基于磁流变及信息融合的采煤机滚筒调高控制研究

硕士毕业论文

基于磁流变及信息融合的采煤机

滚筒调高控制研究

ＴＨＥＲＥＳＥＲＣＨＯＦＳＨＥＡＲＥＲ

ＤＲＵＭｌＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴＣＯＮＴＲＯＬ

ＢＡＳＥＤＯＮＭＡＧＮＥＴＯＲＨＥＯＬＯＧＹ

ＡＮＤＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＦＵＳＩＯＮ

作者：万遂

导Ｎｉ－付家才教授

黑龙江科技学院二。一一年五月

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毕业论文使用授权声明｝Ｙ２００００３８

本人完全了解黑龙江科技学院有关保留、使用毕业论文的规定，同意本人所撰写的毕业论文的使用授权按照学校的管理规定处理：

作为申请毕业的条件之一，毕业论文著作权拥有者须授权所在学校拥有毕业论文的部分使用权，即：①学校档案室和图书馆有权保留毕业论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业论文；②为教学和科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的毕业论文作为资料在档案室、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生毕业论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技学院研究生学院办理。

（保密的毕业论文在解密后适用本授权书）。

作者签名：芬～新弥材蚜

Ａ。１年６月咖加ｔ１年‘月哆日

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中图分类号：！旦２７３学校代码：

密１０２１９级：公珏

黑龙江科技学院

硕士毕业论文

基于磁流变及信息融合的采煤机

滚筒调高控制研究

ＴＨＥＲＥＳＥＲＣＨＯＦＳＨＥＡＲＥＲ

ＤＲＵＭｌＮＴＥＬＬｌＧＥＮＴＣＯＮＴＲＯＬ

ＢＡＳＥＤＯＮＭＡＧＮＥＴＯＲＨＥＯＬＯＧＹ

ＡＮＤｌＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＦＵＳＩＯＮ

作者互遂导师位塞茎申请学位培养单位皇氢与焦皇王猩堂随

研究方向

评阅人学科专业控剑理诠皇控圭４王猩答辩委员会主席堡岱芷出电氢控制．赵拯民蓥维铨

二Ｏ一一年五月

论文审阅认定书

研究生万遂在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程知其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指导下独立完成本毕业论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为毕业申请论文送专家评审。

翮咖鹳名

沙．）阵手础呱断阳

致谢

光阴似箭，三年的研究生生活就要结束了。在此论丈完成之际，首先向所有在我攻读硕士期间给予我关心、支持和帮助的老师、家人、同学和朋友们表示深深的感谢。．

首先感谢我的导师付家才教授三年来对我的关心和指导。在学术研究上，付老师引导我不断创新；在科研项目中，他锻炼我们的动手能力，培养我团队协作的精神；在学习和工作上，付老师给予我极大的关心和帮助；付老师严谨的治学态度，认真负责的工作作风，独特的人格魅力都是我学习的榜样，将使我终身受益。本论文是在付老师的细心指导下完成的，在此，谨向付老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

感谢同学们对我学习和生活的关心和帮助，使我得以顺利的完成论文。在我最需要关心、最困难的一段时间里，是你们的支持给了我坚持下去的勇气和动力。和你们相处的三年是快乐、融洽的，让我终身难以忘记。另外要特别感谢我父母多年来对我的培育、关心和支持以及妻儿对我的鼓励和支持。最后，衷心感谢所有帮助和关心我的人！

摘要

煤炭是我国的主要能源，煤炭产业的发展关系到国家的经济命脉。采煤机是煤矿井下工作面生产的重要设备，在煤炭生产的过程中起着重要的作用。目前国内的采煤机滚筒调高仍然采用人工操作的方法，由于很受地质条件和工作面恶劣环境的影响，该方法很难取得理想的采煤效率，严重浪费了资源。所以对采煤机滚筒调高控制系统的研究具有十分重要的意义。

