液壓支架的調直方法研究*

王宇卓,常宗旭,高 飛,廉自生

(太原理工大學 機械與運載工程學院,山西 太原 030024)

0 引 言

自動化綜采工作面是以采煤機與液壓支架聯動為特征的工作面[1,2]。由于受到井下復雜的環境影響,并且在“推溜移架”過程中出現的測量誤差和執行誤差等,會導致工作面循環截割過程中存在誤差不斷累積,并在多次循環后需要人工干預,來滿足綜采工作面對于直線度的要求[3,4]。因此,實現綜采工作面無人化的前提就是實現工作面的自動調直。

由于液壓支架和刮板輸送機的連接關系,使它們的直線度存在聯系。因此,工作面自動調直方法分為:以液壓支架為基準的調直方法和以刮板輸送機為基準的調直方法。刮板輸送機的調直方法是通過采煤機定位技術[5,6],由采煤機運行軌跡根據采煤機與刮板輸送機的幾何約束關系反演出具有絕對方位的刮板輸送機軌跡[7-9]。也可在刮板輸送機配置角度傳感器[10]或者光纖光柵[11]求得刮板輸送機軌跡;再通過調直算法計算各個液壓支架所需的推移距離對刮板輸送機軌跡進行修正。這種調直方法不但避免了誤差累計,而且存在調直的絕對方向[12]。但是這種自動化技術較為復雜,其精度要求高;并且存在定位系統不可避免的漂移等誤差,致使一段時間后定位效果無法滿足工作需求,要進行人工干預[13,14]。

以液壓支架為基準的調直方法是基于支架間的相對位置,來感知支架的相對位置(目前已提出了的方法有:找直和角度傳感器[15]、激光列陣[16]、角度與應變[17]、視覺傳感器[18]、井下機器人[19]等);之后在“拉架”過程中控制行程,使得支架兩兩對齊,也可以多架聯動對齊;然后在以液壓支架為基準推移刮板輸送機,從而達到綜采工作面調直的目的[20]。這種調直方法的優點是安裝簡單,可以直接在原有的支架上加裝傳感器實現,并且精度高成本低;缺點是大量傳感器導致可靠性降低,存在誤差累計,而且缺少絕對參考方向,極易導致工作面調直精度降低、調直方向與回采巷道方向不正交。

牛劍鋒在內蒙古巴彥高勒煤礦進行了原理性實驗,用精度為3 mm的激光對位傳感器,達到直線度控制精度達到30 mm。

本文對以液壓支架為基準的調直方法進行改進,并進行仿真實驗和理論分析,通過對比分析測量誤差和推移誤差對直線度的影響規律。

1 以液壓支架為基準的調直方法

筆者以液壓支架為基準的調直方法通過激光列陣傳感器來感知支架的相對位置。

工作面液壓支架動態調節示意圖如圖1所示。

圖1 液壓支架動態調直示意圖

所有液壓支架都安裝激光對位傳感器。移架前對調斜量控制。準備移架的支架向相鄰的支架發出命令,通知相鄰的支架控制器發出激光信號。圖1中箭頭為對位傳感器激光信號。移架中的支架可以接收信號,在激光信號接收列陣中感知與前一支架的相對位置;再在拉架過程中控制推移距離,從而實現支架運動的感知和控制,實現連續自主移架。

然而由于調直過程中存在精度和誤差的問題,會導致偏離目標直線。為了補償誤差,用液壓支架記錄本次最終完成的行程目標與靶位的相對距離,其超出或不足的行程稱為超調量,并使得相鄰液壓支架超調量相互抵消,最終保證支架移架行程誤差控制在有效范圍內。

單個液壓支架具體控制流程圖如圖2所示。

圖2 液壓支架動態調直流程圖

根據液壓支架調直方法,首先確定第1架第2架調直的縱坐標如下:

(1)

第i+1(i>1)座液壓支架調直過程如下:

(2)

2 理論分析

當N=0時,不補償超調量;當N=1時,對超調量進行完全補償;當0

(3)

(4)

Δh=yi-yj

(5)

(6)

式中:μ—誤差均值,m;Δp—測量推移距離誤差的偏差,m;Δq—測量超調量誤差的偏差,m;Δo—執行誤差的偏差,m;Δh—直線度誤差,m。

yi是由無數個誤差積累而成,整體直線呈現為一條平緩的曲線;直線度誤差Δh為yi最大值減去最小值如式(5)所示,i點和j點分別是最突出點和最滯后點。直線度誤差大小由兩點之間的累計誤差構成,因此直線度誤差由測量誤差和推移誤差(δp,δq,δo)決定;并且液壓支架的穩態直線度誤差只與本次調直誤差有關,不受其他過程的調直誤差影響。

并且i和j相差越大,δpj、δoj、δqj的系數就越靠近某個小于1的數。這時N取值越大,可以使δp、δo和δq所乘的系數最小,從而極大減小誤差累積,使直線度誤差減小。由式(4)可知,若誤差均值μp+μo+μq不為0,會導致推移曲線推斜。

