丌 1 1 I『lIl『1I 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 采样时间／ s - l 山 I IJIJIlJl 上 - l ▲ ． Illjl “． I[1I1fl1f『『 ’ I flI『 『7 r_ Iff甲 T f nI 【r ll1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 采样时间／ s a 新齿状态 一3 O 2 0 吕 1 O 瑙 蝌0 ,- - 1 0 囊 - 30 “ 』llIIll L jl1lIIII 11『l『l1lI 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 采样时闻／ s b 严重磨损状态 图 2 新齿和严重磨损 2种状态的截割振动加速度 曲线 0 0． 02 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0． 08 0 1 0 采样时间／ s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 采样 时间／ s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 采样时间／ s 0 0 ．O 2 0 ．0 4 0 ．0 6 0 ．0 8 0 ． 1 0 采样时间／ s a 新齿状态 b 严重磨损状态 图 3 新齿 和严重磨损 2 种状态 的截割 电流 曲线 表 1 截齿不 同磨损程度工况下各截割信号特征样本值 式中 m ， z ， ⋯ ， 7 n 分别为 同一识别框架 2 上各 信任 函数 的基本概率分配函数。 在实际基于多传感器信息融合 的截齿磨损程度 识别过程中， 由于特征信号样本的多源性和不确定 性， 各信息源的证据可能产生冲突 ， 所以需要考虑包 含冲突证据组合 的信息融合方法。通常， 如果一个 证据被其他证据支持的程度越高 ， 则说 明该证据越 可信 ， 反 之 则 可 信 度 越 低 。将 各 证 据 的 可信 度 ∞加 m O m 加如 ． Ⅲ ＼ 器需鞲幂N 加m O m 加加 一 l Ⅲ 一 ＼ 磺曩稃骧暴 如 O m拍 如 _【 ． 目 ／ 越溜最稃鞲霹 加m O m 加∞ ． 邑＼ 埔曩稃鞲薜 ∞ 蚰 O ∞ ∞ v ／ 靼爆锄蘼罐 一 一 ～ 一 一 一 一 ∞ ∞ O 洳 ∞ ＼ 爆脚稚锤 2 0 1 6年第 1 2期 孙汝继等 掘进机截齿磨损程度分析及识别方法 7 1 C r d m 作为 权重， 需 要满 足条 件∑C r d m 一1 。 在 获得 系统 各证 据 权 重 的 基础 上 ， 对 冲 突 的数 据 进 行 预处 理 ， 再 采 用 D - S组 合 规 则 进 行 识 别 融 合 ， 对 传 统 的 De mp s t e r S h a r e r 模 型进 行修 正 和优化 。 令 y 一C r d m ， i 一 1 ， 2 ， ⋯ ， q ， 用 式 5 对 冲 突 证 据 一1 ， 2 ， ⋯ ， q 进 行 预处理 m一 y m ， i一 1 ， 2， ⋯ ， q 5 修正优化后的组合规则为 I ra A 一 A i m ，A ≠ l 仇 一o 6 式中k ∑ A m A 。 3实 验验证 为 了验 证 掘进机 截齿 磨损 程 度识别 方 法 的精 确 性和可靠性 ， 对随机 5组不 同磨损程度的截齿进行 截割测试与识别实验 ， 截齿磨损程度特征信号标准 见表 2 。通过测试采样 ， 提取 5组不同磨损程度截 齿截 割 工况 下 的 三 向振 动 加 速 度 及 电 流 特 征 信 号 值 ， 采用基于修改模型的 D- S组合识别模型对 5组 截 齿 的磨损 状 态进 行 识 别 ， 得 到 的融 合 识 别 结 果 见 表 3 。由表 3可 以看 出 ， 5组识 别结 果均 与实 际磨 损 状 态相 同 ， 的值 均 较小 ， 最大 值为 0 ． 