煤机装备理论与技术（来源：《煤炭学报》）

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煤机装备理论与技术（来源：《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题来源于《煤炭学报》历年煤机装备相关论文集锦。

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双绳缠绕式煤矿深井提升系统钢丝绳张力主动控制方法

作者(Author)：朱真才, 李翔, 沈刚, 汤裕

摘要：针对双绳缠绕式煤矿深井提升系统运行过程中钢丝绳张力不平衡问题，提出了钢丝绳张力主动控制方法。首先，分析双绳缠绕式煤矿深井提升系统钢丝绳张力与浮动天轮液压缸负载力之间的关系，考虑系统存在的非线性问题，建立了提升系统钢丝绳张力主动控制模型;其次，由于煤矿深井提升环境恶劣，因此钢丝绳张力反馈信号通过无线装置进行采集，考虑提升系统运行过程中钢丝绳张力反馈信号通过无线传输存在不确定延时问题，基于系统控制模型构建了钢丝绳张力主动控制矩阵，设计了钢丝绳张力无线反馈信号传输延时补偿观测器，证明了包含延时补偿观测器的钢丝绳张力主动控制模型的稳定性;然后，考虑钢丝绳张力主动控制模型是一种严格反馈模型，存在输出约束问题，提出了反步控制和障碍李雅普诺夫函数相结合的钢丝绳张力主动控制方法，并证明了钢丝绳张力控制下的提升系统稳定性;最后，利用双绳缠绕式煤矿深井提升试验台对提出的传输延时补偿观测器及钢丝绳张力主动控制方法开展了实验验证，实验结果表明，延时补偿观测器可有效减小由于无线传输造成的钢丝绳张力反馈信号滞后量，与传统的被动式钢丝绳张力调节装置相比，在高速和低速工况下，提出的钢丝绳张力主动控制方法均可以更有效地减小2根钢丝绳张力差，进一步保证提升系统的安全运行。

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煤炭学报

2020年第01期

1029

500
基于神经网络PID综掘巷道超前支架支撑力自适应控制

作者(Author)：薛光辉, 管健, 柴敬轩, 张昊, 瞿圆媛, 吴淼

摘要：掘进扰动下，煤炭深部开采高地应力会导致深部围岩大范围塑性破坏和强烈动力失稳，且持续时间较长，存在安全隐患，严重威胁着掘进工作面煤矿工人的人身安全。近年来，国内外学者在深部围岩压力变化规律、围岩控制理论和超前支护等方面开展了许多研究，但仍存在许多亟待解决的问题。超前支架的支撑力自适应围岩压力变化可充分利用巷道围岩的自承载能力，避免巷道围岩出现破裂、碎裂等现象。介绍了一种自移式超前支架的结构，分析了该支架支撑力液压控制系统，建立了该控制系统的数学模型，研究了该系统在无控制算法、传统PID控制和神经网络PID控制等情况下的系统性能;根据旗山矿的地质条件建立了围岩-超前支架力学耦合模型，利用FLAC3D软件仿真拟合得到了巷道围岩压力变化曲线;并以此曲线为输入，模拟研究了在传统PID控制和神经PID控制两种算法时超前支架支撑力对巷道围岩压力变化的自适应变化规律。研究结果表明，与传统PID控制相比，采用神经网络PID控制算法后，支架支撑力控制系统调节时间约为2 s，缩短了16倍，超调量约为6%，动态性能得到了改善;自适应围岩压力跟踪误差为0.005 5，改善了6.8倍，证明了神经网络PID控制策略能够对支架支撑力进行控制且其控制效果比传统PID控制效果有较大优势。

