一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法，是基于一种采煤机感知的煤岩界面分析系统实现的，系统由大容量数据存储设备、采煤机电气主控制器、本质安全型振动加速度传感器等组成；方法是通过振动信号、采煤机截割和牵引电机电压电流及温度扭矩、采煤机摇臂升降油缸压力、牵引电机速度信号组成的采煤机工作参数，分析采煤机滚筒截齿截割煤、岩石不同顶底板情况下信号特征，运用小波包分析振动信号不同频段能量特征，运用概率统计样本分析截割电机工作参数的特征分布、多传感器信息融合技术综合建立不同煤岩性状数据库，通过模糊数学理论定义采煤机感知煤岩界面，根据采煤机感知多传感器信息计算煤岩界面隶属度，从而作为煤岩界面识别依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于采集机电设备工作状态参数的仪器及一种识别机电设备负载介质的方法，尤其是能用于煤矿井下一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法。 
技术介绍
煤矿井下大型采掘设备，是指为煤矿井下综采工作面使用的各种采煤机和综掘工作面使用的各种掘进机，是煤炭综合机械化生产中最为关键的大型设备。 在井下作业，工作环境恶劣，粉尘量大，能见度低，工作空间狭窄，极易偏离工作方向和造成机械设备的损耗，因此对设备性能要求较高。而煤炭生产是一个恶性事故频发的行业，事故死亡人数远远高于发达国家和世界平均事故死亡率。发展无人值守，最大程度上实现工作面的无人化，有助于提高生产过程的安全性，是煤矿机械发展的一个方向。 井下生产设备日趋大型化、高速化、自动化和智能化，年产煤量也逐年攀升，一旦出现设备故障，造成的损失也就更大，因此对系统的安全性、可靠性和有效性的要求也进一步提高。 而采煤机识别截割煤岩性状的前提是获取采煤机的工作状态参数并进行状态监测。研制用在井下机电设备的机载大容量数据记录仪系统能够实时采集和记录该设备的各种工作状态参数，实现设备健康运行的实时工作状态参数的跟踪和记录，识别截割煤岩性状硬度。 煤层组织中含有成分不同的岩石和硬夹杂物，它们的含量、形状和物理一机械性质各异，加上煤层结构中有层理(沉积矿物中天然形成的分层面)、节理(由各种地质力的作用而形成的剪切断裂面)等裂隙，所以使煤层各处的性质不同，即煤是一种非均质、各向异性的脆性物质。 硬度或坚固性是一种表示煤岩破碎难易程度的综合指标，它是煤岩体抵抗拉力、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。 硬度系数f表示煤岩的坚固性大小。是苏联学者普罗托季雅柯诺夫于1926年提出的，因此又称普氏系数。可以用捣碎法测量硬度系数，还可以采用计算普氏系数的其中一种方法，即根据煤岩的极限抗压强度σy(MPa)近似确定。 我国用硬度系数来进行岩石分级和煤层分类。煤和软岩f≤4，中硬岩f＝4～8，硬岩f≥8，最硬的岩石f达20；同时还规定：f≤1.5的煤为软煤，f＝1.5～3.0的煤为中硬煤， f≥3的煤为硬煤。 研究采煤机电机工作参数与煤岩硬度影响关系，其中，电机工作参数主要研究截割电机与牵引电机工作参数，截割电机是滚筒执行旋转切割的动力来源，因此滚筒截割煤岩承受载荷将通过传动机构传递至截割电机，而滚筒所承受的沿采煤机行走方向的阻力同样影响牵引电机，除此之外采煤机左右摇臂的升降油缸的油压以及牵引电机的牵引速度也是重要衡量识别煤岩性状的关键参数。 进行煤矿井下采煤机多参数采集存储分析为识别截割煤岩性状的意义主要有： (1)于获取煤矿井下采煤机工作时的大量原始数据，为其识别煤岩性状和健康诊断的研究提供了宝贵资料； (2)为煤矿井下采煤机自主截割功能实现的设计及完善提供了重要的参考数据和方法。 (3)为煤矿井下安全生产的信息化，和最终的无人化的研究积累最原始最基础的数据参考资料。 