在采煤机滚筒调高控制系统中，经常遇到的问题是如何进行精确的煤岩体界面识别和如何使液压驱动系统能更快更准确地服务滚筒调高系统。基于这两方面的原因，本文提出了一种基于磁流变及信息融合的采煤机滚筒调高控制系统。该系统一是利用磁流变液以及磁流变阀的特性，设计了一种新型液压执行器，用此液压执行器代替传统的采煤机液压调高驱动系统，提高了采煤机滚筒调高系统的性能，解决了目前液压驱动系统的一些问题；二是采用了多传感器信息融合的方法来进行对煤岩体界面的识别，运用小波包特征提取法对采煤机滚筒轴的特征信号进行特征提取，用ＢＰ网络和Ｄ．Ｓ证据理论相融合的方法得到了更为准确的煤岩体界面识别信号，实现了对煤岩体界面的准确识别，解决了煤岩体界面识别的难题。本文所研究的采煤机滚筒调高控制系统采用先进的ＤＳＰ技术，这不仅提高了系统的基本性能，还为煤岩界面识别和采煤机自动操作技术提供了强大的硬件支持。

该论文有图３２幅，表８个，参考文献５０篇关键词：采煤机；滚筒调高；磁流变液；磁流变阀；多传感器信息融合

ｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｍｏｒｅｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｔｏｓｅｒｖｉｃｅｄｒｕｍｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｏｆｔｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｉｎｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｄｒｕｍｌｉｆｔｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｓｈｅａｒｅｒｄｒｕｍｌｉｆｔｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

ｔｏｏｎｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｙａｎｄｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｕｓｉｏｎｄｕｅｔｈｅｓｅｔｗｏｒｅａｓｏｎｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｔｈｅ

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ｄｅｓｉｇｎａｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｖａｌｖｅｎｅｗｔｙｐｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｃｔｕａｔｏｒ，ａｎｄｕｓｅｓｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｃｔｕａｔｏｒｔｏｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｄｒｕｍｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｌｖｅｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｕｓｉｏｎ

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ａｄｖａｎｃｅｄＤＳＰｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｕｓｅｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓ

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ｖａｌｖｅ；ｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ＩＩｆｕｓｉｏｎ

目录

摘要…………………………………………………．．Ｉ目录…………………………………………………ＩＩＩ１绪论…………………………………………………．ｉｌ．１课题研究的目的和意义…………………………………１１．２采煤机滚筒调高控制技术的发展与研究现状…………………２１．３多传感器信息融合技术的发展与应用………………………３１．４磁流变液技术的发展与应用……………………………．．４１．５本文研究的主要内容…………………………………．．５２采煤机滚筒调高控制系统分析……………………………．．６２．１采煤机运动机构分析…………………………………．．６２．２采煤机摇臂驱动机构分析………………………………．８２．３采煤机驱动系统分析…………………………………．．８２．４本章小结……………………………………………．９３磁流变液压伺服系统研究………………………………．．１０３．１磁流变液的流变机理…………………………………．１０３．２磁流变阀的原理与结构………………………………．．１ｌ３．２．１原理与结构………………………………………………．１１３．２．２磁流变阀的材料选择…………………………………………１２３．２．３磁路计算…………………………………………………１２３．３磁流变阀的磁场仿真…………………………………．１４３．３．ｉＡＮＳＹＳ及其磁场仿真…………………………………………１４３．３．２磁流变液及磁流变阀参数……………………………………．１４３．３．３仿真分析…………………………………………………１５３．４磁流变液压执行器的原理………………………………１７３．４．１磁流变液压执行器的驱动原理…………………………………．１８３．４．２磁流变液压执行器可控阻尼力的计算模型………………………．．１８３．５本章小结……………………………………………１９ＩＴＩ

５．１信息融合技术………………………………………．２９５．１．１信息融合的基本概念………………………………………．．２９５．１．２信息融合的处理模型………………………………………．．２９５．１．３信息融合的结构……………………………………………３０５．１．４信息融合的算法……………………………………………３２５．２Ｄ—Ｓ证据理论………………………………………．．３２

Ｄ—Ｓ证据理论的基本概念……………………………………．．３２Ｄｅｍｐｓｔ合成法则……………………………………………３３Ｄ—Ｓ融合处理……………………………………………．：．３３５．２．１５．２．２５．２．３

