一种薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整模型的构建方法

摘要

一种薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整模型的构建方法，属于采煤机姿态调整模型构建方法。该构建方法以薄煤层无人工作面矮机身采煤机机体、前滚筒和后滚筒上安装陀螺仪为基础，构建无人工作面采煤机姿态角调整模型；在采煤机沿无人工作面往返牵引自动记忆割煤时，以采煤机中心位置建立初始坐标系，结合空间坐标系的相互转换原理，推导出采煤机姿态角调整后的动坐标与初始坐标系之间的转换，通过陀螺仪测量采煤机初始和姿态角调整后滚筒摇臂的倾角，进一步构建了姿态角调整与滚筒自动调高的控制模型。优点：该方法运算合理，生产效益、安全性和可靠性好，该控制模型构建方法，改进了采煤机的自动化控制、改善了使用性能、提高了设备可靠性和寿命。

权利要求

1.一种薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整模型的构建方法，其特征是：该构建方法以薄煤层无人工作面矮机身采煤机机体、前滚筒和后滚筒上安装陀螺仪为基础，构建无人工作面采煤机姿态角调整模型；在采煤机沿无人工作面往返牵引自动记忆割煤时，以采煤机中心位置建立初始坐标系，结合空间坐标系的相互转换原理，推导出采煤机姿态角调整后的动坐标与初始坐标系之间的转换，通过陀螺仪测量采煤机初始和姿态角调整后滚筒摇臂的倾角，进一步构建了姿态角调整与滚筒自动调高的控制模型；具体步骤如下：a、在薄煤层无人工作面矮机身采煤机的主体和两个滚筒上分别安装1个陀螺仪，分别测量采煤机机体的角度变化和两滚筒的转动角度；

b、基于矮机身采煤机沿无人工作面往返牵引记忆割煤过程，建立初始坐标系І为OXYZ，以矮机身采煤机中心位置作为坐标原点O，以垂直于无人工作面指向采空区为X 轴，以沿无人工作面指向回风平巷为Y 轴，以垂直向上为Z轴，并设矮机身采煤机实施记忆割‘ ’‘ ’煤过程时的动坐标系ІІ为O X Y Z；

c、根据坐标变化原理，初始坐标系先绕X轴旋转α角度，然后绕 Y轴旋转β角度，‘ ’‘ ’最后绕Z轴旋转γ角度，得到矮机身采煤机姿态角调整的动坐标系 O X Y Z，其中α为横滚角，β为俯仰角，γ为偏转角，根据矮机身采煤机的运行状况可知：-π/2<α<π/2，-π/2<β<π/2，-π/2<γ<π/2，所以由动坐标系ІІ相对于初始坐标系І的坐标变化为：d、矮机身采煤机正常自动记忆割煤时分为前滚筒割底煤、后滚筒割顶煤和前滚筒割顶煤、后滚筒底煤两种割煤方法，假设采用第2种割煤方式时，最高点A坐标为：，

最低点B坐标为 ，式中X0为滚筒轴线的 X轴坐

标，Y0为滚筒轴线的 Y轴坐标， 为前滚筒摇臂倾角， 为后滚筒摇臂倾角，L为摇臂长度，r为滚筒半径；

e、根据坐标变换原理，动坐标系O'X'Y'Z'相对于初始坐标系 OXYZ的坐标为：，则前滚筒最高点A相对于初始坐标系 OXYZ的 Z坐标，同理后滚筒最低点B相对

于初始坐标系OXYZ的 Z坐标为：

；

f、当矮机身采煤机记忆割煤时，通过陀螺仪测得前滚筒摇臂的初始倾角为 ，后滚筒摇臂的初始倾角为 ；矮机身采煤机姿态角调整后，陀螺仪再次测得前滚筒摇臂的初始倾角为 ，后滚筒摇臂的初始倾角为 ，即 ， ，则初始时前滚筒最高点A相对于初始坐标系 OXYZ的 Z坐标 ，后滚筒最低点B相对于初始坐标系OXYZ的 Z坐标 ，则通过矮机身采煤机姿态角调整后前滚筒最高点A的高度变化为： ，后滚筒最低点B的高度变化 ；

g、 设 sinσ=cosβsinα，cosσ=cosβcosα， 则 tanσ=sinσ/cosσ=tanα，-π/2<σ<π/2，整理可得矮机身采煤机姿态角调整与调高控制关系的模型：前滚筒摇臂的倾角改变量：

