采煤机摇臂姿态定位技术分析与应用

采煤机摇臂姿态定位技术分析与应用
徐建军
【摘要】通过对采用编码器采煤机摇臂姿态定位方法的分析,探讨了采煤机摇臂姿态定位问题.采用油缸位移传感替代编码器实现煤机摇臂姿态定位,提高了定位精度、解决了传感器防护问题,保证了自动化工作面数据的稳定可靠.
【期刊名称】《陕西煤炭》
【年(卷),期】2018(037)001
【总页数】3页(P94-96)
【关键词】采煤机;摇臂姿态定位;编码器;位移传感器
【作者】徐建军
【作者单位】陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西黄陵727307
【正文语种】中文
【中图分类】TD632
0 引言
综采工作面自动化是一个集采煤机、液压支架、运输机、转载机、破碎机、供液系统、供电系统、控制系统协同工作的复杂综合体。

采煤机是其中的核心设备之一。

综采工作面实现自动化的关键技术就是研究适合中国煤层条件的采煤机自动控制系统。

采煤机是一个复杂的系统工程，是机械、电气、通讯、自动化控制等不同技术的交叉与融合。

实现采煤机自动化，就目前自动化采煤机技术现状来看，它包括诸
多子系统：基本控制、通讯系统、远程控制、自主定位、自适应调高、故障诊断系统等。

采煤机自主定位包括姿态定位和位置定位，是采煤机自动化必须解决的基础性问题。

1 采煤机姿态定位
采煤机姿态定位，是采煤机滚筒的高度、机身角度(倾角和仰俯角)信息的总和。

在采煤机自动化控制中，需要建立姿态信息与位置信息的一一对应的映射关系，对采煤机在工作时的姿态信息进行实时的监测、分析、存储等。

准确测量采煤机姿态，才能更为精确的描绘出采煤机的轨迹，为采煤机自动控制奠定基础。

姿态定位的准确性、稳定性是决定采煤机进行精确、稳定的自动化控制的关键。

1.1 姿态定位方法
众所周知，滚筒式采煤机的截割机构与牵引机构是通过铰接形式连接，通过油缸伸缩，截割机构以铰接中心为轴心转动，分别采用倾角传感器和轴编码器，采集采煤工作面的倾角(俯角和仰角)、采煤机摇臂的倾角和摇臂角位移，通过建立的数学模型，分别计算出采煤机摇臂高度，通过数据处理，准确描绘出采煤机相对位置的截割姿态轨迹，为远程控制和自动截割提供依据。

1.2 编码器姿态定位
采煤机是一个集成度较高的综采设备之一，空间狭小，各传感器安装难度大。

通过在采煤机摇臂和牵引部铰接耳之间安装编码器，通过合理的选择安装位置，优化设计安装结构，使摇臂编码器的安装能够在工况复杂的条件下，稳定可靠的运行。

在这种情况下，合理的利用了狭小的空间，把编码器安装在摇臂与牵引部连接铰轴处，使铰轴与摇臂一起转动，保证编码器读数与实际采煤一致。

编码器与铰轴连接采用柔性联轴器和扁平小轴，减少了加工难度，缓减了采煤过程中震动对编码器的损坏。

这种安装方式虽然一定程度降低了安装的方便性，但在很大程度上合理利用了采煤机有限的空间，同时对编码器具有很好的保护作用，如图1所示。

图1 姿态定位编码器连接安装示意图
2 编码器姿态定位
黄陵矿业公司一号煤矿1001综采工作面MG2×200/925-AWD采煤机姿态定位
通过轴编码器测量摇臂相对机身转动角，通过计算可以得出采煤机摇臂采高。

轴编码器的分辨率为2π/4096，摇臂长度为2 350 mm，那么，采煤机采高姿态定位
精度理论值为2 350×2π/4 096，约为3.6 mm，针对煤矿综采设备的自动化控制来说，该控制精度完全可以满足要求。

