楊 陽，王鵬江，吉曉冬，沈 陽，王東杰

(1.石家莊煤礦機(jī)械有限公司，河北 石家莊 0500311；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

近年來，世界主要采煤國(guó)家的煤礦開采深度逐年增加，為數(shù)不少的礦井開采深度已經(jīng)達(dá)到700～1000m。深部危險(xiǎn)煤層的采掘作業(yè)條件極為惡劣，置于瓦斯、粉塵的易爆環(huán)境，處于高濕、強(qiáng)震、沖擊工況，這種條件下采掘信息準(zhǔn)確獲取和裝備可靠調(diào)控是實(shí)現(xiàn)無人采掘的技術(shù)瓶頸，也是煤礦井下采掘裝備特有的難題[1-4]。

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下掘進(jìn)工作的核心設(shè)備，主要用于巷道的挖掘，為布置采煤工作面做準(zhǔn)備[5-8]。截割頭是掘進(jìn)機(jī)的核心截割部件，依靠截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)，掘進(jìn)機(jī)的工作過程就是利用截割頭截割煤巖。在巷道掘進(jìn)過程中，斷面內(nèi)煤巖賦存條件和物理機(jī)械性質(zhì)復(fù)雜多變，導(dǎo)致所截割煤巖的密度和硬度不斷變化且具有較大的隨機(jī)性。截割頭受到的負(fù)載在連續(xù)無規(guī)律地變化，且極易受到?jīng)_擊性的載荷[9-13]。這就會(huì)導(dǎo)致截割電機(jī)的功率極其不穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間處于過載或欠載狀態(tài)，造成截割頭和電器件的損傷和破壞，或者導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)冗余，截割效率低下[14-16]。此外，不確定的載荷會(huì)在截割過程中產(chǎn)生大量的粉塵，嚴(yán)重危害礦工的安全。因此，實(shí)現(xiàn)截割載荷預(yù)測(cè)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法，對(duì)延長(zhǎng)掘進(jìn)機(jī)的使用壽命和提高巷道掘進(jìn)效率，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化智能截割有著極為重要的意義。

目前，世界范圍內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的截割頭大都采用固定轉(zhuǎn)速或者兩檔轉(zhuǎn)速，在掘進(jìn)機(jī)智能化和機(jī)器人化的要求下，已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)力的需要。蒲志新[17]通過檢測(cè)截割電機(jī)電流的變化來對(duì)截割載荷進(jìn)行判斷，利用PLC和模糊PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)的控制；李曉豁[18]將截割電機(jī)電流的變化作為判斷載荷的依據(jù)，利用遺傳算法對(duì)截割電機(jī)進(jìn)行模糊控制，降低了掘進(jìn)機(jī)功率損失、提高了工作效率；馮婧[19]提出將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下巷道掘進(jìn)截割電機(jī)的調(diào)速控制，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性與可靠性，但是并沒有對(duì)截割載荷信息可靠提取和判斷的方案。以上方法沒有考慮單一傳感器信號(hào)不全面、不穩(wěn)定的問題，不能充分、準(zhǔn)確地反映和表征截割載荷的變化，從而無法精確識(shí)別煤巖載荷，保證截割頭合理調(diào)速。

本文提出一種基于模糊數(shù)學(xué)的掘進(jìn)機(jī)截割頭轉(zhuǎn)速分檔預(yù)測(cè)方法。分析了掘進(jìn)機(jī)截割頭工作過程，采集了井下多傳感器數(shù)據(jù)?；谀：龜?shù)學(xué)方法，將井下實(shí)測(cè)的多傳感器信息進(jìn)行多傳感器信息融合，得到截割頭載荷預(yù)測(cè)輸出，依據(jù)不同工況將截割頭轉(zhuǎn)速分為四個(gè)檔位。

1 多傳感器信息采集實(shí)驗(yàn)

1.1 掘進(jìn)機(jī)截割頭工作過程分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割巷道斷面是由截割頭旋轉(zhuǎn)與截割臂擺動(dòng)共同動(dòng)作來完成截割斷面煤巖的破碎。其中截割臂固聯(lián)于回轉(zhuǎn)臺(tái)上，截割頭位于截割臂的前端，通過截割減速器與截割電機(jī)相連，截割電機(jī)一般采用三相異步電動(dòng)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)的作用是破落煤(巖)。截割系統(tǒng)(圖1)由截割頭、伸縮部、截割減速箱、截割電機(jī)等組成。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)在截割過程中，由于所截割煤巖硬度的不同，截割頭負(fù)載也在不斷變化，導(dǎo)致截割電機(jī)的輸出功率不穩(wěn)定，使截割電機(jī)處于過載和欠載的狀態(tài)。

