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采煤机正式开题报告

现代科技学院

毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）题目：

采煤机模型（摇臂部分）的结构设计及用于煤岩界面识别的测试系统设计

学生姓名：

　李林

指导教师姓名：

任芳

专业：

机械设计制造及其自动化机测07

2011年4月5日

1.课题名称：

采煤机模型（摇臂部分）的结构设计及用于煤岩界面识别的测试系统设计

2.课题研究背景：

采煤机的自动化主要包括两部分：

牵引速度和滚筒切割高度的自动控制。

目前国内外绝大多数采煤机牵引速度都实现了手动和自动控制，而采煤机滚筒高度的控制，除国外极少数的采煤机采用存储切割模式进行高度控制外，大部分是靠人工操作，即操作工人靠视力观察及截割噪音来判断采煤机滚筒是在割煤还是割岩，以便调节滚筒的垂直位置。

然而由于采煤机在工作过程中产生大量煤尘，使工作面能见度很低，而且机器本身噪音很大，操作工人实际上难以准确及时判断采煤机的截割状态。

如果是在薄煤层工作面，工人行走不便，使操作人员难以及时调节滚筒的高度。

因此采煤机在工作过程中经常会截割到顶底板岩石。

采煤机连续截割岩石会加剧滚筒截齿磨损及其它零部件的损坏；对于高瓦斯矿极易引起瓦斯爆炸，形成恶性事故；截割的岩石混入原煤中造成原煤质量下降；另外，滚筒位置调节不当还可能造成顶底煤剩留过厚，降低回采率。

解决这一问题的途径是实现采煤机滚筒的自动调高。

实现采煤机滚筒自动调高不仅是实现采煤工作面生产过程自动化的重要环节,而且对延长机器寿命、提高设备可靠性、保障工人安全、提高煤炭质量具有重要意义,对采煤机械的智能化控制及煤炭工业的可持续发展有很大的促进作用。

采煤机滚筒自动调高系统的功能就是按照顶板和底板的变化或按照人们设定的规律自动调节滚筒的工作高度，避免采煤机截割顶底板岩石并保持工作面顶底板的平整性。

根据采煤机调高系统所要求的功能，调高系统首先要能正确地识别采煤机的截割状态，然后根据识别的结果能准确及时地调整采煤机的滚筒高度。

煤岩界面识别的主要方法

煤岩界面识别主要分为两种:

煤厚测量型和煤岩界面测量型。

1放射性探测技术

1.γ背散射法：

将人工放射源和放射性探测器放在顶煤下方。

人工放射源放出的γ射线同顶煤发生作用后被反射回空气中并被探测器探测到。

这种反射γ射线的强度与顶煤后有关。

缺点：

背散γ射线穿透能力有限，所能测得的顶煤厚度不大于250mm;难于保证与顶煤良好接触；煤中夹杂物影响探测精度。

2.天然γ射线法：

在顶板岩中通常含有钾，钍，铀三大系放射性元素的含量也不同，因此放射出的γ射线能量和强度都不同。

优点：

无放射源因而便于管理;探测范围增大，最大顶煤厚度可测到50mm；传感器为非接触式不易损坏。

缺点：

不能适用于顶板不含放射性元素或放射性元素较低的工作面，以及煤层中夹杂太多的情况。

2.振动测试技术

1.拾振点位于采煤机部件上：

检测采煤机截齿，摇臂，调高油缸压力，转轴及机身的振动信号，经信号分析处理来判断采煤机是否切割刀顶板。

缺点：

工作中截齿经常切入岩石，因此对于某些采煤工艺要求预留顶煤或高瓦斯工作面，推广受到了限制。

另外截齿的损耗也较大些。

2.拾振点位于顶板上：

拾振的加速度计安装在顶板表面，采煤机割煤时产生的振动波通过岩石传播被加速度计检测到，通过对振动信号的处理就可判断滚筒截齿是否切割到岩石。

优点：

可使仪器远离采煤机，减少采煤机噪声的影响。

研究表明在滚筒附近的顶板上安置拾振器，其信号检测效果明显比采煤机身上所测得的效果好。

3.电磁测试技术

1.雷达探测方法：

当一束电磁波透过顶煤向上发射时，由于煤和顶板材料不同，在煤岩界面上电磁波会被反射。

反射波的速度，相应滞后或从发射波到反射波被接受的时间间隙除与发射波频率，煤和顶板材料等可测知的因素有关外，还与电磁波在顶煤中穿越路程即顶煤厚度有关。

通过对接收到的反射波进行信号处理可确定顶煤厚。

优点：

无需预先求取煤岩物理特性，十余、适用范围更广。

缺点：

探测范围太小，当顶煤厚度增加时，信号衰减严重。

2.电子自旋共振方法：

发射天线发射一恒定功率连续调频电磁波，当频率f=2uH时发生共振。

顶煤越厚，电磁波穿越路径越长，吸收越多，功率下降幅值越大。

根据共振频率处的功率下降幅值就可测定顶煤厚度。

4.光学探测技术

1.激光粉尘探测技术：

用收集装置将切割滚筒附近的破碎物料的粉尘颗粒吸到专用的防火花隔爆室内，用激光照射查明粉尘成分。

通过粉尘中煤与岩石成分含量之比来推断是否切割到顶岩。

缺点：

不能推断顶煤厚度，仅能识别截齿是否切入顶岩。

2.高压水射流---光测法：

用两相距50mm的高压喷嘴绕其对称旋转并喷射高压水，在顶煤上会打出一个D50mm的孔，而在顶板上只会打出一圆形狭缝，孔的底平面就是顶煤厚。

5.热敏探测技术

用高灵敏度的红外测温仪定向测量切割截齿附近煤岩体的温度，由于煤岩物理特性不同，切割时产生的温度不同，据此来判断滚筒是否切割到煤岩界面。

优点：

红外辐射对粉尘的穿透力强，高灵敏的红外测温仪可测出正负1℃的温度变化，应用前景。

目前国内外的研究现状

近年来国内外在此领域研究所采取的手段主要是:

