煤礦井下移動(dòng)設(shè)備駐車(chē)距離動(dòng)態(tài)建模系統(tǒng)

周文君

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

0 引言

煤礦井下礦工面臨著特殊工作環(huán)境危害，在這些危險(xiǎn)中，包括井下工作人員可能被井下重型移動(dòng)設(shè)備撞擊。這些設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)(CMM)和移動(dòng)式運(yùn)輸設(shè)備。連續(xù)采煤機(jī)用于從地下礦井工作面機(jī)械采煤，并將其裝載到移動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備上運(yùn)走。連續(xù)采煤機(jī)在工作面巷道上運(yùn)行，通常約3.4 m或更寬，重達(dá)數(shù)十噸。移動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備包括梭車(chē)、鏟車(chē)和無(wú)軌膠輪車(chē)。這些設(shè)備靠輪胎來(lái)運(yùn)行，其大小與連續(xù)采煤機(jī)相當(dāng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年各大煤礦都有礦工們被這樣的設(shè)備撞擊而嚴(yán)重受傷。這種危險(xiǎn)隨著地下礦井內(nèi)狹窄的空間、微弱的光線(xiàn)、高水平的噪聲和粉塵等惡劣環(huán)境而加劇[1]。

為了降低這類(lèi)事故的風(fēng)險(xiǎn)，本文開(kāi)發(fā)近距離探測(cè)系統(tǒng)(PDSs)，并在地下礦井的許多設(shè)備上使用。系統(tǒng)由兩個(gè)主要部件組成：磁場(chǎng)發(fā)生器和磨損收發(fā)器。機(jī)器安裝的發(fā)電機(jī)包含鐵芯線(xiàn)圈天線(xiàn)，通過(guò)低頻調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)度(磁通密度)由MWC測(cè)量。雖然是非線(xiàn)性的，由MWC測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)隨著發(fā)生器和MWC之間的距離成反比。研究人員開(kāi)發(fā)了一種測(cè)定這種位置的方法。接近探測(cè)系統(tǒng)后將MWC的位置與機(jī)器周?chē)念A(yù)定義警告區(qū)和停止區(qū)進(jìn)行比較(如圖1)。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入警告區(qū)時(shí)，會(huì)發(fā)出視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)警報(bào)。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入一個(gè)停止區(qū)，機(jī)器運(yùn)動(dòng)是自動(dòng)禁用的。最近的一項(xiàng)研究表明，在78%的涉及地下煤礦移動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備的致命事故中，近距離探測(cè)系統(tǒng)的使用可能有助于防止事故發(fā)生。

因此，為了確定近距離檢測(cè)系統(tǒng)提供的檢測(cè)距離是否適合移動(dòng)式運(yùn)輸設(shè)備，需要對(duì)該設(shè)備在各種條件下的駐車(chē)距離進(jìn)行調(diào)研[2]。本文的研究利用計(jì)算機(jī)建模來(lái)量化不同條件下不同的地下煤炭運(yùn)輸設(shè)備的預(yù)期停車(chē)距離。

圖1 接近探測(cè)系統(tǒng)的警告區(qū)域和停止區(qū)域

1 動(dòng)力學(xué)分析

為了解決在煤礦井下使用的近距離探測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性問(wèn)題，本文開(kāi)展了一項(xiàng)研究，以確定控制井下移動(dòng)運(yùn)輸車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

本文創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，詳細(xì)說(shuō)明了使用井下移動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備的多種不同類(lèi)型、型號(hào)的規(guī)格和重要參數(shù)，進(jìn)行市場(chǎng)分析調(diào)研。在市場(chǎng)分析調(diào)研過(guò)程中，對(duì)大多數(shù)移動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。

圖2 近距離檢測(cè)系統(tǒng)確保安全所需的檢測(cè)距離

圖3 裝載車(chē)(LHD)

圖4 梭車(chē)

圖5 錨桿機(jī)

從每個(gè)車(chē)型的手冊(cè)中可以找到加速、牽引力、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和其他參數(shù)等特性。對(duì)這些信息進(jìn)行分類(lèi)和分析，為每一類(lèi)類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)學(xué)類(lèi)型確定合適的代表性車(chē)輛(例如打滑轉(zhuǎn)向、鉸接轉(zhuǎn)向和全輪轉(zhuǎn)向)。

