采煤机钻具纠偏控制方法的研究.pdf

表1理论计算出的响应速度 表2实验测出的响应速度 现场实验表明，回转阀的最快响应速度为3.651r/s， 此响应速度可满足的运煤车列车速度≤12 m/s（即 43.2 km/h）。 而现有的抑尘剂喷洒系统可满足运煤 车列车速度≤30 km/h。 4结语 回转阀式抑尘剂自动循环喷洒系统根据回转 阀的顺序动作，实现了抑尘剂的直接回收再利用和 间歇喷洒的功能。 其回转阀采用金属O形环和J形 无骨架橡胶油封共同密封， 减小零件间的摩擦，提 高了回转阀的响应速度。 现场试验表明，回转阀式 抑尘剂自动循环喷洒系统在最快响应速度时，可适 用的最快车速为43.2 km/h，与现有抑尘剂喷洒系统 相比，回转阀式抑尘剂自动循环喷洒系统适用车速 范围提高了13.2 km/h，该喷洒系统具有良好的应用 和推广价值。 参考文献 ［1］魏光平，侯凤才，王乐平，等.国内外湿润型抑尘剂研究与应用 ［J］.中国矿业，2007,16（9）90-92. ［2］张晓东，牛志刚，李军利，等.铁路运煤车防冻液自动喷洒系统研 究与应用［J］.煤矿机械，2009,30（1）139-142. ［3］周巍，牛志刚，李元宗.基于PLC的防冻液喷洒控制系统设计［J］. 煤矿机械，2009,30（1）33-36. ［4］李元宗，张晓东，董志国.运煤车智能全自动防冻液喷洒系统［J］. 机械工程与自动化，2009（1）90-91. ［5］钱久年.抑尘设备故障分析及使用探讨［J］.机械研究与应用，2013，26 （2）167-169，172. ［6］程隆冒.煤炭铁路运输抑尘现状的分析与改进措施［J］.上海铁 道科技，2012（3）86-87，51. ［7］任志舶，李 琦，宋锡来.全自动抑尘剂喷洒系统的研制［J］.机械 设计与制造，2011（7）100-101. 作者简介 李川怀（1986-），河北邢台人，在校硕士研究生，研 究方向机械制造系统，电子信箱857653296. 责任编辑王海英收稿日期2015－07－06 煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol.36 No.09 Sep. 2015 第36卷第09期 2015年09月 ≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤ doi10.13436/j.mkjx.201509023 试验研究 0引言 螺旋钻采煤机在钻采过程中， 由于受重力、钻 采工艺以及煤层条件等因素的影响，钻具容易偏离 既定的钻进方向，影响截齿的工作状态，使截齿的 切削量不均衡，加速截齿的磨损破坏，也会使钻头 采煤机钻具纠偏控制方法的研究 * 蒋涵麒 1， 邢培锐1， 童敏明1， 张 丹 2， 杜长龙1 1.中国矿业大学，江苏 徐州221008；2.安大略理工大学， 加拿大 安大略省 奥沙瓦L1H 7K4 摘要 螺旋钻采煤机在钻采过程中，由于受地质条件等因素的影响，钻具容易发生偏斜。 采 煤过程中钻具的纠偏，对提高生产效率、延长钻具寿命具有重要意义。 构建了煤层的造斜力模型， 采用三轴加速度传感器MPU6050获取钻具偏斜角度，结合PID控制算法，通过电液伺服阀对钻具 进行纠偏，保证了采煤机的定向钻进。 关键词 采煤机； 钻具纠偏； 控制 中图分类号TP23；TD421.4文献标志码A 文章编号1003 － 0794（2015）09 － 0060 － 03 Study on Control of Drill Correction for Coal Auger JIANG Han-qi1，XING Pei-rui1，TONG Min-ming1，ZHANG Dan2，DU Chang-long1 1. China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. University of Ontario Institute of Technology, Oshawa L1H 7K4, Canada） Abstract In the mining of coal auger, the coal auger bits are often deflected due to the effect of geologic conditions and so on. The rectification of the coal auger bits has great significance for the production efficiency and the service life of coal auger. Made the model about deflecting force of coal seam, the integrated three-axis acceleration sensor MPU6050 was used to get