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煤炭学报

2019年第11期

1321

687
夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究

作者(Author)：赵丽娟, 赵宇迪, 金鑫, 王岩

摘要：以MG400/951-WD新型采煤机螺旋滚筒为工程对象，利用Pro/Engineer分别建立螺旋滚筒与含夹矸煤岩的三维实体模型，并将耦合模型导入到ANSYS软件中进行相关的前处理设置。分别设置齿尖合金头、齿体、筒毂和螺旋叶片的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等材料属性;以杨村煤矿含夹矸煤层为取样对象，通过试验分别测得了煤和夹矸的密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和坚固性系数等物理、力学性质，完成对耦合模型材料属性的设置。分别定义含夹矸煤岩和螺旋叶片的本构模型为096_BRITTLE_DAMAGE和003_PLASTIC_KINEMATIC，通过关键字ADD_EROSION分别对含夹矸煤岩与螺旋叶片定义失效，用以表征煤颗粒被截落与螺旋叶片的磨损;基于实际工况，定义采煤机牵引速度为8 m/min，螺旋滚筒转速为60 r/min的初始运动状态，通过关键字DATABASE_RCFORC设置求解结果的输出，将最终的K文件导入LS-DYNA/SOLVER求解器进行求解。通过显示动力学仿真求解得到了螺旋叶片的磨损域、应力云图、工作载荷谱及总磨损体积等，结果表明:螺旋叶片的磨损主要集中在叶片的尾端及外缘部分，且叶片尾端磨损最为严重，这与实际工况下叶片的磨损情况相一致。这主要是由于堆积于叶片尾端的煤堆在被叶片推挤时，会产生较大的摩擦力，磨屑脱落产生犁沟状磨损带;同时螺旋滚筒截割过程中产生的非线性冲击载荷会使其产生较大的振动，导致齿座下端的叶片外缘部分与含夹矸煤岩发生接触，造成部分附加磨损。提取不同时刻螺旋叶片的磨损体积并利用Matlab软件拟合得到了螺旋叶片磨损体积的变化趋势，发现螺旋叶片的磨损量随工作时间逐渐增大，但磨损速率随工作时间逐渐减小，这主要是磨损表面微观轮廓不断变化引起的，与不同时刻磨损域的扩展情况相一致。利用Matlab软件对螺旋叶片的磨损轨迹进行拟合，获得了螺旋叶片的磨损轨迹方程。

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煤炭学报

2019年第11期

1137

410
基于 TSOA 定位原理混合算法的掘进机位姿检测方法

作者(Author)：刘超, 符世琛, 成龙, 刘丹, 沈阳, 吴淼

摘要：为实现掘进机的位姿检测，提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband) 测距和(Time Summation of Arrival，TSOA)定位原理，系统地推导了混合算法的计算过程，将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数展开法，循环迭代，通过混合算法得到了掘进机的坐标值，将坐标值代入姿态角解算公式得到了掘进机的姿态角。实际实验中需要其他测量方式的标定才可验证真值，且任何测量方式均有误差，因此基于MATLAB进行仿真分析研究规律。绘制了混合算法程序流程图，仿真对比了间接法和混合算法在15 m和90 m的定位点空间分布状态、三轴误差，以及2种算法在10~100 m的测量范围内定位点均方根误差和三轴均方根误差变化情况，分析了混合算法在15 m和90 m的姿态角精度，仿真结果表明:混合算法的定位性能优于间接法，精度高于间接法，姿态角误差可控制在0.008°以下。搭建了掘进机位姿检测系统实验平台，在模拟巷道中进行了实验验证，完整地采集了UWB测距的相关数据，在MATLAB中通过曲线拟合绘制了误差随距离变化的曲线图，得到了误差随测量距离变化的规律，实验结果表明:在3~94 m测量范围内，X轴误差可控制在4 cm以内，Y轴误差可达到毫米级，Z轴误差随测量距离增大而增大。为实现综掘装备的自主导控提供了理论基础。