式(6)表明,超調量是由誤差累積而成,而補償系數抑制了超調量的誤差累積。i每增大1,所有誤差會乘一個小于1的系數N,使得bi誤差累積不明顯;即使當bi比較大時,隨著i的增大,累積的誤差也會因為趨近0的系數而快速減小,使得超調量保持在一定范圍內;并且N取值越小,對超調量bi改善越明顯。

3 仿真及結果分析

筆者利用MATLAB軟件進行數值仿真,對調直效果進行檢驗。在東北天坐標系中,工作面沿著東方向分布,推進方向向北,假設液壓支架中心距間距為1.00 m,并假設標準推移距離H為0.8 m;液壓支架傳感器測量誤差δp、δq和液壓支架推移執行誤差δo為影響液壓支架直線度的主要因素;假設誤差δp、δq和δo為相互獨立的隨機變量,并服從正態分布。

在δp、δq和δo服從不同正態分布情況下,本文對液壓支架動態調直進行數值仿真實驗;引用直線度誤差和最大超調量來評價直線度(直線度誤差定為最大值減去最小值,最大超調量為工作面中所有相鄰液壓支架之間縱向相差距離的最大值)。

算法仿真實驗條件如表1所示。

表1 液壓支架調直算法仿真條件表

表1中,用仿真實驗Ⅰ對于液壓支架調直方法的原理進行驗證;用仿真實驗Ⅱ～Ⅳ通過設置不同的初始條件,對補償系數N的效果進行驗證。

(1)液壓支架測量和推移執行無誤差與存在誤差條件下,液壓支架的動態調直過程如圖3所示。

圖3 仿真實驗Ⅰ

第1臺液壓支架按照標準距離H推移后,其后所有的支架通過對比前一支架算出推移補償距離。調直為理想直線,即直線度誤差Δh=0。說明該調直方法理論上是正確的。假設液壓支架測量無誤差,液壓支架推移誤差δo～N(0,0.0082),補償系數為0。由于誤差的存在,使得調直不可能完全對齊。在未調直前直線度誤差Δh=0.296 7 m;調直后直線度誤差Δh=0.115 5 m,曲線直線度誤差下降。

(2)假設液壓支架測量誤差δp、δq～N(0,0.0082),液壓支架推移誤差δo～N(0,0.0082),液壓支架推移110次。

液壓支架直線度誤差均值和最大超調量值隨補償系數N的變化情況,如圖4所示。

圖4 仿真實驗Ⅱ

直線度誤差呈現U字形,直線度誤差可降低至完全補償的三分之一;最大超調量在[0,0.8]區間隨著N緩慢變大,并且在[0.8,1]快速增大。因此在該誤差條件下,N在[0.3,0.8]范圍內調直效果明顯改善。

(3)假設液壓支架測量誤差δp、δq～N(0,0.0082),液壓支架推移誤差δo～N(0,0.0182)，液壓支架推移110次。

液壓支架直線度誤差均值和最大超調量值隨補償系數N的變化如圖5所示。

圖5 仿真實驗Ⅲ

直線度誤差呈現U字形。直線度誤差可降低至完全補償的二分之一。最大超調量在[0,0.8]區間隨著N緩慢變大,并且在[0.8,1]快速增大。因此在該誤差條件下,N在[0.3,0.8]范圍內調直效果明顯改善。

(4)假設液壓支架測量誤差δp、δq～N(0.01,0.0082),液壓支架推移誤差δo～N(0.015,0.0182),液壓支架推移110次。

液壓支架直線度誤差均值和最大超調量值隨補償系數N的變化情況,如圖6所示。

圖6 仿真實驗Ⅳ

圖6中,直線度誤差呈現下降趨勢。再由式(4)可知:由于偏差均值不為零,使得誤差累積,使得整個工作面朝一個方向偏移,變成一條斜線;當N增大時,由于補償的存在,使得斜線斜率減小。

在實際工程實踐中,由于液壓支架上每個傳感器都是獨立的,所有傳感器誤差均值都不同,這種誤差均值偏向同一側的情況可能性很小。

4 結束語

筆者在已有的液壓支架為基準的調直方法中引入補償系數,通過理論分析,并利用MATLAB進行了數值仿真,仿真結果顯示,綜合考慮推移曲線的直線度誤差和超調量,使用補償系數的調直曲線明顯優于不補償和完全補償的曲線。

由此可見,在已有的調直方法中引入補償系數,能夠有效地減少液壓支架直線度誤差和超調量的誤差累積,并使直線度和超調量穩定在一定范圍內;

同時,液壓支架調直過程只與本次調直過程有關,與之前調直過程無關,這也在一定程度上避免了誤差累積;選取合適的補償系數N可以明顯改善調直效果。