在实际使用过程中，由于采煤机工作环境异常恶劣，工作过程中振动较大，特别是薄煤层采煤机机身较轻，遇见断层岩石时振动十分强烈。

在设备安装初期，采煤机姿态定位精度较高，可以满足使用要求，但在设备使用一段时间以后，尤其是在强振动的影响下，编码器的固定会出现松动现象，使得采煤机姿态定位误差较大，严重影响自动化控制。

这时，就需要重新安装和固定编码器，重新校正姿态定位数据，给设备自动化控制带来不必要的麻烦，影响矿井自动化工作面的连续推进和正常生产。

3 姿态定位技术改进
3.1 位移传感器姿态定位
针对编码器的使用情况，为了避免编码器在实际使用过程中的不足，经充分调研国内外相关技术，采煤机姿态测量传感器采用调高油缸内部安装位移传感器，通过监测调高油缸的伸长量，计算后得到采煤机采高，其原理如图2所示。

图2 油缸结构及原理
位移传感器的磁环与波导管均安装在采煤机调高油缸内部，波导管安装于油缸本体，位置相对固定，磁环安装于油缸活塞杆，随着油缸的活塞杆移动，波导管与磁环会产生一个纵向的磁场，传感器将磁信号转换成为电信号(脉冲信号)，传感器通过高速计时器对脉冲信号进行测定，可快速、精确地计算出磁环的准确位置。

采煤机调高示意图如图3所示。

在采煤机调高机构中，摇臂与牵引部铰接中心到
摇臂与油缸铰接中心距离A固定不变，摇臂与牵引部铰接中心到油缸与牵引部铰
接中心距离B固定不变，只有摇臂与油缸铰接中心到油缸与牵引部铰接中心距离
C随着油缸伸缩而变化，则有α=arccos(A2+B2-C2)/2AB。

以MG2×200/925-AWD采煤机为例，油缸活塞长度约为285 mm，油缸位移传感器精度为0.1 mm，摇臂最大采高为2 560 mm，最大卧底为290 mm，采煤机调高精度为：(2
560+290)/2 850=1 mm。

同时，在传感器与处理器之间，采用信号隔离，提高
抗干扰能力，保证数据的稳定性和可靠性。

图3 采煤机调高示意图
3.2 改进效果
改进优势：①采用位移传感器实际测量油缸的伸长量计算采煤机摇臂采高，与之前采用编码器测量测量采煤机摇臂采高相比，精度由原来的3.6 mm提高到1 mm，误差放大倍数变小，提高了采煤机姿态定位的精度；②采用油缸内置位移传感器，有效解决传感器的保护问题，提高防护性能，同时位移传感器位于调高油缸内部，与油缸融为一体，抗震动能力大幅提高，更能够适应综采工作面的复杂环境；③油缸位移传感器采用4～20 mA电流信号，在信号前端添加信号隔离，有效地防止
综采工作面复杂电磁环境的影响，提高了可靠性；④采用油缸位移传感器，不需要考虑定期重标或担心断电后归零问题。

这种非接触式的测量避免了机械磨损的问题，保证了最佳的重复性和稳定性，同时，可以有效避免机械振动带来的安装问题。

使用效果：黄陵矿业公司一号煤矿1002、1003综采工作面MG2×200/925-AWD采煤机采用改进后，通过油缸位移传感测量采煤机摇臂姿态，采煤机摇臂姿态定位精度提高，稳定性和可靠性大幅提高，降低了由于机械振动导致安装松动的影响，避免了搬家倒面和正常机械维护重复拆装需要数据校正的麻烦。

通过1002、1003工作面使用，在使用过程中仅仅出现过线缆断裂现象，摇臂姿态定位的油缸位移传感器和姿态定位系统运行稳定，为综采自动化工作面的顺利运行提供可靠地
数据基础。

4 结语
采用非接触式油缸位移传感器进行采煤机摇臂姿态定位，精度优于采用编码器进行采煤机摇臂姿态定位，解决了传感器防护问题，不需要考虑定期重标或担心断电后归零问题，适应工作面复杂的电磁环境，保证了自动化工作面数据的稳定可靠，可以在其它采煤机推广应用，具有很强的移植性和的市场推广前景。

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