５．３基于ＢＰ神经网络的煤岩体界面识别………………………３４５．３．１

●ＢＰ神经网络的基本理论和结构…………………………………３４

５．３．２输入层节点数的确定………………………………………．．３５５．３．３输出层节点数的确定…………………………………………３５５．３．４隐含层个数的确定…………………………………………．３６５．３．５隐含层节点数的确定………………………………………．．３７５．４实验数据结果分析……………………………………３９５．５本章小结……………………………………………４０６．系统的硬件设计………………………………………４ｌ６．１系统的总体结构…………………………．．．…………．４１ＩＶ

毕业论文原创性声明……………………………………．．５４Ｖ

１绪论

１绪论

１．１课题研究的目的和意义

根据目前世界的开采量来推算，石油己探明的储量只能维持４０年，天然

气只能维持５０多年，而可利用的煤炭则足够人类使用３００多年，全世界煤炭的资源至少有１０万亿吨油当量。煤炭是所有能源的主体，它是全世界最丰富的化石燃料。随着近年来人类对能源的大量开采和利用，天然气和石油资源在大幅度的减少，这就需要人们努力开发和充分利用煤炭资源…。采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一，在煤矿开采的过程中，应用采煤机不但可以提高生产的安全性和煤炭的产量、还能减小劳动力并降低消耗。所以，对采煤机的控制研究对煤矿的高效生产具有十分重要的意义。

我国能源储量的现状是缺油、少气、富煤，在全国己探明的石化能源储

量中，石油和天然气仅占６％，其余９４％均为煤炭。煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对主要的位置，５０年代时曾高达９０％。随着大庆油田、渤海油田的开发和利用，一次性能源结构才有了一定程度的改变，但煤炭资源仍然占到７０％以上瞳３。所以，我国的煤炭工业在国民经济中将长期并稳定地占有重要地位，这是不可替代的。随着煤炭资源的大量开采，它的储量在不断的减小，从我国的能源情况来考虑，必须充分的利用好现有的煤炭资源，这就需要做好煤炭加工转化的工作，并不断的发展人工合成材料，以降低煤炭的使用量，延长它的使用时间。”。。

随着煤炭生产逐渐向集约化的方向发展，减小劳动力、提高煤炭的产量

和开采效率成为煤炭工业发展的主流，所以实现煤炭开采的机械化和自动化势在必行。采煤机是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，实现它的自动化就是实现煤炭开采机械化和自动化的中心环节。对采煤机的自动化控制主要包括两方面的研究，一是对采煤机电牵引控制的研究，二是对采煤机滚筒高度的控制研究。本文主要研究采煤机的滚筒调高控制。

目前，不管是基于直接检测法的滚筒调高控制技术还是基于间接检测法

的滚筒调高控制技术都存在一定的技术缺陷和应用前景。尤其是在煤岩体界面识别这一关键技术上存在很大难度。为了解决煤岩体界面识别这一难题，使煤岩体界面识别更准确、可靠、可行，本文提出了一种基于多传感器信息融合技术的煤岩体界面识别方法。

ｌ’

硕十毕业论文

另外现在大多数的滚筒式采煤机都采用普通的液压调高系统。现有的液压调高系统一般是由采煤机的液压箱、调高阀及调高油缸组成¨１。从实际使用情况看存在很多问题：由于调高液压系统的工作介质是矿物油，加上煤矿井下开采时存在瓦斯等易燃易爆气体，所以该系统在并下运行时存在事故隐患。并且一旦矿物油泄露也会对地表环境造成污染，不利于环境保护：由于调高液压系统换向阀的阀芯和阀孔在加工时容易出现误差，所以调高液压系统换向阀经常会卡死；调高液压系统的调高油缸在下降时会出现低频大幅振动，即所谓的“低头”现象：调高液压系统存在的液压箱使得采煤机结构布置不够紧凑等。为了解决采煤机调高液压控制系统中存在的问题，本文提出用磁流变液压执行器来替代一般的调高液压系统执行器，这种执行器的优点是控制电路简单、控制方便、且系统的响应速度快、噪声低、能耗小、工作稳定可靠。