the angle of deviation, with the PID control algorithm, the deviation of bit was corrected by the electro-hydraulic servo valve, and then directional drilling is ensured. Key words coal shearer; drill correction; control *国家自然科学基金项目（51428501） 车速/ms－1 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 回转阀响应速度/rs－1 3.223 3.450 3.651 3.651 3.651 车速/ms－1 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 回转阀响应速度/rs－1 3.222 3.451 3.650 3.651 3.650 60 寿命缩短，严重的后果是钻头的偏移可能会使钻头 钻穿相邻的封闭钻孔引发瓦斯泄漏等安全问题。 而 在实际钻采过程中，钻头的纠偏主要是靠采煤机司 机凭借经验人工进行调整，这样的纠偏方法人为因 素多、调节误差大，因此，研究钻具的自动化纠偏控 制技术，对实现高效安全采煤具有重要意义。 1螺旋钻具偏斜受力分析 螺旋钻采煤机在钻进的过程中，钻头容易跑偏， 也就是钻头回转轴线偏移钻孔中心线。 原因是多方 面的，既有煤层存在的地质条件、钻具受到的不平 衡力矩以及钻头和钻杆的重力等客观因素，也有钻 具组合结构设计、钻采工艺参数设置、采煤机的固 定方式以及人工操作等一些主观因素的影响，但最 主要的原因还是煤层的地质条件。 原始沉积物不同形成煤层的分层面、煤层受到 地质力而破碎时形成的断裂面及煤层中夹杂的矸 石和岩石等，使得煤层为非均质，并呈现各向异性。 钻头在定向钻进的过程中，并不是沿着它所受合力 的方向钻进，也不是沿着钻杆的方向钻进。 由于各 方向上煤层的力学性质不同，钻头在相同轴向力和 侧向力的作用下， 各方向上的钻进速度也不同，这 就使得钻头钻进过程中的位移方向与其机械合力 的方向不一致，从而也导致钻头因受造斜力不平衡 而产生侧向截削，进而使钻具产生偏斜。 煤层可以看作是各向异性的地层， 按地理方 位，沿正北方向、正东方向和重力反方向的单位矢 量分别用e1、e2、e3表示，煤层法向、走向及倾向的单 位矢量分别用ed、es、eu表示，沿煤孔轴线的切向、纵向 和横向的单位矢量分别用et、eφ、eα表示，三矢量均可 以构成相应的空间直角坐标系，如图1所示。 图1三维分析图 O.钻头的位置α.钻头处的偏斜角φ0.钻头处的方位角β.煤层的 倾角φd.煤层倾向的方位角 将煤层造斜力fe分别在eα和eφ上投影，得到其 分量分别为fα和fφ，其中fα为有效偏斜力，fφ为有效 方位力，即 fαfeeαIr（efeα）＋（1－Ir）（efed）（edeα） fφfeeφIr（efeφ）＋（1－Ir）（efed）（edeφ φ ） （1） 依据瞬态稳斜平衡条件，即式（1 ）中fα＝0，fφ＝0， 本文定义煤层偏斜特性参数为Gα，煤层方位特性参 数为Gφ，则这2个参数满足方程 Gα t12b2-t22b1 t11t22-t12t21 Gφ t21b1-t11b2 t11t22-t12t21 φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ （2） 式（ 2）中，tij（i，j1，2 ）和 bk（k1，2）分别表示如下 t11Ir＋（1－Ir）（edeα）2 t12（1－Ir）（edeα）（edeφ） t21t12 t22Ir＋（1－Ir）（edeφ）2 b1（1－Ir）［（eαeφ）ed（edeα）］ b2（1－Ir）［（eαeφ）ed（edeφ） φ φ φ φ φ φ φ φ φ φφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φφ φ ］ （3） Gα＜0表明钻头受到煤层作用力具有向上偏斜 的趋势；Gα＞0表明钻头受到煤层作用力具有向下偏 斜的趋势；Gφ＜0表明钻头受到煤层的作用力具有向 右偏斜的趋势；Gφ＞0表明钻头受到煤层的作用力具 有向左偏斜的趋势。 2钻头偏斜信号的采集 采煤机钻头的偏斜角度是采煤机在工作过程 中钻头与给定方向之间的夹角，本文选用三轴加速 度传感器MPU6050来采集钻头的偏斜角度。 该传感器是首例九轴运动处理传感器，集成了 三轴陀螺仪和三轴加速度计以及一个可扩展的数 字运动处理器，解决了以前将陀螺仪和加速度传感 器组合使用时存在的轴间差问题。 陀螺仪的可测范围 是250（）/s、500（）/s、1 000（）/s、2 000（）/s ，加 速度计的可测范围是2 gn、4 gn、8 gn、16 gn，能够 控制传感器的测量范围，同时可以精确跟踪监测对 象的运动情况，含有内建的温度传感器和在运作环 境中仅有1变动的振荡器，具有高达10 000 gn的碰 撞容忍度。 