刮板输送机水平面形态检测方法.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0052-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018060004 刮 板 输 送 机 水 平 面 形 态 检 测 方 法 乔春光1， 王学文1， 谢嘉成1， 李祥1， 杨兆建1 1.太原理工大学机械工程学院，山西 太 原 030024; 2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西 太 原 030024 摘要 针对现有刮板输送机水平面形态检测方法测量结果不准确的问题， 提出了一种基于采煤机与刮板 输送机协同位姿解算的刮板输送机水平面形态检测方法。该方法首先根据采煤机与刮板输送机在运行过程 中的搞合关系， 利 用 Rodrigues参数法对捷联惯导系统信息进行解算， 获得采煤机在刮板输送机上运行时的 位姿信息％4 后将解算的采煤机位姿信息、已知的刮板输送机中部槽航向角代入建立的刮板输送机水平面形 态检测数学模型， 计算出刮板输送机各中部槽航向角， 从而得到刮板输送机在水平面的工作形态。试验结果 表明， 该方法对刮板输送机中部槽航向角的检测误差为01. 5， 对刮板输送机水平面形态的最大检测误差 为 30. 70 mm，满足刮板输送机水平面形态检测要求。 关键词 采煤机； 刮板输送机； 捷联惯导系统； 位姿检测；水平面形态检测；协同位姿解算；中部槽航 向角 中图分类号TD679 文献标志码A 网络出版地址Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180717. 1118. 003. html Horizontal shape detection for scraper conveyor QIAO Chunguang1 ’2，WANG Xuewen1 ’2，XIE Riacheng1’2，LI Xiang1’2，YANG Zhaojian12 1. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology’ Taiyuan 030024’ China; 2. Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment’ Taiyuan 030024’ China Abstract Aiming at problem of inaccurate measurement results of existing horizontal shape detection s for scraper conveyor’ a horizontal shape detection for scraper conveyor was proposed which was based on cooperative position and attitude calculation of shearer and scraper conveyor. Firstly’ ination of strapdown inertial navigation system was calculated by use of Rodrigues parameter according to coupling relationship between shearer and scraper conveyor in running process’ so as to obtain position and attitude ination of shearer when running on scraper conveyor. Then the calculated position and attitude ination of shearer and the known heading angle of middle trough of scraper conveyor were substituted into mathematical model of horizontal shape detection for scraper conveyor, thus each heading angle of middle trough of scraper conveyor was calculated’ so as to obtain horizontal shape of scraper conveyor. The test results show that detection error of the is 0-1. 5〇 to heading angle of middle trough of scraper conveyor’ and the maximum detection error of horizontal shape of scraper 收稿日期 2018-06-04;修回日期 2018-07-08;责任编辑 李明。 基金项目十二五”山西省科技重大专项资助项目（ 201111010402016年山西省留学人员科技活动择优资助重点项目； 山西省回国留学人员 科研资助项目（ 2016-043。 作者筒介 乔春光（ 1992 男，山西忻州人，硕士研究生， 主要研究方向为现代设计及方法， E-mail24339769qq com。通信作者 王学文 “979 男，山西长治人，教授， 博士， 主要研究方向为机械现代设计方法、机 械 CAD/CAE、计算固体力学和摩擦学等， E-mail wxuew163. com。 引用格式 乔春光， 王学文， 谢嘉成， 等. 刮板输送机水平面形态检测方法工矿自动化， 2018， 4482-57. QIAO Chunguang/WANG XuewenXIE Jiachenget al. Horizontal shape detection for scraper conveyor[J]. Industry and Mine Automation,2018,448 ； 52-57. 