孔祥斌

摘 要：通過(guò)煤巖識(shí)別研究提出一種利用采煤機(jī)滾筒截割振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行煤巖界面輔助識(shí)別的方法。對(duì)采煤機(jī)的滾筒進(jìn)行受力分析，建立搖臂截割振動(dòng)模型，通過(guò)理論分析驗(yàn)證該方法的可行性，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析給出試驗(yàn)與實(shí)際工況可能存在的差異，提出實(shí)踐中需要改進(jìn)的方法和途徑。

關(guān)鍵詞：煤巖識(shí)別；振動(dòng)信號(hào)；采煤機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0196-01

在采煤過(guò)程中煤巖界面識(shí)別技術(shù)是采煤機(jī)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化開(kāi)采的先決條件。目前已有20多種方法對(duì)此展開(kāi)研究，其中記憶截割技術(shù)已被應(yīng)用于生產(chǎn)中，但不能處理巖層突變和工作面突發(fā)情況?；诓擅簷C(jī)截割煤和巖石產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)特征提出一種煤巖輔助識(shí)別新技術(shù)，達(dá)到對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制的目的。

1 煤巖識(shí)別理論可行性分析

由于煤層物理、力學(xué)性能無(wú)規(guī)則變化和參與截割的截齒數(shù)量的變化，致使采煤機(jī)工作時(shí)，采煤機(jī)滾筒所承受的外載荷隨機(jī)變化。此外，因滾筒在制造、裝配中存在偏心問(wèn)題，滾筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生的偏心質(zhì)量必然使調(diào)高機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。因此，滾筒的受力情況是采煤機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)分析的重要依據(jù)。通過(guò)分析可知，當(dāng)采煤機(jī)在工作面自右向左采煤時(shí)，左滾筒受力情況如圖1所示。假設(shè)滾筒受到推進(jìn)阻力Fx、截割阻力Fy和軸向力Fz，則Fx=R1sin（ω1t），F(xiàn)y=R2sin（ω2t），F(xiàn)z=R3sin（ω3t）。其中：R1、R2、R3分別為3個(gè)方向外載荷的最大幅值，N；ω1、ω2、ω3分別為3個(gè)方向外載荷的變化頻率，rad/s。

據(jù)圖1所示滾筒受力情況，采煤機(jī)的搖臂可視為繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，調(diào)高液壓缸可等效為有阻尼的液壓彈簧，則調(diào)高機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程為：

Jθ″+khxLRsinφ1+chx'LRsinφ2=∑M （1）

kh=4βeA2P/Vt

式中：J為滾筒對(duì)搖臂O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；θ″為搖臂繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度，rad/s2；kh為液壓缸的液壓彈簧剛度（最小近似值），N/m；βe為液壓油的有效體積彈性模量，MPa；AP為液壓缸兩腔作用面積平均值，m2；Vt為液壓缸兩腔當(dāng)量總?cè)莘e平均值，Vt=APS（S為液壓缸行程），m3；ch為液壓缸的液壓黏性阻尼系數(shù)，Pa·s；x為液壓缸位移，m；x'為液壓缸移動(dòng)速度，m/s；φ1為大搖臂相對(duì)于水平面的夾角，（°）；φ2為小搖臂與液壓缸活塞桿的夾角，（°）；∑M為對(duì)O點(diǎn)所有的外力矩之和，N·m。

2 基于截割振動(dòng)煤巖識(shí)別的試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析，滾筒因截割不同硬度材料而產(chǎn)生截割負(fù)載不同，其產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)可以間接傳遞給搖臂結(jié)構(gòu)，并通過(guò)搖臂傳遞至整個(gè)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)。為了能夠快速準(zhǔn)確獲取振動(dòng)信息，通過(guò)試驗(yàn)在模擬裝置的不同位置進(jìn)行采樣分析，由于電動(dòng)機(jī)和搖臂變速箱都是振動(dòng)源，為了更好地采集滾筒的截割信號(hào)，將振動(dòng)傳感器安裝在滾筒轉(zhuǎn)軸附近的搖臂下方。在模擬采煤機(jī)設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)，試件固定在小車(chē)上，并用液壓缸對(duì)小車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，模擬采煤機(jī)的牽引運(yùn)動(dòng)。模擬采煤機(jī)裝置滾筒轉(zhuǎn)速為100r/min，牽引速度為1m/min，截割寬度分別為40和25mm。在試驗(yàn)過(guò)程中采用測(cè)振儀和加速度傳感器等對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行采集和處理。模擬采煤機(jī)試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)材料的制作