１．２采煤机滚筒调高控制技术的发展与研究现状

滚筒式采煤机的历史悠久，它是煤炭开采中使用最广泛的采煤设备。美国ＪＯＹ公司和德国Ｅｉｃｋｈｏｆｆ公司在２０世纪７０年代率先研制出直流电牵引采煤机。２０世纪８０年代出现了交流电牵引采煤机。２０世纪９０年代出现了很多大功率电牵引采煤机。如美国ＪＯＹ公司的ＬＳ系列、英国Ｌｏｎｇ．Ａｉｒｄｏｘ公司的ＡｎｄｅｒｓｏｎＥｌｅｃｔｒａ、ＡｎｄｅｒｓｏｎＥＬ系列，德国Ｋｉｃｋｏｆｆ公司的ＥＤＷ系列、ＳＬ系列等等，他们集微电子技术、电力电子技术以及计算机智能技术等高端技术为一体，具备自动化程度高、可靠性强、性能参数好、检测监控功能完善等优点嘲。

我国采煤机技术经历了整机仿制、设备和技术引进、自主研发、国际合作和自主创新等阶段。从结构和功能方面，采煤机主要经历了几个重要的发展阶段：从不可调高滚筒采煤机发展到可调高双滚筒采煤机；从钢丝绳牵引到高可靠性的无链牵引；从液压驱动调速到可监控的电气驱动调速；从驱动电动机功率１５０ＫＷ左右到多电动机驱动横向布置功率最大可达到２８００ＫＷ。虽然如此，与国外最先进的滚筒式采煤机相比，我国滚筒式采煤机还有很大的差距，在很多方面还急需提高和完善。

滚筒自动调高技术是实现采煤自动化的关键技术之一，它的技术关键在于滚筒在截割过程中能自动判断出煤岩体的分界面，从而调整滚筒的高度，使其仅对煤层进行截割，有效地保证截割质量。可见煤岩体界面的识别是实现自动调高技术的核心内容。煤岩体界面识别又分为直接检测和间接检测两２

Ｉ——ＩＩＩｉｉｉ；；；；；；ｉｉｉ；；ｉ罩１绪论

种。直接检测主要有基于天然丫射线辐射特性、基于天线互阻抗技术、基于同位素传感技术和基于弹性振动法等等哺１。但目前能形成产品的只有基于天然Ｙ射线辐射特性这一种方法，这种方法属于非接触测量，核心是用碘化纳晶体制成丫射线探测器，将天然顶底板放射出来的Ｙ射线接收并转换成电信号，根据射线探测器接收的丫射线强度来判断煤岩体的分界面。由于该方法不仅对采煤工艺的要求比较严格，还必须要留有一定厚度的顶煤，所以造成能源的浪费。我国多是砂岩顶板，所以我国仅有大概２０％的矿井可以应用这一方法。国内研究的滚筒间接检测调高系统主要有雷玉勇提出的基于压力变化的闭环控制系统。“。但该系统仅适用于煤与顶板岩石之间的力学性能差别比较大的地质条件，并且即使外载荷相同，由于摇臂位置不同也会造成调高液压缸压力的不同，因此，这种方法的实用价值也非常有限。国外则主要有所谓的基于“。记忆切割”法的采煤机滚筒调高控制系统，这种方法的技术路线是采用“示教跟踪”的控制策略旧３。ＪＯＹ公司开发了这种记忆截割行程的调高系统。该系统在采煤机上安装位置传感器、同步位置传感器和液压缸行程传感器等，方法是工作时由采煤机司机操作控制沿煤层顶底板工作面先割一刀，各位置传感器记录下相应的行程位置信息，并将程序存入计算机，采煤机即可按照此存储的程序，记忆控制采煤机滚筒的高度，实现自动割煤。这种方法有一定的实用性，它回避了煤岩体界面的直接检测问题。但是这种方法仅适用于一些地质条件比较好，无断层，顶底板比较平整，变化比较缓的煤层。所以这种方法的应用也有一定的局限性。