2 0 1 8 年 第 8 期乔 春 光 等 刮 板 输 送 机 水 平 面 形 态 检 测 方 法.53 conveyor is 30.70 mm, which meets horizontal shape detection requirements of scraper conveyor. Keywords shearer; scraper conveyor; strapdown inertial navigation system; position and attitude detection; horizontal shape detection; cooperative position and attitude calculation; heading angle of middle trough 〇 引言 随着“ 工 业 0” 和“ 中国制造2025” 的到来， 煤 炭开采的自动化、 智能化不断加深， 需要采煤机、 刮 板输送机和液压支架协同工作， 智能感知、 自主适应 综采工作面动态变化的环境[1]。采煤机是综采的核 心设备， 其位姿信息决定了刮板输送机与液压支架 的状态[ 2 3]。采煤机在刮板输送机上运动， 刮板输送 机的形态直接影响采煤机能否沿直线截割煤壁[4]， 因此对采煤机与刮板输送机协同工作状态的监测非 常重要。已广泛使用的GPS、 北斗等卫星定位系统 信号在煤矿井下受到遮蔽， 无法利用其对采煤机进 行 定 位 [5]。捷 联 惯 导 系 统 （ Strapdown Inertial Navigation System，，SINS會旨够利用载体自身惯性 信息得到位置和姿态角， 不依靠外界信息， 适用于井 下封闭的复杂环境[]。 国内外学者对基于SINS的综采工作面装备位 姿 检 测 技 术 开 展 了 大 量 的 研 究 。 C. Reid， J. C. Ralston等[ 7 8]在 井 下 煤 炭 开 采 过 程 中 运 用 SINS检测采煤机三维位置和姿态， 在此基础上设计 了一个适合煤矿井下设备的参数传输控制协议， 促 进了综采工作面自动化的发展。樊启高[]将 SINS 与超宽带无线通信技术进行耦合， 减小了采煤机惯 导定位的累积误差。李昂等[10]利 用 SINS检测采煤 机位姿， 根据轴编码器测出的位移增量得到采煤机 位置。张博渊等™建立了以惯导元件与里程计组 合的采煤机定位方法， 并验证了偏差角校准算法的 有效性。王世佳等[12]将 SINS、 轴编码器组合定位 系统与动态零速修正技术结合， 提高了采煤机惯导 定位精度。 根据采煤机位姿信息检测当前刮板输送机形态 可不必在刮板输送机上布置传感器。张智詰等[ 1 3 ] 提出一种利用采煤机运动轨迹反演刮板输送机布置 形态的方法， 将采煤机特征点运行轨迹融合， 得到刮 板输送机形态， 但不能检测出各节中部槽的实际航 向角。王超等[14]提出采用测得的采煤机机身航向 角来表示刮板输送机各中部槽的水平面角度， 但由 于采煤机左右支撑滑靴之间机身较长， 采煤机机身 航向角是左右支撑滑靴连线在水平面的角度， 刮板 输送机由中部槽通过哑铃销连接而成， 在水平面可 以偏转， 所以当采煤机左右支撑滑靴之间中部槽直 线度较差时， 采煤机机身航向角和支撑滑靴所在中 部槽 平 角 不 ， 方 杂 工 下 应 用 不。 针对上述问题， 本文提出一种基于采煤机与刮 输 机 位姿 算 刮 输 机 平 形 检 测方法， 即根据采煤机与刮板输送机在运行过程中 耦合 系 ， 刮 输 机 平 形 检测 模型， 利用已知的中部槽航向角及SINS解算的采 煤机位姿信息， 随着采煤机运动不断循环计算出行 进过程中刮板输送机各节中部槽的航向角， 从而得 到刮板输送机水平面形态， 如 图 1 所示。 图1刮板输送机水平面形态检测方法 Fig. 1 Horizontal shape detection for scraper conveyor i刮板输送机水平面形态检测数学模型 刮板输送机由多节中部槽连接组成， 在液压支 架推移机构的推动下随工作面整体向前运动时， 相 邻中部槽间会发生相对偏转， 产 生 航 向 角 导 致 刮 板输送机在水平面内发生弯曲， 如 图 2 所示。 中部槽 图2刮板输送机水平面弯曲形态 Fig. 2 Horizontal bending shape of scraper conveyor 在采煤机运行过程中， 其左右支撑滑靴分别与 刮板输送机中部槽的铲煤板接触， 如 图 3 所示。根 煤机 刮 输 机 位 系 ， 建立刮板输送机水平面形态检测坐标系， 如 图 4 所 示 。 煤机左右 靴 中 部 槽航向角作为已知信息， 在采煤机运行中利用刮板 输送机水平面形态检测数学模型计算采煤机右支撑 54 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 滑靴所经过中部槽的航向角， 根据获得的各中部槽 航向角计算刮板输送机在水平面的实际工作形态。 采煤机 左靴刮机右g g靴 图 3采煤机与刮板输送机协同运动形态 Fig. 3 Coordinated motion pattern of shearer and scraper conveyor 图 4刮板输送机水平面形态检测坐标系 Fig. 4 Horizontal shape detection coordinate of scraper conveyor 采煤机在刮板输送机 当前位置由式（ 1 。 S nL 8 p 1 式 中 .为 采 煤 机 在刮板输送机上的行走距离“为 煤机左 靴所在中部槽 号 L为单节中 部槽长度;p 为采煤机左 靴在当前中部槽上 位置与当前中部槽起始点 。 采煤机左支撑滑靴行走到第n P 1 节中部槽上 且与起始点 为 p 时 ， 该滑靴特征点a坐标为 n X〇 i L cos *t8 p LPcos *ni T 1 *G〇 i L sin 8 p 8 Lp sin *“i -1 式 中 为 第 - 节 中 部 槽 航 向 角 ；Lp为采煤机左支 撑滑靴端点到该滑靴特征点a在滑靴底面投影的 距离， 如 图 5 所示。 