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煤炭学报

2019年第04期

1482

552
基于应力-强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析

作者(Author)：刘旭南, 赵丽娟, 黄凯, 罗贵恒

摘要：随着中厚煤层不断开采完毕，薄煤层开采比重将不断加大，其安全、高效开采日显重要，但由于开采空间有限、条件恶劣，采煤机易出现设计结构不合理、工作状态不稳定、可靠性差等问题。以MG2*100/455-BWD新型薄煤层采煤机截割部为工程对象，采用Pro/E，ANSYS，ADAMS建立了该采煤机的刚柔耦合虚拟样机模型，基于破煤理论建立了采煤机螺旋滚筒的力学模型，通过MATLAB编制了相关程序解决了刚柔耦合虚拟样机模型载荷添加的问题;通过虚拟仿真获取了关键零件输出轴、壳体、行星架的Von Mises应力分布及最大应力节点应力值的时域信息，以30组不同牵引速度仿真模型的仿真结果建立了各关键零件的最大应力分布函数;以应力-强度干涉可靠性理论为基础，结合各关键零件的最大应力分布函数及所用材料强度分布函数，在考虑载荷作用次数情况下，建立各关键零件在随机载荷多次作用下的可靠度计算模型。经分析计算得到输出轴、行星架、壳体的可靠度分别为0.978，0.536及0.614，研究发现:行星架与壳体存在应力集中现象，应力最大位置分别位于行星架腹板与花键轴相交处及壳体惰轮轴孔后侧与行星减速器承载部分相交处。在对薄弱零件改进后，行星架、壳体的可靠度分别达到0.9690和0.9974，满足使用要求。该方法可有效缩短产品设计周期，提高采煤机关键零件的设计质量及可靠性。

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煤炭学报

2019年第03期

1372

665
运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律

作者(Author)：刘旭南, 赵丽娟, 周文潮, 罗贵恒, 杜章雨

摘要：由于夹矸煤岩赋存条件的复杂性及滚筒截割煤岩过程载荷的非线性,得到滚筒截割煤岩的应力信息非常困难,因此很难从可靠性方面对运动学参数进行匹配。以煤岩截割机理和有限元理论为基础,利用LS-DYNA建立螺旋滚筒截割夹矸煤岩的耦合模型,分别对不同工况进行截割过程的动态模拟,以获取煤岩体、滚筒截齿相关组件的最大应力信息。采用曲面拟合技术分析滚筒转速及牵引速度对煤岩体、滚筒截齿相关组件最大应力的影响规律,建立了相关零件应力关于滚筒转速及牵引速度的规律方程。以采煤机生产率、截割比能耗为目标建立了采煤机滚筒运动学参数的优化方程,并得到了滚筒转速与牵引速度的最佳匹配值,研究表明:当滚筒转速为61. 63 r/min,牵引速度为4. 776 m/min时,采煤机生产率可达190. 64 t/h,截割比能耗仅为0. 868 9 kW·h/m3。截齿合金头、齿体、齿座、叶片的应力分别为:1 339. 4,887. 5,454. 7,105. 2 MPa,岩石和煤体最大应力分别为:59. 15,8. 799 MPa。

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煤炭学报

2018年第10期

1143

381
面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法

作者(Author)：符世琛, 成龙, 陈慎金, 王鹏江, 宗凯, 吴淼

摘要：为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位点仿真分布,并分析协同算法的三轴定位精度。建立了空间全断面定位误差场,得出协同算法的空间定位精度变化规律。对机身定位点进行布局设计,解算得到掘进机的姿态角。结果表明:在90 m范围内,协同算法的Y轴定位误差基本上可以保持2 mm,而X轴、Z轴定位误差由0. 4至4 cm呈线性增加。随测量距离的增大,在巷道X-Y断面上,定位误差呈线性增加;在巷道X-Z断面上,定位误差的随机性增加。姿态角误差均由0. 2°至1. 5°呈线性增加,满足掘进机位姿检测精度的需求。

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煤炭学报

2018年第10期

1252

494
基于掘进机位姿测量系统的自主标定方法误差分析

作者(Author)：陈慎金, 成龙, 王鹏江, 李瑞, 刘丹, 吴淼

摘要：围绕在狭长综掘巷道中掘进机位姿激光测量系统位姿参数高精度自动测量的问题,首先系统介绍了位姿测量系统,研究了位姿测量系统测站移站后高精度自动全站仪自主标定原理。依据激光测量原理及掘进机工作特点,构建了全站仪移站后全站仪设站点坐标与定位棱镜坐标测量误差数学平差模型,并通过Matlab进行了不同标定距离、不同测量距离对悬臂式掘进机位姿参数测量误差影响规律的仿真分析。分析结果表明:掘进方向的位姿误差比较大,掘进机姿态角误差均随测量距离和标定距离的增加而增加,且测量距离对姿态角误差影响更明显;姿态角的最大测量误差为航向角,测量误差为0. 015 7°。从而验证了激光导向系统自主标定的可行性,并由此提出了一种相对最优的自主标定策略。完全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。

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煤炭学报

2018年第09期

1168

555