１．３多传感器信息融合技术的发展与应用

多传感器信息融合技术是在二十世纪七十年代末期由Ｔｅｎｎｅｙ和Ｓａｎｄｅｌｌ两位科学家提出来的，Ｎ－十世纪八十年代该技术进入应用研究。随着科学技术的快速发展，使多传感器信息融合技术得到前所未有的发展阳３。在对过多的信息进行相应的处理时，总是会碰到数据瓶颈和信息超载等问题，这就需要多传感器信息融合技术来解决这些问题。多传感器信息融合技术是对人类综合处理复杂问题的一种功能性的模拟，它的基本原理也和人类大脑综合处理信息的过程一样，充分利用多传感器在时间和空间上的互补关系，与多余的信息按照一定的准则来进行模拟，从而获得检测对象的一致性描述和解释。

多传感器信息融合技术最早应用于军事领域，并在该领域中获得许多成果，例如海上监视、空一空防御和地．空防御等领域。同时，该技术在非军事领域也取得许多成绩，例如Ｄ．Ｏｏｍｓ等将测速雷达、加速度传感器、振动传感３

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器、旋转角多传感器信息融合技术应用于多个领域，如Ｂａｓｉｒ融合振动、声音、压力和温度等信息，采用Ｄ．Ｓ证据融合规则诊断发动机故障；Ａｃｅｒｂｉ．Ｊｕｎｉｏｒ利用小波变换实现多传感器图像融合¨引；ＲｕｈｍＫａｒｌＨ利用传感器融合组建传感器网络…１；张震¨２１通过分析内窥镜导航中视觉传感器和触觉传感器的数据，对各种传感器的信息进行可信度分配，最后采用Ｄｅｍｐｓｔｅｒ－Ｓｈａｆｅｒ证据理论方法，以各种传感器信息为证据，引导内窥镜，有效的解决了内窥镜穿孔问题。多传感器信息融合技术在非军事领域的应用正在不断发展，它将被广泛应用于工业自动化、过程检测、现代医学和控制等领域。

多传感器信息融合技术可以在不同的信息层次上对信号进行处理，包括数据层、特征层和决策层。决策融合方法包括硬决策和软决策两类。多传感器信息融合的这些特点决定了基于这种方法的煤岩体界面识别对地质条件和煤工艺的要求不高，这种方法也很适应我国的地质条件和煤炭工艺的要求，有很大的应用前景。

１．４磁流变液技术的发展与应用

智能材料是现代高科技研究的重要方向之一，其中，磁流变液和电流变

液是目前应用较多的两种智能材料。１９４７年，美国学者Ｗ．Ｗｉｎｓｌｏｗ发现了电流变液（Ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ，简称ＥＲ）。电流变液的出现，在材料及相关领域掀起了一阵研究热潮¨ｐ１４１。１９４８年，Ｒａｂｉｎｏｗ发明了磁流变液。磁流变液是一种悬浮液，在外加磁场作用时，磁流变液的有效粘度等会发生变化，从自由流动状态变成半固态，会发生磁流变效应。自从２０世纪８０年代以来，各国都争先恐后的投入磁流变技术相关器件与系统的研发中，并产生了形形色色的不同用途的磁流变阻尼器相关产品¨朝。上世纪９０年代，国外磁流变阻尼技术研究工作就已经有很大的突破，从事这方面研究的学者主要有美国的ＳｐｅｎｃｅｒＪｒ．、Ｃａｒｌｓｏｎ等；英国的ＮｅｉｌＤ．Ｓｉｍｓ、ＲｏｇｅｒＳｔａｎｗａｙ；韩国、日本及白俄罗斯等国家的学者。从事磁流变技术研究的公司也较多，例！ｔｌＬｏｒｄ公司、Ｆｏｒｄ公司、Ｄｅｌｐｈｉ公司，其开发研制的磁流变器件、磁流变液体已经在商业中得到应用，并取得了良好的效果。

目前，许多国家在进行磁流变液的基础理论研究和应用基础研究的同时，

都在加紧进行应用研究，并取得了很大的进步。我国对磁流变液和磁流变阻尼器技术的研究十分薄弱。据不完全统计，目前国内对磁流变阻尼器技术的研究主要以大学和科研院所为主，中科院物理所、中国科技大学、复旦大学、重庆大学、西北工业大学、哈尔滨建筑大学、武汉理工大学、上海交通大学４

