孫汝繼， 王水生， 王海艦

(1.河北旅游職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系， 河北 承德 067000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度分析及識(shí)別方法

孫汝繼1， 王水生1， 王海艦2

(1.河北旅游職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系， 河北 承德 067000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度的精確識(shí)別，提出了掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度分析及識(shí)別方法，測(cè)試和提取了不同磨損程度截齒截割過(guò)程中的三向振動(dòng)信號(hào)和電流信號(hào)，建立了各截割特征信號(hào)的樣本證據(jù)組，采用基于修改模型的D-S組合識(shí)別模型實(shí)現(xiàn)了截齒磨損程度在線識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠根據(jù)多截割特征信號(hào)實(shí)現(xiàn)截齒磨損程度的精確識(shí)別，具有較高的識(shí)別精度和可靠性，為確定截齒的最佳維護(hù)和更換周期提供了重要依據(jù)。

煤炭開(kāi)采； 掘進(jìn)機(jī)； 截齒； 磨損程度； 在線識(shí)別； D-S組合

0 引言

掘進(jìn)機(jī)是用于開(kāi)鑿平直地下巷道的機(jī)械裝備，主要由行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成。掘進(jìn)機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜、惡劣，在截割硬煤、硬巖時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截齒與煤、巖產(chǎn)生劇烈碰撞和摩擦，對(duì)截齒造成強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊，容易造成截齒嚴(yán)重磨損甚至折斷和脫落[1-3]。若不及時(shí)更換截齒，不但嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)的截割效率和進(jìn)給速度，還會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的整機(jī)性能造成損害，降低掘進(jìn)機(jī)的可靠性和使用壽命[4-5]。

針對(duì)截齒磨損方式、程度和識(shí)別技術(shù)等方面的問(wèn)題，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。張建廣[6]分析截齒在截割前后的質(zhì)量、高度、磨痕形態(tài)及溫度等，發(fā)現(xiàn)截齒齒體主要以磨粒磨損為主，硬質(zhì)合金頭的磨損與熱疲勞密切相關(guān)，截齒各部位的磨損形狀則與截割工況有關(guān)；尚慧嶺[7]分析了采煤機(jī)滾筒及截齒磨損后引起的性能參數(shù)變化及其效應(yīng)，指出采煤機(jī)在滾筒截齒失效條件下工作時(shí)，落煤、裝煤能力下降，瞬時(shí)負(fù)載明顯增大；張強(qiáng)等[8]采用模糊信息融合方法對(duì)截割過(guò)程中的電流信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行模糊化、模糊規(guī)則查詢及解模糊處理，得到?jīng)Q策后截齒磨損量。筆者提出了一種掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度分析及識(shí)別方法，根據(jù)截齒處于不同磨損程度時(shí)掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中特征信號(hào)的變化，建立基于修改模型的多傳感特征信息D-S組合識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)磨損程度的精確識(shí)別，為獲取掘進(jìn)機(jī)截齒的最佳維護(hù)和更換周期，提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率和延長(zhǎng)其使用壽命提供了重要的理論和數(shù)值依據(jù)。

1 掘進(jìn)機(jī)截割特征信號(hào)分析

掘進(jìn)機(jī)在截割煤巖過(guò)程中，各截齒所受的截割阻力可等效于其在x，y，z三個(gè)軸向上所受的力，分別用fxt，fyt和fzt表示，其中，t表示掘進(jìn)機(jī)截割頭部的截齒個(gè)數(shù)。掘進(jìn)機(jī)截割頭所受的三向力分別為各截齒在x，y，z三個(gè)軸向上所受力的總和，即

(1)

掘進(jìn)機(jī)截割頭截割過(guò)程中產(chǎn)生的三向振動(dòng)信號(hào)方向與其受力方向相同，在靠近截割頭處安裝三向振動(dòng)加速度傳感器，分別檢測(cè)截齒不同磨損程度下截割頭的三向振動(dòng)信號(hào)；此外，隨著截割頭截齒不斷磨損，其截割效率逐漸降低，截割過(guò)程中的截割阻力不斷增大，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截割電動(dòng)機(jī)負(fù)載不斷增大，截割電流不斷升高，因此，采用EDA9033A電參數(shù)采集模塊測(cè)試和提取截割過(guò)程中的電流信號(hào)，建立掘進(jìn)機(jī)截齒磨損的特征信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。掘進(jìn)機(jī)截割頭截割三向力及傳感器布置位置如圖1所示。

為了獲取截齒不同磨損程度狀態(tài)下的截割特征信號(hào)，分別開(kāi)展新齒、一般磨損、嚴(yán)重磨損以及失效4種截齒狀態(tài)下的截割實(shí)驗(yàn)，測(cè)試和提取4種截割工況下的三向振動(dòng)加速度曲線和截割電流曲線，圖2和圖3分別為截割頭在新齒和嚴(yán)重磨損2種狀態(tài)下的三向振動(dòng)加速度曲線和電流曲線。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割頭截割三向力示意及傳感器安裝位置

由圖2和圖3可以看出，在新齒和嚴(yán)重磨損2種狀態(tài)下，截齒三向振動(dòng)加速度曲線和電流曲線差異很大。在新齒狀態(tài)下，振動(dòng)加速度值和截割電流值相對(duì)較?。唤佚X嚴(yán)重磨損時(shí)，截割效率降低，掘進(jìn)機(jī)截割頭所受截割阻力增大，造成截割頭的三向振動(dòng)和截割電流值都顯著增大。通過(guò)分析不同磨損程度截齒的截割特征曲線，提取各截割信號(hào)的特征樣本值，見(jiàn)表1。

