截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律分析

为研究悬臂式掘进机截割过程中截割头载荷对机身偏向角的影响规律,建立了掘进机机身偏向角动力学模型,根据模型求解的输入问题,提出了一种截割头载荷计算方法,并通过仿真计算得到截割头载荷与驱动油缸压力及悬臂截割位置之间的关系。对掘进机截割过程中机身偏向角的变化进行了仿真分析,得到了不同工况下和不同悬臂截割位置时截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律:横向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而增大,且在悬臂水平摆角为14°时达到最大值;纵向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而减小,且悬臂垂直摆角越大,机身偏向角越小。     

基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机位姿自主测量方法

根据深部危险煤层无人化开采的需求,要实现无人环境下对悬臂式掘进机位姿的高精度测量。提出一种基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机自主位姿测量方法,由悬臂式掘进机搭载激光发射器并发射旋转激光平面,在其后方安装位置固定的激光接收器并通过激光平面获取激光发射器相对于其自身的方位,从而得到悬臂式掘进机相对于由激光接收器确定的巷道坐标系的位姿状态。构建悬臂式掘进机位姿测量的数学模型,运用仿真软件对该模型进行仿真并分析位姿测量精度。仿真表明：在激光发射器与激光接收器相距25 m时悬臂式掘进机定位点的最大测量误差在X轴,测量误差为0.082 3 m;姿态角的最大测量误差为横滚角,测量误差为2.018 4°。基本满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机位姿测量精度的要求。     

不同倾角巷道下掘进机的防滑控制研究

为研究悬臂式掘进机在复杂底板行走时防滑控制的可靠性,基于综掘工作面巷道底板特性分析,得到不同情况下掘进机履带打滑率与牵引力的计算函数。掘进机牵引力因打滑率的增加而迅速减小,从而严重影响掘进机正常掘进,求取不同路况下的掘进机履带期望打滑率计算方法,并通过分析掘进机掘进阻力,建立了倾斜巷道中掘进机掘进动力学模型,提出了基于BP神经网络的PID掘进机履带防滑控制方法。通过Simulink与AMESim建立系统仿真模型与液压模型,基于Matlab得到控制算法,并模拟3种典型底板防滑控制情况。仿真结果表明,BP神经网络PID防滑控制系统具有较高的控制精度、响应速度与环境适应能力,保证掘进机在不同路况下的正常掘进。     

悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究

目前掘进机俯仰角检测误差主要通过人工控制掘进机前铲板、后支撑来补偿,补偿范围十分有限,且效率低下,控制精度与自动化程度较低。针对该问题,建立了悬臂式掘进机俯仰角与执行机构数学模型,确定了通过PID控制器控制掘进机前铲板与后支撑液压缸位移实现掘进机位姿调整的方法;利用AMESim建立掘进机执行机构的完整液压模型,仿真结果表明,俯仰角调控系统响应时间小于3s,液压缸位移控制误差小于2mm,验证了系统的基本性能;Simulink仿真结果验证了俯仰角调控系统响应时间短、跟踪误差小,且具有较好的动态跟踪性能。     

基于超宽带技术的掘进机自主定位定向方法研究

针对煤矿井下综掘工作面的实际工况,提出了一种基于超宽带定位技术的悬臂式掘进机自主定位定向方法,建立了该方法的数学计算模型及误差随距离分布模型,并验证了该方法的可行性。分析结果表明：在满足煤炭巷道成型标准的情况下,该系统的自主探测范围可达400 m左右。为了进一步提高自主测量范围,提出了一种定位基站自主标定方法,可实现掘进机巡航参数的跟随性测量,减少综掘人员的井下作业时间。该项研究可有效防止因偏掘引起的巷道错位,实时提供掘进机位置状态及位姿参数,为实现掘进机自主巡航奠定基础,满足深部危险煤层开采的无人化需求。     