１绪论

和电子科技大学等少数学校相继开展了相关的研究工作¨叭。

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１．５本文研究的主要内容

本文提出了一种基于磁流变及信息融合的采煤机滚筒调高控制系统。首先分析了采煤机的机构，了解其工作过程与特点，提出用基于磁流变的液压伺服系统代替传统的液压伺服系统，然后选取了采煤机滚筒轴的扭振信号、截割电机的电流信号、摇臂振动状态信号、滚筒轴的扭矩信号和磁流变阀反馈装置力信号作为原始特征信号，并运用小波包能量特征提取技术对这些采集的原始信号进行特征提取，得到了特征级数据。运用ＢＰ神经网络对其进行网络训练，以得到基础的煤岩体识别信号，然后再运用Ｄ—Ｓ证据理论对这些得到的基础煤岩体识别信号进行融合，最终得到更为精确的煤岩体识别信号。最后采用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ型ＤＳＰ芯片作为系统的控制核心，对采煤机实现自动调高控制。

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２采煤机滚筒调高控制系统分析

在采煤机工作的过程中，当煤层的厚度发生变化时，采煤机滚筒的工作高度也应该相应的发生改变，这就需要采煤机滚筒调高控制系统来调整工作高度，以适应不同煤层的厚度变化，实现对规划的煤层截割路径进行比较准确的跟踪¨７’。

２．１采煤机运动机构分析

采煤机滚筒调高的过程主要包括机身平动、机身仰俯和摇臂转动。一般不考虑采煤机的倾斜，这是因为截深比较小。采煤机的机身平动是由采煤机的牵引部实现的。采煤机的机身平动一般仅考虑滚筒截割时功率的调速大小，而不考虑调高，采煤机的机身平动轨迹近似一条平面的曲线。采煤机的机身仰俯运动是指采煤机绕轴的运动，不同于机身平动，它的运动轨迹不是一条平面曲线，而是会产生相应的仰俯，这是因为采煤机一般是通过滑靴骑在刮板输送机上的，当刮板输送机的底板凹凸不平时，采煤机运动就会随着底板的起伏而起伏，一般用倾角传感器就可以测量得到这个俯仰角度。所以说采煤机的机身仰俯运动是由于底板凹凸不平引起的。摇臂的转动由基于磁流变液的磁流变阀驱动，其转动角度由编码器测量。采煤机的截割过程是由一系列运动组合而成，这些运动包括连杆机身运动、摇臂转动等。采煤机的基本结构如图２－１所示。

馥割滚筒，７

，

牵引电机油泵电机电磁阀柜

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截割电机．，

／１ｆ■ｌ～ＩＩ．二芦，．＇，竹州ｒ二＝二，广破碎机

挡煤扳一■一拉，

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图２－１采煤机的基本结构

Ｆｉｇｕｒｅ２－１ＴｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｈｅａｒｅｒ

在图２—１中，滚筒位置的调整实际就是机器人操作手的运动，为了完成６

＿——●●－ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｒ２采煤机滚筒凋高控制系统分析

ｍ＂ｌｉｉｉ

规定的操作和实现复杂的运动，就要对这些相对运动的关系进行详细的描述。对于采煤机的滚筒调高控制来讲，一般只需要研究采煤机滚筒上点的位置。采煤机的滚筒调高控制就是在已知采煤机水平位置的条件下，根据采煤机的仰俯运动与垂直方向的机身平动所形成的运动，来控制摇臂的转动，使采煤机的滚筒对给定的煤层截割路径进行比较准确的跟踪。

下面来研究采煤机的运动关系，先假设采煤机的所有部件都是刚体，这样可以不考虑某些部件的弹性变形问题，然后假设不考虑所有机构之间所存在的间隙。采煤机运动关系示意图如图２—２所示。

图２－２采煤机运动关系不意图

Ｆｉｇｕｒｅ２－２Ｓｈｅａｒｅｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｃａｍｐａｉｇｎｄｉａｇｒａｍ