图 5支撑滑靴分析 Fig. 5 Support shoe analysis 设采煤机左右 靴之间机身长度为Lc， 机 身航向角为*。 。采煤机右支撑滑靴特征点〇2 位于 第 nPrnP2 节中部槽 与 中部槽起始点距 为 其 中 m 为采煤机左右 靴 刮板 输 机中 部槽 。 煤机右 靴所 中 X 2 L cos * l 8 {q Lpcos *n m 2 i1 G〇 2 L sin 8 q 8 Lpsin *n m 2 l 1 n8m82 3 Lc*c L cos 8 L p cos * n81 8 q ln82 g〇 2 g〇i tan*c * 〇 2 〇 i 式中（ ％。 2， Y2 为 采 煤 机 右 支 撑 滑 靴 特 征 点 0 2 标 。 在米煤机运彳了过程中不断计算出米煤机右支撑 滑靴经过 中部槽航向角， 根据式（ 4即可得到 采煤机 ， 从而检测出刮板输送机 平工 形。 n 8m 82 式中 （ ％s， Gs为采煤机左支撑滑靴当前位置坐标 2 2 c arctan 6 1十1十2十3 对 SIN S加速度计测量的采煤机加速度进行实 时积分， 得 到 采 煤 机 位 置 信 息 。 力加速度 /b、 重力加速度gn、 地 球 旋 转 角 速 度 、 采煤机运动 引起 航坐标系（ n 系） 相对于地球坐标系的角速 、 采煤机 标系（ P 系） 到导航坐标系的姿 矩 阵 C、 采煤机 惯 航坐标系下的 速 度 V， 可由采煤机速度方程[17]式（ ； ） ） 求积分得 到 煤机 。 炉 ’ ％ n/b 2c〇 1 on v gn “ 刮板输送机水平面形态解算主要用到采煤机的 航向角， 将计算出 煤机航向角 得的位置信 式 （ 2式 （ 4，即 出刮板输送机各 中部槽的航向角， 从而得到刮板输送机 平面 形。 3试验与分析 3. 1 刮板输送机水平面形态检测 验 实验室现有条件， 搭建了刮板 输送机水平面形态检测试验平台， 模拟 工 f 刮板输送机直线度较差- 平面弯曲状汉 杂工况， 如 图 6 所示。 缩小的刮板输送机模 由中部槽 通过销轴依 成％ 平 工 横向弯曲2〜4。采煤机 与刮板输送机 耦合％ 靴内部装有电动机， 可模拟采煤机 过程中与中部槽铲煤 。采煤机 左 靴 上 方 装 载 SINS， 陀螺仪零偏 性为 10/h。采煤机 刮板输送机 ， 上位 机实时记录SINS数据。 “ 刮板输送机水平 （ b 刮板输送机水平面 弯曲模型 形态检测平台 图 6刮板输送机水平面形态检测试验平台 Fig. 6 Test plat of horizontal shape detection for scraper conveyor 3. 2 试验结果分析 采用 Rodrigues参数法对SINS信息进行解算， 得到采煤机 刮板输送机 过程中的 姿态。 算结果 刮板输送机水平面形态检测 ， 得到刮板输送机中部槽航向角， 如 图 7 所 示。 出解算的中部槽航向角与实际航向角 为 0〜1.5， 误差标 为 〇 . 6 计算精度较高，满 足刮板输送机形态计算 。 Fig. 7 Comparison of calculated heading angles of middle trough of scraper conveyor with the actual ones 刮板输送机 不同形态， 各 特 征 点 A K 参 表 1。 表 1刮板输送机水平面形态特征点参数 Table 1 Feature point parameters of horizontal shape of scraper conveyor 参 ABCDEFGHIJK 航向角/ 一2. 13 0.71 1.60 5. 24 8.61 17.12 18.76 4. 50 9.92 22.34 25. 10 水平面 Y 方向位移/mm 4.18 7.03 67.06 99.69 149.98 199.02 257.49 314.02 325.38 399.41 493.38 件下 3 验 ， 算出 煤 机位姿信 刮 输 机 平 形 检测 型 ， 得到刮板输送机 平工 形态， 如 图 8 所 示 。 出采用刮板输送机水平面形态检测方法得 到的刮板输送机水平面形态与实际形态基本相同， 3 组试验误差分别为4. 31〜26. 82, 一9. 84〜30. 70, 29. 52〜10. 33 mm，最大误差均不超过综采工作 面拉线管理规定的100 mm，，满足刮板输送机水平 . 56 .工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 2 方向位移/mm 图 8刮板输送机水平面计算形态与实际形态比较 Fig. 8 Comparison of calculated horizontal shape of scraper conveyor with the actual one 4结语 基于采煤机与刮板输送机协同位姿解算的刮板 输送机水平面形态检测方法利用SINS解算出采煤 机姿态及其在刮板输送机上的位置， 通过建立的刮 板输送机水平面形态检测数学模型不断循环计算出 采煤机行走过程中所经过的各节中部槽航向角， 进 而得到刮板输送机水平面形态。经试验， 该方法可 实时、 准确地获得刮板输送机当前水平面形态， 为与 刮板输送机中部槽相连接的液压支架进行推移动作 提供依据， 保证综采工作面的直线度。 下 一 步 将 考 虑 利 用 SINS测得的采煤机俯仰 角 ， 根据形态解析法建立解算刮板输送机竖直面形 态的模型， 并将其与刮板输送机水平面形态检测方 法相结合， 得到刮板输送机三维形态。 参 考 文 献 （ References [ 1 ]王 国 法 ， 范 京 道 ， 徐 亚 军 ， 等 . 煤 炭 智 能 化 开 采 关 键 技 术 创 新 进 展 与 展 望 [R ].