以?xún)贾菝簶I(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦綜采二區(qū)工作面煤巖情況為參照，制作模擬材料。該礦工作面煤質(zhì)普氏系數(shù)為1.8～2.0；工作面直接頂石灰?guī)r，普氏系數(shù)為3～4，厚度1.4m，深灰色，厚度不穩(wěn)定，含動(dòng)物根化石。直接底為細(xì)砂巖，厚度2.7m，灰色，中部為中粒狀薄層，以石英長(zhǎng)石為主，含植物根化石。由于煤體的非均勻性、各向異性，以及地下三向應(yīng)力作用等因素的影響，要使模擬材料與原材料完全相似很困難，甚至是不可能的，因此需判明各種因素中哪些因素是決定性的。通過(guò)分析得出煤巖截割材料的特性主要取決于抗壓強(qiáng)度和硬度兩參數(shù)。根據(jù)煤巖的特性，制作了巖石和煤的模擬材料，尺寸為800mm×500mm×500mm的試件。

2.3 采樣周期的確定

采樣周期是一個(gè)很重要的參數(shù)，它的選擇將直接影響系統(tǒng)的控制效果。采樣周期不僅要滿(mǎn)足采樣定理的要求，同時(shí)要考慮采煤機(jī)牽引速度、滾筒截割速度、頂板形狀變化率、液壓支架和刮板輸送機(jī)推移要求以及煤層頂板落差的影響，而且油缸的驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)存在機(jī)械延時(shí)，因此滾筒調(diào)高的實(shí)際調(diào)整頻率不能過(guò)于頻繁。滾筒記憶程控調(diào)高主要應(yīng)用于煤巖層走向變化相對(duì)比較緩慢，但實(shí)際截煤過(guò)程中可能會(huì)遇到斷層或其他突發(fā)情況。當(dāng)采煤機(jī)遇到這種情況時(shí)，控制系統(tǒng)可以快速識(shí)別，降低滾筒的轉(zhuǎn)速，減少截深，降低牽引速度安全推進(jìn)。綜合考慮以上因素，振動(dòng)特性處理間隔時(shí)間取2s。

2.4 數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)振儀對(duì)2種材料振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，進(jìn)而得到幅值譜幅值Rm。

實(shí)驗(yàn)：滾筒轉(zhuǎn)速100r/min，截割深度40mm，牽引速度1m/min時(shí)，材料1和材料2振幅均方根Rm結(jié)果如圖3所示。通過(guò)采樣結(jié)果分析可以看出，當(dāng)采煤機(jī)模擬裝置截割不同材料時(shí)，兩者的Rm不同，即2種情況下振動(dòng)的程度不同。模擬巖石材料1的Rm最大值為1.0163，模擬煤材料2的Rm最大值為0.8768。通過(guò)振動(dòng)幅值的差異可以快速獲得在穩(wěn)定工況下，采煤機(jī)截割材料的變化，從而為采煤機(jī)高度的調(diào)整提供判定依據(jù)。

將兩種材料固定一起，進(jìn)行連續(xù)截割，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)分界面后，振動(dòng)的幅值特性發(fā)生變化，因此可以根據(jù)實(shí)際工作情況的統(tǒng)計(jì)規(guī)律設(shè)定在一種材料下的Rm，可以認(rèn)為此時(shí)采煤機(jī)截割的是煤，反之，采煤機(jī)截割的是巖石。因此該方法能夠有效識(shí)別采煤機(jī)的截割狀態(tài)，為采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高技術(shù)提供依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬截割試驗(yàn)，并對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理和分析得出，當(dāng)截割參數(shù)相同時(shí)，不同材料的振動(dòng)信號(hào)幅值不同。試驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行煤巖識(shí)別的可行性，尤其是該方法是基于振動(dòng)的頻幅特性對(duì)煤巖分界進(jìn)行識(shí)別，不是通過(guò)實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，因此可以避免采煤機(jī)自身抖動(dòng)或其他因素影響造成的意外振動(dòng)加劇，而導(dǎo)致做出錯(cuò)誤判斷。但是井下工作環(huán)境復(fù)雜，需要在工作面現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)信號(hào)識(shí)別煤巖的效果。后期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究將主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況下的振動(dòng)信號(hào)識(shí)別與噪聲信號(hào)的分離，并且與其他煤巖識(shí)別技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖分界的準(zhǔn)確識(shí)別。