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“機器人”進駐掘進面

發布時間:2013/7/22

一道紅色的光柱,在幽暗的井下劃過。

掘進機自如地揮舞長臂,將煤巖層層剝落。

這道看似普通的光柱引發了掘進機智能控制自動化技術的一次飛躍。

靈感來自綠光

“這道紅光,是從裝在巷道上的激光發射儀中發出的,發射到掘進機機身上,掘進機機身上裝有激光接收儀,這些是掘進機位姿檢測技術的核心部分。”中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院教授吳淼說。

吳淼進一步解釋,在掘進機位姿檢測上,以前以巷道為基準,對掘進機的位姿偏角和偏距進行檢測,是相對檢測。相對檢測存在的問題是,會產生誤差積累,誤差積累到一定程度,掘進機就會發生偏向,影響掘進效率,這個問題一直困擾著煤炭企業。而新的位姿檢測技術是用絕對測量法進行檢測,實現了掘進機的定向截割及自動糾偏,促進了掘進工作面的安全高效生產。利用新的位姿檢測技術可以測出掘進機的5個位姿參數,包括偏角、偏距、俯仰角、翻滾角和車前距,掘進機水平偏角和偏距的有效檢測距離為30米到130米,水平偏角檢測誤差小于0.1度,俯仰角及流動角檢測誤差小于0.05度,車前距測距誤差小于6毫米。

怎么想到用激光進行定位呢?吳淼說,掘進機位姿檢測技術方面沒有相關資料可供參考。于是,他們找到包括挖地鐵巷道用的盾構機在內的大型機械的資料進行比照研究,還啟用了智能型全站儀,但是因為沒有煤安標志,而且通訊問題也不好解決,所以不能應用于井下。

就在研發人員一籌莫展時,一道綠色光柱給了他們創新的靈感。這道綠色光柱是地測部門在巷道里設的激光定向點。能不能以此為絕對坐標,用激光定向的方法,來進行位姿檢測呢?他們決定試一試。

首先是選擇用什么顏色的光。他們對各種光的衰減性、波長和波段進行比較,又考慮到光敏元件對紅光最敏感,最終選擇了紅光激光。其次是研制激光發射儀。再其次是研制激光接收儀。一開始,他們把激光接收儀制作成了一塊大的電路板,上面有一排光敏元件。后來,他們又將這塊大的電路板分成8個小塊,把光敏元件分成3排。這樣,即使3排光敏元件中有2排發生故障,剩下的1排仍可正常工作,大大提高了激光接收儀的可靠性。而8個小塊電路板每塊都可單獨更換,維修起來更加方便。

2011年11月,他們在河北冀中能源邯礦集團云駕嶺礦12113副巷進行了第一次井下試驗。成功了!

談起創新的靈感,吳淼深有體會:“這種靈感來自科研工作者對企業需求的準確把握、對井下環境的熟悉和對相關學科知識的了解。有了這些,才有可能敏銳地捕捉到每一個有價值的信息。表面看上去是突發的靈感,實際上,每個卓越的創新思想都是長期科研實踐的結晶。”

掘進機位姿檢測技術是掘進機近點控制系統中最大的創新點。掘進機近點控制系統分為四部分,包括斷面自動成形截割控制技術、擺速自適應控制技術、位姿自動檢測技術和自動定向掘進技術,其中自動定向掘進技術是前三項技術的集成。

掘進機近點控制、遠程遙控、視頻監控、遠程監測以及故障診斷系統共同組成了掘進機遠程控制技術及監測系統。該項目是“十一五”國家高技術研究發展計劃(“863計劃”)重點項目,于2008年立項,由中國礦業大學(北京)、中國礦業大學、河北冀中能源集團、石家莊煤機公司、云駕嶺礦共同完成,于2011年12月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定。前不久,該項目獲中國煤炭工業協會科學技術獎一等獎。

掘進效率提高20%

“掘進單班職工減少3人,掘進效率提高了20%,年節約人工成本120萬元,年創效300萬元。”云駕嶺礦礦長李世波拿出掘進機遠程控制技術及監測系統應用后的一組數字。

李世波告訴記者,以前,掘進機截割1個斷面需要10分鐘,而且因為是人工操作,經常會出現超挖或欠挖現象,巷道兩幫坑坑洼洼的,還要進行人工修正,浪費的時間就更多了。另外,掘進機在截割時需要十幾名工人在現場作業,勞動強度很大。“我們一直盼著能實現掘進機的自動截割。”現在,該技術在井下得到推廣應用,掘進機可以根據巷道的形狀實現自動截割,截割形狀非常精確。截割1個斷面只需要4分鐘,精度可達5厘米。現場操作人員也大大減少,只是在距掘進機后方幾百米的地方有1個監控站。

談到擺速自適應控制技術,吳淼說,掘進機截割臂的擺速過快過慢都不好,遇到軟煤層時,擺速沒有必要太慢,太慢了掘進效率就會降低;遇到夾矸時,擺速不能太快,如果太快,截割頭就會被損壞。研發人員通過對油缸閥口開度進行自適應控制,實現了對掘進機截割臂擺速的智能控制。如今,掘進機可根據煤層的軟硬來自動調節擺速,不僅避免了截割頭的截齒被損壞,延長了截割機的壽命,而且截割效率和定向掘進的精度也大大提高。

據了解,2011年,掘進機遠程控制技術及監測系統應用于EBZ200半煤巖掘進機,在云駕嶺礦開展試驗,實現了掘進工作面的智能化控制。

內蒙古準格爾旗官板烏素礦應用自動截割技術后,在巖石硬度接近F7、斷面20平方米的半煤巖巷道掘進中,創造了月進尺1003米、年進尺上萬米的記錄。

山東能源集團新巨龍公司井下應用該系統后,掘進機在斷面為半圓拱、斷面面積為28平方米的巖石巷道安全穩定運行,解決了重型掘進機手動操作困難的問題。

掘進機遠程控制技術及監測系統實現了掘進機遠程自動化、智能化控制,為掘進過程的少人化甚至無人化奠定了基礎。安裝了該系統的掘進機實現了自動截割、截割臂擺速自適應控制和位姿自動檢測,可以對數據進行自動分析,并根據掘進工作面的情況進行遠程智能化控制,就如同一個高智商的機器人,精準地完成工作。

另外,掘進機遠程控制技術及監測系統還為我國煤機裝備制造業帶來了生機。石煤機公司的技術員楊陽說,該系統的試驗是在EBZ200掘進機上進行的,但該系統可以根據機型、巷道的具體情況進行調整。按單臺增收150萬元計算,如果銷售的掘進機有一半加裝該系統,則公司一年可增加銷售收入12.75億元。

目標是探掘支錨協同作業

談到這個項目,吳淼說他最深的體會是,一切科技創新都要以需求為出發點和落腳點,要確保科技創新成果能應用于井下這個特殊的環境,這樣,研發工作才有現實意義。現在有些科技創新是從理論到理論,他不提倡這種遠離實際的做法。他同時認為,應該密切關注尖端技術和相關學科的發展,及時了解新成果、新技術,并將其應用于煤炭行業。

他說,自動截割、快速支護、超前探測是關系到綜掘工作面安全和效率的3個關鍵環節。現在,自動截割的難題已經解決了。下一步,他們將重點解決超前探測問題,進一步提高掘進工作面的安全保障系數。探掘支錨協同作業是一個大方向,現在支錨占用的時間最長,縮短支錨時間是提高效率的關鍵,這也是他們今后科研攻關的方向。

來源:中國煤炭報

 

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