工 矿 自 动 化 ， 2018,44 2 5-12. W ANGGuofa， FAN Jingdao， XU Yajun， et al. Innovation progress and prospect on key technologies of intelligent coal mining [J ]. Industry and Mine Automation,2018,442 5-12. [2 ] EINICKE G A ， RALSTON J C ， HARGRAVE C 0 , et al. Longwall mining automation an application of minimum-variance smoothing [ J ]. IEEE Control Systems Magazine， 2008,286 28-37. [ 3 ] CENACEWICZK，KATUNIN A. Modeling and simulation of longwall scraper conveyor considering operational faults [ J ] 7Studia Geotechnica et Mechanica， 2016,382 15-27. [ 4] 王虹 . 综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方 向[J ].煤 炭 科 学 技 术 ， 2014,421 60-64. WANG Hong. Development orientation and research state on intelligent key technology in fully-mechanized coal mining face[J]. Coal Science and Technology， 2014,21 60-64. [5 ] KOK M ， HOL J D， SCH0N T B. Indoor positioning using ultrawideband and inertial measurements [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2015， 644 1293-1303. [6 ] SANG S B ，ZH A IR Y ， ZHANG W D， et al. A self developed indoor three-dimensional pedestrian localization plat based on MEMS sensors [ J]. Sensor Review， 2015， 352 157-167. [7 ] REID D C， HAINSWORTH D W ， RALSTON J C， et al. Shearer guidance a major advance in longwall mining[M ]//Y U T A S， ASAMA H ， PRASSLER E， et al. Field and service robotics. Heidelberg Springer，2006 469-476. [ 8 ] RALSTONJ C， REID D C， DUNN M T ， et al. Longwall automation delivering enabling technology to achieve safer and more productive underground mining [J]. International Journal of Mining Science and Technology 20156 865-876. [9 ]樊启高.综采工作面 “ 三机 ”控制中设备定位及任务协 调 研 究 [D ].徐 州 中 国 矿 业 大 学 ， 2013. [ 1 0 ] 李 昂 ， 郝 尚 清 ， 王 世 博 ， 等 .基 于 SINS/轴 编 码 器 组 合 煤机 位 方 与 验研 究 [J] 煤 炭 科 技 术 2016， 444 95-100. L IA ng ，HAO Shangqing ， WANG Shibo， et al Experimental study on shearer positioning based on SINS and encoder [J ]. Coal Science and Technology 2016 444 95-100. [ 1 1 ] 张 博 渊 ， 王 世 博 ， 葛 世 荣 . 惯性导航初始对准偏差与安 装 偏 差 校 准 方 法 对 采 煤 机 定 位 精 度 影 响 [ J ] 煤炭学 报，2017，423789-795. ZHANGBoyuan， W ANGShibo， GEShirong. Effects of initial alignment error and installation noncoincidence on the shearer positioning accuracy and calibration [J ]. Journal of China Coal Society， 2017， 423789-795. [ 1 2 ] 王 世 佳 ， 王 世 博 ， 张 博 渊 ， 等 . 采 煤 机 惯 性 导 航 定 位 动 态 零 速 修 正 技 术 [ J ] 煤 炭 学 报，2018, 43 2 578-5837 WANG Shijia，WANG Shibo, ZHANG Boyuan， et al Dynamic zero-velocity update technology to shearer inertial navigation positioning [J ]. Journal of China Coal Society， 2018， 432 578-583. [ 1 3 ] 张 智 喆 ， 王 世 博 ， 张 博 渊 ， 等 . 基 于 采 煤 机 运 动 轨 迹 的 刮 板 输 送 机 布 置 形 态 检 测 研 究 [ J ] 煤 炭 学 报，2015, 4011-2514-2521. 