1.2 采集實(shí)驗(yàn)方案

井下實(shí)驗(yàn)選取的機(jī)型為EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為冀中能源邢東煤礦，該礦井深度在580～1200m之間，具有較好的綜掘工作面條件，比較適合安裝各類傳感器對(duì)掘進(jìn)機(jī)井下工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及煤礦綜掘工作面的實(shí)際狀況，在此基礎(chǔ)上選用符合煤安標(biāo)準(zhǔn)的BYD-60型礦用隔爆型壓力變送器測(cè)取升降和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)油缸油路中的壓力P。選用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的本安型GBC1000加速度傳感器檢測(cè)截割臂的振動(dòng)信號(hào)Acc。選用EBZ160型掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)機(jī)載的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)截割電機(jī)電流I。所有數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在機(jī)載大容量數(shù)據(jù)記錄儀(黑匣子)中。

由于掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)振動(dòng)較大，不便于將油壓變送器加在平衡閥與油缸之間，所以采取在油路里加裝壓力變送器的方法采集油壓信號(hào)。串聯(lián)兩只回轉(zhuǎn)油缸的有桿腔以及無桿腔，依靠壓力變送器采集輸出的兩路油壓信號(hào)，該油壓信號(hào)是由三通連接之后引出的。油缸壓力采集如圖2所示。

圖2 油缸壓力采集示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)取的振動(dòng)信號(hào)位于振動(dòng)最強(qiáng)烈的截割臂前段，為保護(hù)安裝在掘進(jìn)機(jī)表面露出位置的振動(dòng)傳感器，設(shè)計(jì)并制作了振動(dòng)傳感器保護(hù)罩測(cè)取時(shí)需用保護(hù)罩保護(hù)。選用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的本安型GBC1000加速度傳感器檢測(cè)截割臂振動(dòng)信號(hào)，所有數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在機(jī)載大容量數(shù)據(jù)記錄儀中。如圖3所示。

圖3 振動(dòng)傳感器保護(hù)裝置設(shè)計(jì)圖(mm)

該掘進(jìn)機(jī)在井下掘進(jìn)工作面正常工作兩周，存儲(chǔ)了大量的有效數(shù)據(jù)，為利用智能控制算法對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制提供了豐富、有效的數(shù)據(jù)集。

1.3 多傳感器信息數(shù)據(jù)集

在井下經(jīng)過幾十個(gè)完整的工作周期，所采集的多傳感器信息可以真實(shí)且完整的記錄掘進(jìn)機(jī)在井下實(shí)際工作時(shí)的多傳感器信息，為掘進(jìn)機(jī)智能控制提供了完備的數(shù)據(jù)集。剔除測(cè)取數(shù)據(jù)中不可避免的異常值，選取能完整表述各個(gè)截割工況的有效值點(diǎn)。對(duì)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，部分樣本數(shù)據(jù)見表1。

表1 井下實(shí)測(cè)部分樣本數(shù)據(jù)

2 多傳感器信息模糊隸屬函數(shù)

2.1 模糊數(shù)學(xué)的基本原理

模糊數(shù)學(xué)是解釋和研究模糊性現(xiàn)象的一種理論和方法，又稱Fuzzy數(shù)學(xué)。A(u)用來描述集合A到集合{0，1}上的映射，該映射表示所描述對(duì)象屬于某模糊集合的程度，用區(qū)間[0，1]以內(nèi)的數(shù)值來描述，模糊程度數(shù)值上愈靠近1，表示該對(duì)象符合該集合的程度愈大，反之程度愈小。

設(shè)模糊子集在域U上的映射如下：

μA：U→[0，1]

(1)

式中，A為被μ確定U上的一個(gè)模糊子集。模糊子集A的隸屬函數(shù)記為μ，對(duì)象u對(duì)子集A的隸屬度記為μA(u)，它代表u符合A的程度。特殊情況，當(dāng)A(u)只取0或1兩個(gè)值時(shí)，模糊集合中的隸屬函數(shù)便退化為普通集合的特征函數(shù)，模糊集合A就同樣的退化為一個(gè)普通集合。