3钻头纠偏控制策略研究 采煤机实现定向钻进的关键是将测量得到的 偏斜角和给定的钻进方向进行比较，然后根据差值 大小和方向，对钻具进行纠偏控制，实现准确钻进。 本文拟采用积分分离的PID控制算法，通过电液伺 服阀来调节采煤机钻头的钻进方向，实现钻具的定 向控制。 （1）积分分离的PID控制算法 PID控制器就是根据系统的测量差值， 利用比 例、积分、微分算法计算出控制量进行调节控制的 装置。 其输入输出关系可表示为 第36卷第09期Vol.36No.09采煤机钻具纠偏控制方法的研究蒋涵麒，等 煤层平面 地理平面 eu e1 e3 e2 eφ eα es ed et α φ0 φd β o 61 u（t）＝KPe（t）1 TI 乙 e（t）dtTDde（t） dt tt （4） 式中u（t）PID控制器的输出信号； e（t）偏差信号； KP比例系数； TI积分时间常数； TD微分时间常数。 对式（4）进行离散化处理，用求和代替积分，用 向后差分代替微分，在采样周期足够小时，u（t）≈u（k）， e（t）≈e（k），则离散化后的差分方程为 u（k）＝KP｛e（k） T TI n j0 Σe（j） TD T ［e（k）－e（k－1）］｝＝ KPe（k）KI n j0 Σe（j）KD［e（k）－e（k－1）］（5） 式中T采样周期； n采样序号，n0，1，2，； u（k）第k次采样时控制器的输出； e（k）第k次采样时的偏差值； e（k－1）第k-1次采样时的偏差值； KP比例系数； KI积分系数； KD微分系数。 从式（5）可以看出，输出u（k）与此前的所有偏 差信号有关，引入的积分环节虽然能够消除静态偏 差，但在改善系统静态品质的同时也弱化了动态品 质，对e（j）进行累加计算的工作量很大，并且导致 控制量可能超过执行机构允许的最大控制量，使过 渡过程的振荡加剧，造成系统不稳定。 本文提出一种改进的PID控制方法，即将积分 分离的PID控制算法，解决控制系统中超调量过大、 系统振荡的问题。 积分分离算法的调控思路当被控对象与给定 值的偏差较大时，采用比例－微分（PD）控制，避免了 积分环节使系统的超调量增大、稳定性变差；当被 控对象与给定值接近时，采用比例－积分－微分（PID） 控制，可以消除静态误差，使系统的控制精度更高。 此算法用表达式 u（k）＝KPe（k）＋βKI n j0 Σe（j）KD［e（k）－e（k－1）］（6） 式中β逻辑变量，控制是否加入积分项， β＝ 1，｜e（k）｜≤φ 2，｜e（k）｜＞ ≤ φ 控制过程（1）根据实际情况确定给定阈值φ＞0； （2 ）当 ｜e（k）｜＞φ时，即认为偏差较大，用PD控制使系 统响应速度加快，超调量大幅度降低；（3 ）当 ｜e（k）｜≤φ 时，即认为偏差较小，用PID控制可以提高系统的 控制精度。 （2）钻头纠偏控制的实现 本文将测量到的钻头偏斜角度作为反馈信号， 它和给定钻进方向角度之间的差值一同输入到积分 分离PID控制系统中，通过液压系统中的4个电液 伺服阀来控制水平液压缸和垂直液压缸， 实现钻具 的纠偏控制。 改进的PID控制过程框图如图2所示。 在钻具纠偏控制的液压系统中， 当控制电流输 入为零时，伺服阀内的滑阀位于中间，滑阀两端油腔 的压力相等， 没有压力输出， 液压缸活塞杆维持不 动；当控制电流不为零时，滑阀就会运动，使得油液 进入液压缸，活塞杆以一定速度运动，其运动方向和 强度大小则是由电流方向和大小控制。 图2采煤机钻具纠偏的PID控制过程框图 4结语 本文建立了煤层的造斜力模型，定义出煤层偏斜 特性参数以及煤层方位特性参数，通过计算得出这 2个特性参数的正负值，借此可以判断出钻头受煤层 作用力而产生偏斜方向的趋势。 利用三轴加速度传感器MPU6050检测钻头的 偏斜角度，采用积分分离的PID控制算法，通过将 偏差值与给定阈值进行比较进而选取PD或者PID 控制算法，提高了系统的控制精度；同时将测得的钻 头偏斜角度作为反馈信号，反馈到控制系统；最终通 过电液伺服阀来调节水平液压缸和垂直液压缸，对 钻具进行纠偏控制，实现了定向钻进。 参考文献 ［1］史文萍.螺旋钻式采煤机钻具偏斜控制方法研究［J］.煤矿机械, 2010,31945-46. ［2］高德利,刘希圣,黄荣樽.钻头与地层相互作用的三维宏观分析 ［J］.石油大学学报自然科学版, 1989, 131 23-31. ［3］谷丽华,崔畅,高松巍,等.基于MPU-6050的步态信号采集系统 ［J］.沈阳工业大学学报,2015,372176-182. ［4］林文孚.数字PID调节器的一种改进算法［J］.热力发电, 2008,37 8 26-29,33. ［5］卢铭娜,朱学峰,郭永玲,等. 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