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，提供一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法，解决上述难题，以达到对煤矿井下采煤机通过机载长时间大容量记录其自身的各种运行状态参数的要求并且综合分析基于截割电机和牵引电机的电压、电流、温度、扭矩信息，并辅助分析摇臂振动信号、采煤机左右摇臂升降油缸压力、牵引电机速度信号，建立运用小波包分析振动信号的不同频段能量特征，运用概率统计样本分析截割电机工作参数的特征分布、多传感器信息融合技术综合建立不同煤岩性状数据库，实现基于采煤机感知煤岩界面的分析方法。 基于采煤机感知煤岩界面的分析系统包括：大容量数据存储设备，采煤机电气主控制器、本质安全型振动加速度传感器、振动数据传输电缆、通信数据传输线，采煤机机载电源。 基于采煤机感知煤岩界面的分析方法中的多参数主要是指截割电机和牵引电机的电压、电流、温度、扭矩信息，摇臂振动信息，采煤机位姿信息，上述的分析方法如下： 截割电机电压电流确定截割煤岩性状特征值分析方法 通过采集存储采煤机截割左右截割电机及牵引电机的电压电流信息，运用概率统计样本分析截割电机工作参数的特征分布，确定识别滚筒截割煤岩不同性状特征值的数据库，该特征值的建立理论模型是通过计算截割电机输入功率，一般采煤机为三相异步电机，其功率值的计算方法如下： UL——截割电机线电压； IL——截割电机线电流； ——截割电机功率因素。 忽略定子铜耗，截割电机的电磁转矩近似为输出转矩： Te=Pω---(1.2)]]>ω——截割电机转速(ω＝2πf/pn，f为电源频率，pn为电机极对数)； 一般截割状态下，截割电机的电磁转矩和阻转距的平衡方程为： ηKpTe＝TL          (1.3) TL——阻转矩； η——机械传动效率，常数(已知多级减速机构机械传动参数)； Kp——电机负荷系数，常数(电机运行时的实际功率和额定功率的比)。 此时截割电机经过传动在滚筒处产生的切向力约为： F=TLRhead=ηKpTeRhead---(1.4)]]>F——滚筒切向作用力； Rhead——滚筒平均半径； 滚筒在截割煤岩时，旋转方向的切向作用力对煤岩的压强： Pa=FA---(1.5)]]>Pa——煤岩所受压强； A——参与截割的截齿投影面积之和； 滚筒在沿旋转方向截割煤岩时，岩石的单轴抗压强度与所受压强关系： δc≈Pa          (1.6) 由公式(3.7-3.13)，推导如下关系： 令由公式(1.7)可知，截割电机线电压UL，截割电机线电流IL通过采煤机黑匣子采集和记录；截割电机功率因素根据电机出厂参数确定，电机负荷系数Kp为常数(电机运行时的实际功率和额定功率的比)。其中机械传动效率η、截割电机转速ω(单位rad/s)、滚筒平均半径Rhead(单位m)、参与截割的截齿投影面积之和A(约整半个滚筒截割截齿)可以根据采煤机说明书获得相应参数。 确定采煤机多种工作状态(即工况)，通过分析采煤机的截割电机工作参数，结合记录工况，揭示滚筒截割煤岩不同介质时的截割电机工作参数的变化规律，尤其是根据截割电机与煤岩硬度经验公式建立普氏系数与电机功率的变化模型，通过煤矿井下采煤机测试数据建立数据库。 截割电机功率概率密度分布能够体现采煤机滚筒不同工况下的截割负载，即通过概率密度分布图中的不同波峰推断滚筒的截割介质，根据煤岩截割密实核理论，截割电机功率的概率密度波峰主要为截割顶板、煤岩和空载。已知测试工作面的顶板、煤岩硬度参数，根据采煤机的电机工作参数推断经验公式中修正值K。 煤岩硬度普氏系数与修正系数经验值数学建模如下： 由公式f=K10×0.075×3ULIL]]>可得：f/K=0.0075×3ULIL.]]