在图２－２中，ａ表示两个摇臂之间中心连线的中点，Ｄ，表示摇臂的中心点，ａ表示采煤机滚筒旋转的中心点，ｅ。表示两个摇臂的中心线和水平线之间的夹角，ｅ，表示摇臂和两摇臂之间中心连线的夹角度数，么表示采煤机滚筒的半径，根据采煤机运动的几何关系可以得到：

ＩＹ一＝Ｙｏ＋‘ｓｉｎ０Ｉ＋ｚ２ｓｉｎ（０Ｉ＋ｏ２）＋Ａ

｛ｘ一＝ｘｏ＋，Ｉｃｏｓｏｌ＋，２ｃｏｓ（０ｌ＋０２）（２一１）

【ｚ一＝ｚ。

在公式（２一１）中，Ｚ。表示两摇臂中心连线中点与摇臂中心点之间的距离，厶表示摇臂中心点与滚筒旋转中心点之间的距离。‰是两摇臂中心连线中点的横坐标，它是通过对牵引速度积分得到的，％是两摇臂中心连线中点的纵坐标，它是通过对倾角积分得到的。磊表示采煤机工作界面的推进距离。７

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２．２采煤机摇臂驱动机构分析

采煤机的关系图如图２－３所示。由图２－３可知：驱动空间和关节空间的关系，即０，与Ｙ之间的关系为：

ｅ：＝口，ｃ喀军＋ａｒｃｌｃ。ｓ鱼￡２二４≥ｎ譬二＋２√，２＋垅２；车辫ｄ一甜ｃ鬯鱼ｎ一圣２（２—２）

对公式（２—２）进行微分，可以得到每＝弘ｅ，，其中

ｆ＝（２—３）

，—～、

（／２）

．、。■ｒ

图２－３采煤机的关系图

Ｆｉｇｕｒｅ２－３Ｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｄｉａｇｒａｍ

综上所述，在采煤机机构的运动关系中，都存在一定程度的非线性，从关节空间到操作空间的非线性更为明显。

２．３采煤机驱动系统分析

由于采煤机调高机构的负载大、要求反应灵敏等原因，所以采煤机的调高系统一般采用液压调高。对滚筒式采煤机进行调高，主要是通过液压缸带动采煤机的摇臂上下摆动来调整滚筒的高度，以适应不同煤层的厚度变化。采煤机采用液压控制系统有很多的优点：比如控制精度高、位置误差小、响应迅速、液压传动在快速性也远优于电传动等等ｎ朝。液压控制阀是液压执行器的核心元件之一。液压控制阀的性能直接影响到液压执行器的工作可靠性及静态和动态特性。传统的液压伺服控制系统结构复杂、体积大、容易磨损、８

２米燥机滚筒调高控制系统分析

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对加工的要求也较高，所以造成系统不易控制、运动不可靠、工作响应慢和噪声大等问题。为了解决传统滚筒调高控制系统中存在的问题，本文采用磁流变液和磁流变阀来代替传统的液压油和液压阀，构成具有阻尼特性的基于磁流变液的采煤机滚筒调高控制系统。磁流变阀是一个多级放大的闭环电液伺服控制系统，它是磁流变液压执行机构的控制元件，它对信号具有转换和功率放大的作用。该系统具有控制电路简单、控制方便、且系统的响应速度快、噪声低、能耗小，工作稳定可靠等特点ｎ９Ｉ。

２．４本章小结

本章介绍了采煤机的机构，并分别就采煤机的运动机构、采煤机摇臂驱

动机构和采煤机的驱动系统作了阐述，最后提出用基于磁流变的液压伺服系统代替传统的液压伺服系统。９

硕十毕业论文

３磁流变液压伺服系统研究ｊ

磁流变液这种智能材料的出现和对其特性的大量研究是磁流变液压伺服系统的理论基础，磁流变阀是磁流变液压伺服系统控制单元的核心之一，直接影响着磁流变液压伺服系统的性能。而影响磁流变阀性能的因素则是多方面的，有磁流变阀的结构，磁流变阀的阻尼间隙的大小及形状等等瞳引。