0 0 8 2 ， 满 足 识 别精度要求 ； 在磨损程度识别过程 中， 每组截齿对应 的真实磨损状态的基本概率分配分别 为 0 ． 9 2 9 6 ， 0 ． 8 9 9 5 ， 0 ． 8 6 4 6 ， 0 ． 8 5 5 7和 0 ． 8 8 9 5 ， 远 远 大 于 其 他 类别 的基 本 概率 分 配 ， 说 明采 用基 于修 改 模 型 的 I _ S组合识别模 型有效 降低 了系统识别 的不 确定 性 ， 大大提高了系统的识别精度。 表 2 截齿磨损程度特征信号标准 表 3 基 于修 改模型的 D - S组合融合识别结 果 序号 实际磨损状态 ％ A1 Az 啊 A3 A4 识别结果 0 ． 0 0 2 5 0 ． 0 0 3 8 0 ． 0 0 6 4 0 ． 0 0 8 2 0 ． 0 0 5 9 新齿 一 般磨损 严重磨损 失效 严重磨损 4 结语 提出了一种掘进机截齿磨损程度分析及识别方 法 ， 通过测 试 截齿 截 割煤 岩过 程 中 的三 向振 动加 速 度信号和电流信号 ， 提取其特征参数样本 ， 采用考虑 包含冲突证据组合 的信息融合方法和基于修改模型 的 D - S组合识别模型 ， 实现 了截齿磨损程度的精确 识别 ， 为实现掘进机截齿磨损程度的实时在线识别 ， 获取截齿 的最佳维护及更换周期 ， 提供 了重要的参 考依据 。 参考 文献 E l i 赵丽娟 ， 田震 ， 孙影 ， 等． 纵轴 式掘 进 机振 动 特性 研究 [ J ] ． 振动与 冲击 ， 2 0 1 3 ， 3 2 1 1 1 7 - 2 o ． [ 2 ] 赵丽娟 ， 刘 旭南 ， 曹拓． 纵轴 式掘进 机横摆 运动 参数 的 优化设计 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 2 ， 3 7 1 2 2 1 1 2 2 1 1 7 ． 李 晓豁 ， 姜丽丽． 掘进 机截 割硬岩的载荷模拟 研究[ J ] ． 中国工 程机 械学报 ， 2 0 0 8 ， 6 4 4 1 5 - 4 1 7 ． 李乔非 ， 沈大东 ， 吴书琴 ， 等． 煤矿镐形截齿的失效形 式 与对 策 [ J ] ． 佳 木 斯 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 1 1 ， 2 9 5 7 1 0 7 1 2 ． 李 晓豁 ， 何洋 ， 焦丽 ， 等． 基于参数识别的截割头纵 向随 机振动 响 应 优 化 [ J ] ．中 国机 械 工 程 ， 2 0 1 5 ， 2 6 6 818 82 3 ． 张建广． E B Z 2 6 0 W 型掘进机截割人工岩壁 的截齿 磨损 研 究[ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 1 4 ， 4 2 9 1 1 1 4 ． 尚慧岭． 采煤 机滚筒 截齿失 效工况 的影 响分 析及 对策 E J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 8 7 5 7 7 ． 张强 ， 祁秀 ， 王海 舰． 基 于模 糊信息融 合 的掘进机 截齿 磨损监测系统E J ] ． 广 西大学学 报 自然科学版 ， 2 0 1 5 ， 4 0 5 1 1 7 7 1 1 8 2 ． 范文 ， 孙 冬梅 ， 熊鑫 ， 等． 基 于信 息融 合技 术 的磁 轴承 转子故 障 诊 断 [ J ] ． 仪 表 技 术 与 传 感 器 ， 2 0 1 5 1 2 】3 6 一 】 4O ． 7 7 3 2 5 4 O O ∞ 踮 0 O O 6 9 6 4 5 4 5 4 6 9 1 3 6 O 8 O O 8 l 8 O 0 0 O O 8 5 8 9 2 5 9 1 7 6 5 9 3 3 3 O 8 O O O O O 0 O O 6 6 9 9 4 O 2 6 1 O O O O O 损损 损 齿磨磨效磨 新般重失重 一 严 严 1 2 3 1 5 ] ] ] ] ] ] ]