>首先根据已知煤矿井下的滚筒截割煤岩性状情况确定煤岩硬度普氏系数f，计算出经验公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法，所述的方法是基于一种基于采煤机感知的煤岩界面分析系统实现的，所述系统由大容量数据存储设备、采煤机电气主控制器、本质安全型振动加速度传感器、振动数据传输电缆、通信数据传输线和采煤机机载电源组成，其中，所述大容量数据存储设备安装在采煤机的电控箱内，通过串口通信模块与采煤机电控单元的串口连接，还通过振动信息采集模块连接振动数据传输电缆，所述大容量数据存储设备由采煤机机载电源供电；所述大容量数据存储设备还包括： 嵌入式计算机主板，接收处理采集到的各种数据；所述嵌入式计算机主板通过发送指令要求串口通信模块将信息传输给采煤机，采煤机串口通信模块接受指令并将截割和牵引电机的电压、电流、温度、转矩、转速信息以及油缸信息传输至大容量数据存储设备；振动数据采集模块，采集由本质安全型振动加速度传感器调理之后的8路信号；所述振动数据采集模块通过嵌入式计算机主板USB接口供电并实现与嵌入式计算机主板的通信； 大容量固态硬盘，作为存储设备记录数据；所述大容量固态硬盘为非易失性、可重复读写、抗震性能好的存储设备； 其特征在于：所述识别方法是通过采集存储由振动信号、采煤机截割部左右截割电机及牵引电机的电压电流及温度扭矩、采煤机左右摇臂升降油缸压力、牵引电机速度信号组成的采煤机工作参数，分析采煤机滚筒截齿截割煤、岩石不同顶底板情况下的上述传感器信号特征，运用多传感器信息融合技术综合建立不同煤岩性状数据库，通过模糊数学隶属函数的计算得到区别煤岩硬度特性的感知质量实现采煤机感知模糊定义的煤岩界面。...

【技术特征摘要】
1.一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法，所述的方法是基于一种基于采煤机感知的煤岩界面分析系统实现的，所述系统由大容量数据存储设备、采煤机电气主控制器、本质安全型振动加速度传感器、振动数据传输电缆、通信数据传输线和采煤机机载电源组成，其中，所述大容量数据存储设备安装在采煤机的电控箱内，通过串口通信模块与采煤机电控单元的串口连接，还通过振动信息采集模块连接振动数据传输电缆，所述大容量数据存储设备由采煤机机载电源供电；所述大容量数据存储设备还包括： 
嵌入式计算机主板，接收处理采集到的各种数据；所述嵌入式计算机主板通过发送指令要求串口通信模块将信息传输给采煤机，采煤机串口通信模块接受指令并将截割和牵引电机的电压、电流、温度、转矩、转速信息以及油缸信息传输至大容量数据存储设备；振动数据采集模块，采集由本质安全型振动加速度传感器调理之后的8路信号；所述振动数据采集模块通过嵌入式计算机主板USB接口供电并实现与嵌入式计算机主板的通信； 
大容量固态硬盘，作为存储设备记录数据；所述大容量固态硬盘为非易失性、可重复读写、抗震性能好的存储设备； 
其特征在于：所述识别方法是通过采集存储由振动信号、采煤机截割部左右截割电机及牵引电机的电压电流及温度扭矩、采煤机左右摇臂升降油缸压力、牵引电机速度信号组成的采煤机工作参数，分析采煤机滚筒截齿截割煤、岩石不同顶底板情况下的上述传感器信号特征，运用多传感器信息融合技术综合建立不同煤岩性状数据库，通过模糊数学隶属函数的计算得到区别煤岩硬度特性的感知质量实现采煤机感知模糊定义的煤岩界面。 
2.如权利要求1所述的一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法，其特征在于 
根据截割电机绕组温度变化与电机电流变化利用数据差值拟合方法得到数学建模公式：T＝M×F(UL,IL,r)，结合表征煤岩性状硬度的普氏系数与截割电机电压电流数学模型，得到利用电机温度参数识别表征煤岩性状的普氏系数，其关系式为： 
f——表征煤岩性状硬度的普氏系数； 
K——表征截割电机参数与普氏系数关系公式的修正值； 
δc——岩石的单轴抗压强度； 
T——截割电机绕组温度值； 
M——温度变化正比例系数经验值； 
r——截割电机绕组热损耗系数，常数； 
F-1——差值拟合函数反函数，经验函数(根据样本数据学习获得)； 
θ——截割电机绕组温度与电机功率相关系数，(根据样本数据获得)。 
所述的一种基于采煤机感知的煤岩界面分析方法，其特征还在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨健健，吴淼，李旭，姜海，赵国瑞，周剑锋，赵新赢，吉晓冬，杨子贤，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11