2 截齒磨損程度識(shí)別

若定義一個(gè)非空集合Θ，即截齒磨損程度識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別框架，它由一系列互斥且窮舉的基本命題組成，則系統(tǒng)中任意命題都應(yīng)屬于冪集2Θ，2Θ→[0-1]。假設(shè)識(shí)別框架2Θ上的任意2個(gè)信任函數(shù)的基本可信任分配函數(shù)為m1和m2，其核分別為{A1，A2，…，An}和{B1，B2，…，Bn}，若滿足式(2)，則基本可信任分配函數(shù)m:2Θ→[0-1]，對(duì)于所有基本信任分配的非空集A，有式(3)成立。

(2)

(3)

式(3)表示采用D-S證據(jù)理論信息融合技術(shù)對(duì)2個(gè)或2個(gè)以上單一信任函數(shù)的概率分配函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將得到的新基本概率分配作為最后的決策依據(jù)。同理可推導(dǎo)出多信任函數(shù)的證據(jù)組合規(guī)則：

m=(((m1⊕m2)⊕m3)⊕…)⊕mn

(4)

(a) 新齒狀態(tài)

(b) 嚴(yán)重磨損狀態(tài)

圖2 新齒和嚴(yán)重磨損2種狀態(tài)的截割振動(dòng)加速度曲線

(a) 新齒狀態(tài)

(b) 嚴(yán)重磨損狀態(tài)

表1 截齒不同磨損程度工況下各截割信號(hào)特征樣本值

式中：m1,m2,…,mn分別為同一識(shí)別框架2θ上各信任函數(shù)的基本概率分配函數(shù)。

令γi=Crd(mi)，i=1,2，…，q，用式(5)對(duì)沖突證據(jù)mi(i=1,2，…，q)進(jìn)行預(yù)處理：

(5)

修正優(yōu)化后的組合規(guī)則為

(6)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度識(shí)別方法的精確性和可靠性，對(duì)隨機(jī)5組不同磨損程度的截齒進(jìn)行截割測(cè)試與識(shí)別實(shí)驗(yàn)，截齒磨損程度特征信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。通過(guò)測(cè)試采樣，提取5組不同磨損程度截齒截割工況下的三向振動(dòng)加速度及電流特征信號(hào)值，采用基于修改模型的D-S組合識(shí)別模型對(duì)5組截齒的磨損狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，得到的融合識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，5組識(shí)別結(jié)果均與實(shí)際磨損狀態(tài)相同，Θ的值均較小，最大值為0.008 2，滿足識(shí)別精度要求；在磨損程度識(shí)別過(guò)程中，每組截齒對(duì)應(yīng)的真實(shí)磨損狀態(tài)的基本概率分配分別為0.929 6，0.899 5，0.864 6，0.855 7和0.889 5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類別的基本概率分配，說(shuō)明采用基于修改模型的D-S組合識(shí)別模型有效降低了系統(tǒng)識(shí)別的不確定性，大大提高了系統(tǒng)的識(shí)別精度。

表2 截齒磨損程度特征信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)

表3 基于修改模型的D-S組合融合識(shí)別結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度分析及識(shí)別方法，通過(guò)測(cè)試截齒截割煤巖過(guò)程中的三向振動(dòng)加速度信號(hào)和電流信號(hào)，提取其特征參數(shù)樣本，采用考慮包含沖突證據(jù)組合的信息融合方法和基于修改模型的D-S組合識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)了截齒磨損程度的精確識(shí)別，為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度的實(shí)時(shí)在線識(shí)別，獲取截齒的最佳維護(hù)及更換周期，提供了重要的參考依據(jù)。

[1] 趙麗娟,田震,孫影,等.縱軸式掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)特性研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(11):17-20.

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Analysis and recognition method of wear degree of roadheader cutting picks

SUN Ruji1， WANG Shuisheng1， WANG Haijian2

(1.Machinery and Electric Department, Hebei Tourism Vocational College, Chengde 067000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

In order to realize accurate identification of wear degree of roadheader cutting picks, an analysis and recognition method of wear degree of roadheader cutting picks was proposed. Three-direction vibration signal and current signal in cutting process of picks with different wear degree were tested and extracted. Sample evidence set for each cutting characteristic signal was established, and on-line recognition of wear degree of picks was realized by using D-S combination recognition model based on modified model. The experimental results show that the proposed method can accurately identify wear degree of picks according to multi cutting characteristic signals, and has high recognition precision and reliability, which provides important basis for determining the optimal maintenance and replacement period of picks.

coal mining; roadheader; cutting pick; wear degree; on-line identification; D-S combination

2016-07-22；

2016-10-25；責(zé)任編輯：胡嫻。

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20132121120011);工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(GZ1402)。

孫汝繼(1967-)，男，河北大城人,副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制技術(shù)、機(jī)電設(shè)備管理與維護(hù)、電子技術(shù)，E-mail:cdsunruji1967@163.com。

1671-251X(2016)12-0068-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.015

TD632.2

A

時(shí)間：2016-12-01 10:47

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1047.015.html

孫汝繼，王水生，王海艦.掘進(jìn)機(jī)截齒磨損程度分析及識(shí)別方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：68-71.