；

后滚筒摇臂的倾角改变量：

。

说明书

一种薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整模型的构建方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采煤机姿态调整模型的构建方法，具体是一种薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整模型的构建方法。

背景技术

[0002] 经过多年的开采，我国不少地区矿井的中厚和厚煤层的储量已接近枯竭，而对于薄煤层（厚度≤1.3m）的开采，长期由于经济技术和安全等原因而处于缓慢发展的状态。我国煤炭储量中薄煤层的可采储量约为61.5亿ｔ，占全国煤炭总可采储量的19%左右，然而据不完全统计，我国薄煤层的年产量只占全国煤炭总产量的10.4%左右，产量与储量的比例严重失调。近年来，随着薄煤层采煤设备制造技术和自动化控制技术的提升，以及国家对资源合理开发利用的要求的提高，薄煤层的安全高效开采日益受到重视。为充分开发和利用有限的矿产资源，解决长期困扰着薄煤层安全高效开采发展的“一大三低”问题，提高矿山企业的经济效益和社会效益，加大对薄煤层安全高效开采技术的研究和探讨显得十分必要。

[0003] 无人工作面采煤技术是解决煤炭行业安全生产和可持续发展的重要途径，特别是对于我国长期发展缓慢甚至处于停滞状态的难采薄煤层的开采，将具有重要战略意义。由于煤矿井下特殊环境，无线电导航、天文导航、卫星定位需要借助于外部力量，都有其局限性，在井下复杂条件下无法正常应用；另外采煤机工作环境复杂、恶劣，煤岩性质、采煤路线不断变化，引起采煤机外部载荷不均匀变化，对采煤机运动造成各种扰动，改变了采煤机运动状态，再加上时间因素，要确定某一时刻采煤机运动状态参数以及控制采煤机的运行将极其困难。

发明内容

[0004] 技术问题：为了克服现有薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整与滚筒调高控制的关系技术的不足，本发明提供一种思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，可实现采煤机姿态角调整与滚筒调高控制的关系的一种薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整模拟的构建方法。

[0005] 技术方案：本发明的目的通过如下技术方案实现：该构建方法以薄煤层无人工作面矮机身采煤机机体、前滚筒和后滚筒上安装陀螺仪为基础，构建无人工作面采煤机姿态角调整模型；在采煤机沿无人工作面往返牵引自动记忆割煤时，以采煤机中心位置建立初始坐标系，结合空间坐标系的相互转换原理，推导出采煤机姿态角调整后的动坐标与初始坐标系之间的转换，通过陀螺仪测量采煤机初始和姿态角调整后滚筒摇臂的倾角，进一步构建了姿态角调整与滚筒自动调高的控制模型；具体步骤如下：

[0006] a、在薄煤层无人工作面矮机身采煤机的主体和两个滚筒上分别安装1个陀螺仪，分别测量采煤机机体的角度变化和两滚筒的转动角度；

[0007] b、基于矮机身采煤机沿无人工作面往返牵引记忆割煤过程，建立初始坐标系I为OXYZ，以矮机身采煤机中心位置作为坐标原点O，以垂直于无人工作面指向采空区为X轴，以沿无人工作面指向回风平巷为Y轴，以垂直向上为Z轴，并设矮机身采煤机实施记忆割煤过程时的动坐标系II为O‘X’Y‘Z’；

[0008] c、根据坐标变化原理，初始坐标系先绕X轴旋转α角度，然后绕Y轴旋转β角度，最后绕Z轴旋转γ角度，得到矮机身采煤机姿态角调整的动坐标系O‘X’Y‘Z’，其中α为横滚角，β为俯仰角，γ为偏转角，根据矮机身采煤机的运行状况可知：-π/2<α<π/2，-π/2<β<π/2，-π/2<γ<π/2，所以由动坐标系II相对于初始坐标系I的坐标变化为：

[0009]