３．１磁流变液的流变机理

磁流变液是由磁极化颗粒、载液和少量不同类型可提高磁极化颗粒悬浮的稳定剂三部分组成。磁流变液中的主要成分是磁极化颗粒，研究中发现磁流变液中磁极化颗粒在零磁场和强磁场作用下的分布状态是不相同的，如图３一ｌ所示。在零磁场下，磁流变液的磁极化颗粒分布是杂乱无章的随机分布在液体中的，磁流变液是自由流动的液体；在强磁场作用下，这些磁极性颗粒受到磁化作用，在两极之间它们却是有规则的沿磁场方向成链状或链束状排列；磁流变液的有效粘度、塑性粘度与弹性性能等会迅速发生显著变化，阻碍流体的正常流动，从而使液体具有一定的屈服强度，从自由流动状态变成半固态；当外加磁场撤去时，磁流变液又恢复到原来的液体状态：而且随着施加的磁场强度变化而变化：当磁场强度较弱时，磁极性颗粒形成的链束较细，较短，剪断它们所需外力也较小，液体的屈服强度也比较低；当磁场强度较强时，磁极性颗粒形成的链束较粗，较长，剪断它们所需外力也增加，液体的屈服强度也比较大心¨。

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图３－ｌ磁流变液机理

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从图３－１中可以看出，磁流变液的屈服强度随磁场强度的变化而变化，

并且连续可调。在磁场作用下，磁流变液能够从自由流动的牛顿流体转变为具有一定剪切屈服强度的粘塑性体，撤去磁场后又恢复为自由流动的液体状１０

３磁流变液压伺服系统研究

态，这就是磁流变效应。磁流变效应使磁流变液在液态和固态之间发生的转换具有如下特性：（１）转换是可逆：（２）转换是可控的；（３）转换的控制仅需控制磁感应强度的电流信号；（４）转换对控制的响应仅需毫秒级的时间：（５）控制转换的能耗很低弛２１。

３．２磁流变阀的原理与结构

磁流变阀是一种无移动器件的流量控制阀，在活塞与缸筒之间形成细小的间隙，当活塞与缸体产生相对运动时就会挤压缸体中的磁流变液，使其通过缝隙流向缸体的另一侧。线圈通电后，会在活塞和缸筒的间隙的两侧加上了垂直于磁流变液流动方向的磁场，缝隙中的磁流变液受到磁场作用产生磁流变效应，由牛顿流体转化为粘塑性体，磁流变液增大液体流经此处时的阻力。当活塞运动时，磁流变液受到挤压，从而产生阀式运动和剪切作用心３｜。由于磁流变液的屈服强度随磁场强度的变化而变化，因而只需通过调节励磁电流的大小就可以调节励磁线圈周围的磁场强度，同时改变阻尼间隙内磁场强度，通过磁流变效应就可以获得连续可调的阻尼力，最终达到调节阻尼器提供阻尼力的目的。

３．２．１原理与结构

一种典型的具有圆环阻尼间隙的磁流变阀结构如图３－２所示。由阀芯、缸筒、阀端盖和励磁线圈等零部件组成。其中励磁线圈绕在阀芯上。这种磁流变阀有内外两个磁路，其中由阀芯、缸简和阀芯及缸筒间的阻力间隙一起构成外磁路，而阀芯独自构成内磁路。在励磁线圈外，采用非导磁的线圈保护套，使磁力线通过由缸筒与阀芯组成的液流阻力通道；在阀芯两端设计非导磁的定位块和导向器，保证液流阻力通道（阀芯与缸筒之间的间隙）的径向尺寸均匀，充分地发挥磁场对磁流变液的作用。励磁线圈的引出线由左边或右边阀端盖的小孔引出。当有电流工作在该磁流变阀上时，其体内磁流变液的剪切应力就开始发生变化，在激励线圈磁场强度未达到最大的情况下，剪切应力随着激励电流的增加而增加，所以，通过液流阻力通道的流量随着对液体的阻碍增大而减小；在没有＃ｌ－／Ⅱｎ的励磁电流的情况下，该磁流变阀处于最大流量状态。因此，磁流变阀可以通过控制励磁线圈电流的大小来实现对流量的连续控制。

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