在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常實(shí)際問題中構(gòu)成的模糊集是由多個(gè)元素組成的，式(1)中總域U可表示為多個(gè)元素集合的Descartes乘積，即：

U=U1×U2×…×Un

(2)

模糊集融合方式常采用加權(quán)平均型、乘積平均型和混合型。本文采用加權(quán)平均型方法融合模糊信息。設(shè)模糊集A(u)包含A1(u1)，A2(u2)，…，An(un)(i=1，2，…，n)。令：

式中，δi為權(quán)重向量δ的第i個(gè)因素，反映了第i個(gè)因素的重要程度，并且滿足：

2.2 截割電機(jī)電壓U、電流I模糊隸屬函數(shù)

掘進(jìn)機(jī)在工作過程中，截割頭依靠其上面截齒對(duì)煤巖施加截割作用力，截齒的切割力與切割功率、切割頭直徑、切割轉(zhuǎn)速間存在以下關(guān)系：

式中，T為切割頭轉(zhuǎn)矩，N·m；P為切割功率，kW；n為切割轉(zhuǎn)速，r/min；F為切割力，N。

由上式可推得：

截齒的切割力還與煤巖的切割阻抗以及切割深度有關(guān)，其存在如下關(guān)系：

式中，A為切割阻抗，kN/m；F為切割阻力，kN；h為切割深度，m。

切割阻抗與煤巖堅(jiān)固性系數(shù)(即煤巖硬度)的關(guān)系可按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)：

A=100f

(8)

對(duì)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割三相異步電機(jī)的有功功率為：

式中，P為截割電機(jī)有功功率，kW；U為供電電壓，V；I為截割電機(jī)負(fù)載電流，A；cosφ為截割電機(jī)的功率因素。

將式(9)代入整理得：

確定截割電機(jī)電壓U、電流I模糊隸屬函數(shù)為：

2.3 油缸壓力P模糊隸屬函數(shù)

在掘進(jìn)機(jī)油路中加裝油壓傳感器測(cè)取升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸壓力，提取油缸壓力信號(hào)作為掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制信號(hào)模糊集的子集。升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸測(cè)得的壓力分別為P1和P2，系統(tǒng)額定壓力為P0。EBZ160型掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的額定壓力為18MPa。

掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)通常采用左右循環(huán)自下而上類S形的截割工藝路徑，主要考慮以下2種情況：①截割臂升降油缸保持穩(wěn)定，截割臂向左或向右擺動(dòng)；②截割臂回轉(zhuǎn)油缸保持穩(wěn)定，截割臂上擺或下擺運(yùn)動(dòng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割臂自下而上擺動(dòng)時(shí)，表征截割頭載荷的影響因素主要為升降油缸壓力的變化，回轉(zhuǎn)油缸保持相對(duì)穩(wěn)定。確定此時(shí)油缸壓力信號(hào)歸一化后的模糊隸屬函數(shù)為：

同理，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割臂左右擺動(dòng)時(shí)，表征截割頭載荷的影響因素主要為回轉(zhuǎn)油缸的變化，升降油缸保持相對(duì)穩(wěn)定。確定此時(shí)油缸壓力信號(hào)歸一化后的模糊隸屬函數(shù)為：

2.4 截割臂振動(dòng)加速度Acc模糊隸屬函數(shù)

對(duì)掘進(jìn)機(jī)整機(jī)振動(dòng)信號(hào)的研究表明：掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)遇到的載荷越大，其振動(dòng)的信號(hào)越強(qiáng)烈，尤其在截割部處振動(dòng)強(qiáng)度最大。將加速度傳感器安裝于截割臂前端，將其采集的截割臂振動(dòng)加速度信號(hào)作為掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制信號(hào)模糊集的子集。設(shè)定測(cè)取的加速度傳感器信號(hào)為Acc，定義空載時(shí)截割加速度信號(hào)為0g，截割頂板(及巖石)時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度最大，依據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)為Acc0=7.32g。將此信號(hào)歸一化后的模糊隸屬函數(shù)為：

3 井下多傳感器信息融合

依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的基本原理，利用加權(quán)平均法對(duì)井下多傳感器信息進(jìn)行融合。具體步驟為將不同傳感器的信息以模糊隸屬函數(shù)的形式進(jìn)行模糊融合，根據(jù)實(shí)際工況規(guī)律和專家經(jīng)驗(yàn)值分配傳感器獲得的數(shù)據(jù)權(quán)值，獲得井下多傳感器信息模糊融合判據(jù)，為截割頭轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步控制奠定理論基礎(chǔ)。