[0010] d、矮机身采煤机正常自动记忆割煤时分为前滚筒割底煤、后滚筒割顶煤和前滚筒割顶煤、后滚筒底煤两种割煤方法，假设采用第2种割煤方式时，最高点A坐标为：

[0011]

[0012] 最低点B坐标为 式中X0为滚筒轴线的X轴坐标，Y0为滚筒轴线的Y轴坐标，θY为前滚筒摇臂倾角，θZ为后滚筒摇臂倾角，L为摇臂长度，r为滚筒半径；

[0013] e、根据坐标变换原理，动坐标系O'X'Y'Z'相对于初始坐标系OXYZ的坐标为： 则前滚筒最高点A相对于初始坐标系OXYZ的Z坐标同理后滚筒最底点B相对
于初始坐标系OXYZ的Z坐标为：

[0014]

[0015] f、当矮机身采煤机记忆割煤时，通过陀螺仪测得前滚筒摇臂的初始倾角为θY0，后滚筒摇臂的初始倾角为θZ0；矮机身采煤机姿态角调整后，陀螺仪再次测得前滚筒摇臂的初始倾角为θY，后滚筒摇臂的初始倾角为θZ，即θY＝θY0+ΔθY，θZ＝θZ0+ΔθZ，则初始时前滚筒最高点A相对于初始坐标系OXYZ的Z坐标 后滚筒最低点B相对于初始坐标系OXYZ的Z坐标 则通过矮机身采煤机姿态角调整后前
滚筒最高点A的高度变化为： 后滚筒最低点B的高度变化

[0016] g、 设 sinσ=cosβsinα，cosσ=cosβcosα， 则 tanσ=sinσ/cosσ=tanα，-π/2<σ<π/2，整理可得矮机身采煤机姿态角调整与调高控制关系的模型：

[0017] 前滚筒摇臂的倾角改变量：

[0018] ΔθY＝α-θY0+arcsin([ΔH+X0sinβ+Y0sinα+h+r+LsinθY0-(h+r)cosα]/L)；

[0019] 后滚筒摇臂的倾角改变量：

[0020] ΔθZ＝ α-θ Z0-arcsin([ΔH'+X0sinβ-Y0sinα+h-r-LsinθY0+(h-r)cosα]/L)。

[0021] 有益效果，由于采用了上述方案，在采煤机机体、前滚筒和后滚筒上安装陀螺仪，在采煤机沿无人工作面往返牵引自动记忆割煤时，以采煤机中心位置建立初始坐标系，结合空间坐标系的相互转换原理，推导出采煤机姿态角调整后的动坐标与初始坐标系之间的转换，通过陀螺仪测量采煤机初始和姿态角调整后滚筒摇臂的倾角，进一步构建姿态角调整与滚筒自动调高的控制模型，为无人工作面实现提供基础和依据；通过分析薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整与滚筒调高控制的关系，建立采煤姿态角调整与调高控制模型，改进了采煤机的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高了设备工作的可靠性和寿命。思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，可实现采煤机姿态角调整与滚筒调高控制的关系。

[0022] 优点：该方法思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，该控制模型构建方法，改进了采煤机的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高了设备工作的可靠性和寿命。

附图说明

[0023] 图1是本发明矮机身采煤机坐标系及其变换图。

[0024] 图2是本发明矮机身采煤机自动记忆割煤示意图。

[0025] 图中：1、矮机身采煤机；2、前滚筒；3、后滚筒；4、矮机身采煤机中心；5、陀螺仪。

具体实施方式

[0026] 结合附图对本发明具体实施步骤进行说明：

[0027] 实施例1：在图1和图2中，O（I）表示初始坐标系；O（II）表示动态坐标系；α为横滚角；β为俯仰角；γ为偏转角；R表示采煤机滚筒半径；Y0表示滚筒摇臂转轴的Y轴坐标；L表示滚筒摇臂长度；θY表示前滚筒摇臂倾角；θZ表示后滚筒摇臂倾角；A表示前滚筒位置的最高点；B表示后滚筒位置的最低点。