态态态态态态态态 形形形形形形形形 l l l l l, 测 检 态 形 面 o r o h o h o h o h o h r ‘ oooooo C 6 5 4 3 2 1 1 第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0057-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018010044 一 神 矿 用 电 缆 剩 余 寿 命 预 测 方 法 李磊， 马宪民， 范文玲 西安科技大学电气与控制工程学院，陝 西 西 安 710054 摘要 针对现有矿用电缆剩余寿命预测方法建模繁琐、失效数据采集困难、预测精度低等问题，提出了一 种基于灰色预测和多尺度量子谐振子优化算法的矿用电缆剩余寿命预测方法。首先采集电缆加速湿热老化 试验中不同温度下的介质损耗因数和老化时间； 然后采用灰色预测GM1，1模型，以介质损耗因数为5f 作为电缆寿命终点的判据， 根据采集数据建立矿用电缆剩余寿命预测模型； 最后采用多尺度量子谐振子优化 算法对GM1， 1模型参数进行优化， 以提高模型的预测精度。试验结果表明， 基于灰色预测和多尺度量子 谐振子优化算法的矿用电缆剩余寿命预测方法试验时长短， 具有较高的准确度。 关键词 矿用电缆％电缆寿命％剩余寿命预测％ 灰色预测％多尺度量子谐振子％ 介质损耗因数 中图分类号TD67 文献标志码A 网络出版地址Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180717. 1118. 002. html A residual life prediction of mine-used cable LI Lei, MA Xianmin, FAN Wenling School of Electrical and Control Engineering, Xian University of Science and Technology, Xian 710054, China Abstract For problems of complex modeling, difficult invalid data collection and low prediction precision of existing residual life prediction s of mine-used cable, a residual life prediction of 收稿日期 2018-01-15;修回日期 2018-07-12;责任编辑 李明。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（ 51777167。 作者筒介李{1978 男 ， 陕西周至人， 博士研究生， 主要研究方向为矿山供电安全， E-mail liqieru 163. com。 引用格式李磊， 马宪民， 范文玲. 一种矿用电缆剩余寿命预测方法工矿自动化， 2018,4487-62. LI Lei， MA Xianmin， FAN Wenling. A residual life prediction of mine-used cable[J]. Industry and Mine Automation,2018， 44 8 57-62. ZHANG Zhizhe， WANG Shibo， ZHANG Boyuan， et al. Shape detection of scraper conveyor based on shearer trajectory]. Journal ofChinaCoal Society， 2015， 4011514-2521. [ 4] 王 超 ， 李 威 ， 杨 海 ， 等. 基 于 航 位 推 测 的 刮 板 输 送 机 形 态 检 测 研 究 煤 炭 学 报 ， 2017， 428173-2180. WANG Chao , LI Wei， YANG Hai， et al. Scraper conveyor shape detection based on dead reckoning [J ]. Journal of China Coal Society， 2017， 42 8 2173-21807 [ 5] 石 勇 ， 林 江 ， 崔 志 芳 ， 等. 综 采 工 作 面 中 部 跟 机 自 动 化 控 制 的 数 学 模 型 工 矿 自 动 化 ， 2016, 42 1 1 14-1E7 SHI Yong， LIN Jiang， CUI Zhifang， et al. Mathematical model of automatic following control in the middle of fully mechanized mining face [ J ]. Industry and Mine Automation , 2016,4211 14-19. [ 6] 周 江 华 ， 苗 育 红 ， 王 明 海 .姿 态 运 动 的 Rodrigues参数 描 述 [J].宇 航 学 报，2004，255 1 4-519. ZHOUJianghua , MIAO Yuhong， WANG Minghai. Attitude representation using Rodrigues parameter [J]. Journal of Astronautics , 2004,255 514-519. [ 7] 杨 海 ， 李 威 ， 罗 成 名 ， 等. 基 于 捷 联 惯 导 的 采 煤 机 定 位 定 姿 技 术 实 验 研 究 [ J ] . 煤 炭 学 报，2014，3912 2550-2556. YANG Hai，LI Wei， LUO Chengming， et al. Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement [J]. Journal of China Coal Society , 2014,3912 2550-2556.