在信息融合的過程中，數(shù)據(jù)權(quán)值滿足：

在此條件下，得到多傳感器信息融合的公式為：

處理黑匣子測(cè)得的傳感器信息，根據(jù)實(shí)際工況規(guī)律和專家經(jīng)驗(yàn)值分別將截割電機(jī)信號(hào)、油缸壓力信號(hào)、截割臂振動(dòng)加速度信號(hào)的權(quán)值設(shè)定為：δ1=0.5、δ2=0.3、δ3=0.2。

依據(jù)上式提取黑匣子的樣本數(shù)據(jù)，井下多傳感器信息融合過程分為以下三種工況：

1)截割頭空載時(shí)。截割電機(jī)在額定功率下運(yùn)行，此時(shí)截割載荷對(duì)應(yīng)的煤巖硬度f=0；截割油缸壓力忽略不計(jì)，振動(dòng)加速度信號(hào)也為0。

2)截割頭割煤時(shí)。提取某段實(shí)際工況截割軟煤(f=0～3)時(shí)的井下多傳感器信息，計(jì)算高速截割臨界點(diǎn)(f=3)時(shí)的模糊隸屬度。提取某段實(shí)際工況截割中硬煤(即煤巖夾雜(f=3～6))時(shí)的井下多傳感器信息，計(jì)算低速截割臨界點(diǎn)(f=6)時(shí)的模糊隸屬度。

3)截割頭割頂板時(shí)。提取某段實(shí)際工況截割巖石(即全巖(f>6))時(shí)的測(cè)試樣本，計(jì)算此時(shí)傳感器信息歸一化后的模糊隸屬度：通過模糊融合方法得到井下多傳感器信息模糊融合判據(jù)，見表2。

表2 井下多傳感器信息模糊融合判據(jù)

依據(jù)表2，將較軟介質(zhì)和煤層區(qū)間的中間值，作為截割頭轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)控制的高速擋；將煤巖夾雜區(qū)間分為中高速擋和中低速擋；將全巖頂板的輸出定為低速擋。截割頭載荷預(yù)測(cè)輸出見表3。

表3 截割頭轉(zhuǎn)速載荷預(yù)測(cè)輸出

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，在石家莊煤礦機(jī)械有限公司搭建的模擬巷道中進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于井下已經(jīng)采集了多種傳感器信息數(shù)據(jù)，因此只需利用獲取的多傳感器信息驗(yàn)證該方法的預(yù)測(cè)效果即可。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)選用EBZ160掘進(jìn)機(jī)，改變截割頭轉(zhuǎn)速所需變頻器選用B1-0555F5-A礦用交流變頻器。通過安裝在掘進(jìn)機(jī)上的檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)截割頭的轉(zhuǎn)速。

在此實(shí)驗(yàn)中，上位機(jī)為B&R PC2100工控機(jī)。在該計(jì)算機(jī)上編寫了模糊數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)算法并對(duì)輸入的多傳感信息進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)在該計(jì)算機(jī)上建立了人機(jī)交互界面。下位機(jī)為B&R X90可編程邏輯控制器，用于輸出控制指令。實(shí)驗(yàn)使用左上角的控制手柄模擬掘進(jìn)機(jī)的切割過程。右上角的顯示實(shí)時(shí)顯示了截割頭速度的變化。將不同檔位下的多傳感信息通過計(jì)算機(jī)輸入到掘進(jìn)機(jī)中，輸出轉(zhuǎn)速分為四個(gè)檔速，分別為高速擋47r/min，中高速擋36r/min，中低速擋24r/min，以及低速擋12r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同檔位的截割頭轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)效果

根據(jù)圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該預(yù)測(cè)方法能夠根據(jù)不同多傳感信息準(zhǔn)確預(yù)測(cè)截割頭檔位，并能根據(jù)不同檔位改變截割頭轉(zhuǎn)速，且響應(yīng)時(shí)間在0.5s左右。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。

5 結(jié) 語

本文提供了一種基于多種傳感信息融合的掘進(jìn)機(jī)截割頭轉(zhuǎn)速分檔預(yù)測(cè)方法。結(jié)合井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)不同截割工況將截割頭轉(zhuǎn)速分為四個(gè)檔位，并在模擬巷道中進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為深入研究不同工況下截割頭轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。