基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法

为实现掘进机机身位姿的高精度自主测量,提出了基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法,并对其可行性进行分析,研究了其测量误差分布规律。分析了目前各种掘进机机身位姿测量方法及iGPS的应用方式,推导出掘进机的位姿计算参数。系统阐述了此测量方法的组成及工作原理,依据其工作原理及掘进机工作特点,建立接收器位置坐标的解算模型,通过Matlab进行仿真,得出了在不同测量距离下接收器各个轴向坐标测量误差的变化规律,结果表明：接收器各个轴向坐标测量误差随着测距的不断增大而增大,且y轴方向的测量误差增长速率大于x,z轴方向;随着测量次数的增多,测量误差有所减小,当测距为40 m,测量次数为200时,y轴方向的最大测量误差为0.070 m。将仿真结果与国家煤矿井巷工程验收标准值进行对比得出,应用此方法测量得出的最大测量误差值小于国家标准的规定值,能够满足掘进机的位姿测量要求。     

受限巷道空间区域栅格化掘进机自主纠偏研究

针对工况复杂且存在封闭边界的悬臂式掘进机在煤矿井下的受限巷道空间,为实现掘进机在工作空间内的自主纠偏并提高巷道断面截割质量,提出一种区域栅格化的掘进机自主纠偏方法。首先将综掘巷道环境自适应划分为区域栅格,并提出掘进机纠偏影响度作为模型降维与简化的指标,之后结合掘进机自身运动特点与实际工况,建立掘进机在栅格场景中的自主纠偏运动模型,并结合PID算法与神经网络的自主纠偏算法。基于EBZ-55掘进机与模拟巷道,与传统PID控制算法对比仿真结果验证了此种场景建模方法与纠偏算法的可行性与先进性。     

基于iGPS的煤巷狭长空间中掘进机绝对定位精度研究

为解决目前掘进机定位方法中存在的非坐标化测量、自动化程度低、易被障碍物遮挡等问题,提出一种基于室内定位系统的掘进机定位方法。该方法将激光接收器安装在掘进机机身固定位置处,通过测量激光接收器在发射站坐标系下的三维坐标,实现对掘进机的绝对定位。基于随机误差建模理论推导双发射站坐标测量的误差传导公式;针对目前室内定位系统绝对测量精度检测方法在狭长空间应用中的局限性,结合测量精度理论分析结果,提出一种适用于狭长空间的绝对测量精度检测方法。实验数据表明,双发射站测量系统在1.2m间距下,发射站与掘进机相距17m时Y轴定位精度优于10cm,X、Z轴定位精度优于2cm。     

基于局域栅格化的履带支护车自主导航方法研究

综掘巷道工况条件复杂且具有封闭边界的特殊性。针对煤巷底板滑转率影响履带支护车航向角纠偏问题,提出一种受限巷道空间内栅格化场景的履带支护车自主导航方法。采用栅格化理论将综掘巷道作业环境进行局域划分,提出航向参考影响度作为巷道模型的简化指标。基于履带支护车的运动特性,建立其在栅格化场景中的自主导航运动模型并进行液压行走系统的数学模型构建与稳定性分析;利用模糊控制与PID算法相结合进行控制参数的实时修正,实现履带支护车两侧履带速度的自适应调控以满足航向精度需求,完成履带支护车在不同滑转率影响下的航向角纠偏;搭建AMESim与Matlab/Simulink半实体物理仿真模型,对履带支护液压行走系统进行仿真验证。仿真结果表明,与传统PID控制算法相比,自主导航方法的航向角纠偏精度更高,履带调速更加稳定、不易发生振颤,验证了在栅格化场景中自主导航方法的可靠性与先进性。     

面向掘进机的超宽带位姿检测系统精度分析

为实现悬臂式掘进机的无人化作业,提出了一种基于超宽带(UWB)测距技术的位姿检测方法;通过分析悬臂式掘进机工况环境及局域定位技术原理,设计了UWB位姿检测系统,该系统利用4个搭载UWB模块的移动基站机器人对机身节点进行测距,经过解算测距信息得到掘进机位姿参数;并开展了狭长封闭巷道中的UWB测距精度验证实验,仿真分析了基于直接解析法和基于Caffery算法的系统位姿精度。研究表明UWB模块在狭长封闭巷道中的测距精度可达2 cm,系统三轴定位精度在10~95 m的狭长封闭空间中从4 mm~3 cm呈线性增加,系统航向角、俯仰角、横滚角精度从0.2°~1.5°呈线性增加,满足悬臂式掘进机位姿检测精度要求,为掘进机自主巡航的实现提供了基础。