研究人員采集了145輛礦山運(yùn)輸車(chē)輛的參數(shù)數(shù)據(jù)，將其劃分為5類(lèi)：裝載車(chē)(如圖3)、梭車(chē)(如圖4)、頂板錨桿機(jī)(如圖5)、無(wú)軌膠輪車(chē)(如圖6)、移動(dòng)式設(shè)備(工作面鉆機(jī)、生產(chǎn)鉆機(jī)等，如圖7)。利用分類(lèi)特征確定各組的相應(yīng)動(dòng)態(tài)模型。從所收集的物理數(shù)據(jù)中，通過(guò)研究重要參數(shù)，例如總質(zhì)量、質(zhì)量分布、尺寸、總功率等，為每組選出一臺(tái)具有代表性的設(shè)備。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析選擇的參數(shù)分別是操作重力、總功率、內(nèi)外轉(zhuǎn)彎半徑、車(chē)輛長(zhǎng)度、寬度和高度。當(dāng)然，并非所有參數(shù)對(duì)于動(dòng)態(tài)模型都是必需的，但是可以在以后用于更深入的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模工作。

2 動(dòng)態(tài)建模

圖6 無(wú)軌膠輪車(chē)

圖7 移動(dòng)式設(shè)備

通過(guò)建立模型來(lái)分析各種類(lèi)型井下移動(dòng)設(shè)備，主要是井下車(chē)輛在路面上的動(dòng)態(tài)行為，首先必須確定模型的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。可以動(dòng)態(tài)建模的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)包括但不限于行駛、轉(zhuǎn)彎、剎車(chē)和加速動(dòng)態(tài)。該模型描述了在特定條件下車(chē)輛部件對(duì)激勵(lì)的反應(yīng)。當(dāng)坡度為上坡時(shí)會(huì)增加阻力，當(dāng)遇到下坡坡度時(shí)會(huì)增加制動(dòng)力。在低速時(shí)，滾動(dòng)阻力是主要的減速力，由于在低速時(shí)制動(dòng)阻力明顯大于滾動(dòng)阻力，滾動(dòng)阻力可包括在制動(dòng)阻力之內(nèi)。滾動(dòng)摩擦力的計(jì)算方法是將車(chē)輛的重力乘以滾動(dòng)摩擦因數(shù)。加速度將應(yīng)用于該模型中的車(chē)輛，提供每個(gè)車(chē)輪上施加的牽引力。牽引力的計(jì)算主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給變速器的轉(zhuǎn)矩、變速器提供給傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)軸提供給車(chē)軸轉(zhuǎn)矩，再除以車(chē)輪半徑計(jì)算出得出[3]。本文使用以牛頓為單位的牽引力作為主要參數(shù)，該參數(shù)可由操作者對(duì)所建模的特定車(chē)輛進(jìn)行計(jì)算[4]。由于制動(dòng)結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)和控制方案因車(chē)輛的不同而異，因此決定使用計(jì)算出的制動(dòng)力作為模型的輸入?yún)?shù)，制動(dòng)力輸入?yún)?shù)以每個(gè)車(chē)輪的牛頓為單位輸入。

圖8 動(dòng)態(tài)模型

在進(jìn)行靈敏度分析時(shí)，可以選擇獨(dú)立參數(shù)區(qū)間內(nèi)可編程數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以保證得到相對(duì)光滑的圖形曲線(xiàn)。所有得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)都將保存到一個(gè)文件中以供后續(xù)處理。

3 動(dòng)態(tài)建模應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

通過(guò)編寫(xiě)MATLAB應(yīng)用程序，進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。軟件執(zhí)行了不同的功能：輸入用于分析的特定機(jī)器數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析，在保持其他參數(shù)不變的情況下輸入特定參數(shù)的敏感度分析，以及收集分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[5]。為了方便使用，通過(guò)使用MATLAB的圖形用戶(hù)界面GUI功能來(lái)完成。圖9顯示了已開(kāi)發(fā)的MATLAB應(yīng)用程序創(chuàng)建的GUI顯示。 顯示器由3個(gè)主要面板組成: 控制(左)、輸出(右上)和狀態(tài)(右下)。圖10顯示了基于控制程序的井下移動(dòng)設(shè)備駐車(chē)距離動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)建模。

4 結(jié)論

本文通過(guò)探測(cè)系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)模擬井下移動(dòng)車(chē)輛和環(huán)境參數(shù)，利用近距離檢測(cè)系統(tǒng)以滿(mǎn)足其特定制動(dòng)需求和安全探測(cè)需求。通過(guò)MATLAB應(yīng)用程序以一種更快且更直觀的方法來(lái)確定停車(chē)距離。這種動(dòng)態(tài)建模工具作為一種量化停車(chē)距離的模型工具，該模型已經(jīng)得到驗(yàn)證。這些對(duì)開(kāi)發(fā)、分析和驗(yàn)證過(guò)程的改進(jìn)將使接近檢測(cè)技術(shù)能夠?yàn)榫乱苿?dòng)設(shè)備操作人員和礦工提供更好的安全性，有助于防止煤礦井下事故的發(fā)生。

圖9 MATLAB創(chuàng)建的GUI顯示

圖10 移動(dòng)式運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)模型