[0028] 以薄煤层无人工作面矮机身采煤机机体、前滚筒和后滚筒上安装陀螺仪为基础，构建无人工作面采煤机姿态角调整模型；在采煤机沿无人工作面往返牵引自动记忆割煤时，以采煤机中心位置建立初始坐标系，结合空间坐标系的相互转换原理，推导了采煤机姿态角调整后的动坐标与初始坐标系之间的转换，通过陀螺仪测量采煤机初始和姿态角调整后滚筒摇臂的倾角，进一步构建了姿态角调整与滚筒自动调高的控制模型；具体步骤如下：

[0029] a、在薄煤层无人工作面矮机身采煤机的主体1、前滚筒2和后滚筒3上分别安装1个陀螺仪5，分别测量采煤机机体的角度变化和两滚筒的转动角度；

[0030] b、基于矮机身采煤机1沿无人工作面往返牵引记忆割煤过程，建立初始坐标系I为OXYZ，以矮机身采煤机1中心位置4作为坐标原点O，以垂直于无人工作面指向采空区为X轴，以沿无人工作面指向回风平巷为Y轴，以垂直向上为Z轴，并设矮机身采煤机1实施记忆割煤过程时的动坐标系II为O‘X’Y‘Z’；

[0031] c、根据坐标变化原理，初始坐标系先绕X轴旋转α角度，然后绕Y轴旋转β角度，最后绕Z轴旋转γ角度，得到矮机身采煤机1姿态角调整的动坐标系O‘X’Y‘Z’，其中α为横滚角，β为俯仰角，γ为偏转角，根据矮机身采煤机1的运行状况可知：-π/2<α<π/2，-π/2<β<π/2，-π/2<γ<π/2，所以由动坐标系II相对于初始坐标系I的坐标变化为：

[0032]

[0033] d、矮机身采煤机1正常自动记忆割煤时分为前滚筒2割底煤、后滚筒3割顶煤和前滚筒2割顶煤、后滚筒3底煤两种割煤方法，假设采用第2种割煤方式时，最高点A坐标为 最低点B坐标为：

[0034] 式中X0为滚筒2轴线的X轴坐标，Y0为滚筒2轴线的Y轴坐标，θY为前滚筒2摇臂倾角，θZ为后滚筒3摇臂倾角，L为摇臂长度，r为滚筒半径；

[0035] e、根据坐标变换原理，动坐标系O'X'Y'Z'相对于初始坐标系OXYZ的坐标为：则前滚筒2最高点A相对于初始坐标系OXYZ的Z坐标
同理后滚筒3最底点B相
对于初始坐标系OXYZ的Z坐标为：

[0036]

[0037] f、假设矮机身采煤机1记忆割煤时，通过陀螺仪5测得前滚筒2摇臂的初始倾角为θY0，后滚筒3摇臂的初始倾角为θZ0；矮机身采煤机1姿态角调整后，陀螺仪再次测得前滚筒2摇臂的初始倾角为θY，后滚筒3摇臂的初始倾角为θZ，即θY＝θY0+ΔθY，θZ＝θZ0+ΔθZ，则初始时前滚筒2最高点A相对于初始坐标系OXYZ的Z坐标 后滚筒3最低点B相对于初始坐标系OXYZ的Z坐标则通过矮机身采煤机1姿态角调整后前滚筒最高点A的高度变化为：
后滚筒最低点B的高度变化

[0038] g、 设 sinσ=cosβsinα，cosσ=cosβcosα， 则 tanσ=sinσ/cosσ=tanα，-π/2<σ<π/2，整理可得矮机身采煤机1姿态角调整与调高控制关系的模型：

[0039] 前滚筒2摇臂的倾角改变量：

[0040] ΔθY＝α-θY0+arcsin([ΔH+X0sinβ+Y0sinα+h+r+LsinθY0-(h+r)cosα]/L)；

[0041] 后滚筒（3）摇臂的倾角改变量：

[0042] ΔθZ＝ α-θ Z0-arcsin([ΔH'+X0sinβ-Y0sinα+h-r-LsinθY0+(h-r)cosα]/L)。

[0043] 本发明通过分析薄煤层无人工作面采煤机姿态角调整与滚筒调高控制的关系，构建了姿态角调整与滚筒自动调高的控制模型，此方法思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，采用此控制模型的构建方法，对于改进采煤机的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备工作的可靠性和寿命，具有重要意义。