基于煤岩自然伽玛射线辐射特性的NGR（NaturalGammaRadiateion）传感器法。

此法对于高瓦斯矿特别适合,但是该方法对采煤工艺有一定要求,即必须是留一定厚度的顶煤,这样降低了采出率;另外要求顶底板围岩必须有放射性元素。

例如对于页岩（Shale）顶板有较好的适应性,而对于砂岩（Sandstone）顶板则适应性极差。

这种方法在英国有50%的矿井可以使用,在美国有90%的矿井可以使用,而在我国仅有20%左右的矿井可以应用。

因而这种方法的推广使用受到了限制;基于采煤机切割力响应的煤岩界面识别传感器法。

此法是用传感器拾取摇臂振动信号、滚筒轴扭矩信号及调高油缸压力信号进行识别。

由于在采煤过程中滚筒在做旋转运动。

因而信号的传输受到很大的影响,到目前为止尚未见到成熟的方法及产品问世;煤层界面红外线探测装置。

它是用热成像红外摄像机探测开采煤层和临近岩层的温度变化。

当装置的视频探测装置发现煤层或岩层的温度出现变化后,即发出报警信号。

目前国内尚无涉足,国外有致力于此方面的研究,但仍无成熟方法及产品问世.

3.课题研究意义：

煤岩界面识别（CII）能使采煤机具有自动追踪煤岩界面的能力,不仅有助于引导煤矿井下采煤自动化,提高生产效益;还能减少那些在选煤过程中必须除去的岩石和其它矿物含量。

它既可用于人工操作的采煤机,也可用于计算机控制的采煤机。

可靠的CII系统在经济效益和安全作业两方面都具有突出的优点,它提高煤层的采出率;降低煤中的矸石、灰分和硫的含量;提高采煤作业效率;减轻设备磨损;减少设备维修量和停机时间;由于振动较小,降低了空气中的岩尘含量,并可使作业人员远离危险工作面。

为了实现煤矿井下复杂生产环境下的人员、物资、设备和基础设施等的实时有效的监控和管理，综合利用传感器技术、射频技术、智能嵌入技术等，结合工业以太网、无线传感器网、互联网和移动通信网，把物联网技术拓展到煤矿井下。

并在此基础上设计基于IE浏览的煤矿综合自动化软件平台，从而解决煤矿安全生产综采工作面的协同管理问题、井下重大灾害预警问题、矿井灾害有效救援等亟待解决的问题。

采掘工作面是煤矿事故多发地点。

减少煤矿采掘工作面作业人员既是煤矿安全生产的需要，又是减轻作业人员劳动强度和改善作业环境的需要。

煤岩界面识别是实现无人采煤的关键技术之一。

提出了基于可见光图像和红外图像识别的煤岩界面识别方法：

提取色彩、灰度、纹理、形状等图像特征，进行煤岩界面识别。

并提出了基于图像识别的多参数信息融合煤岩界面识别方法提出了基于可见光图像和红外图像识别的煤岩界面识别方法：

提取色彩、灰度、纹理、形状等图像特征，进行煤岩界面识别。

通过对任务书的分析，培养了自己进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的。

对与有关的资料的查看培养了自己调查研究，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规范、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。

模型比例的设计使自己建立正确的设计思想；初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段；从而使自己受到一次工程师的基本训练。

4.文献查阅概况

（1）国内外煤岩界面识别技术研究动态综述，任芳（太原理工大学）

摘要：

煤岩界面识别（CII）能使采煤机具有自动追踪煤岩界面的能力,不仅有助于引导煤矿井下采煤自动化,提高生产效益;还能减少那些在选煤过程中必须除去的岩石和其它矿物含量。

它既可用于人工操作的采煤机,也可用于计算机控制的采煤机。

可靠的CII系统在经济效益和安全作业两方面都具有突出的优点,它提高煤层的采出率;降低煤中的矸石、灰分和硫的含量;提高采煤作业效率;减轻设备磨损;减少设备维修量和停机时间;由于振动较小,降低了空气中的岩尘含量,并可使作业人员远离危险工作面

（2）基于切割力响应的煤岩界面识别技术研究，廉自生（太原理工大学机械工程学院）

摘要：

简述了采煤机切割状态识别及滚筒自动调高的意义；分析了煤岩界面识别的技术关键；指出了煤岩界面识别的信号选择途径、特征提取及分类器设计的方法。

（3）煤岩界面识别物理模拟测试系统研究，任芳（太原理工大学）

摘要：

采煤机滚筒在截割煤岩的过程中,随着截割介质的变化,滚筒的截割状态也发生变化,监测这些参数变化,可实现截割过程煤岩界面识别。

建立了采煤机煤岩界面识别物理模拟系统,包括介质模拟和采煤机牵引-截割机构的模拟,研制了试验控制系统。

（4）煤岩界面识别的关键状态参数，任芳（太原理工大学）

摘要：

阐述了通过截割状态监测进行煤岩界面识别的原理。

理论分析表明,拾取振动、电流、扭矩、压力及扭振等截割状态信号,经过特征提取与信息融合可进行煤岩界面辨识。

（5）扭振测量在煤岩界面识别中的应用研究，任芳（太原理工大学机械工程学院）

摘要：

为了更有效地进行煤岩界面识别,利用扭振信号来进行煤岩界面识别研究。

首先从理论上分析了扭振信号与滚筒截割力的关系;应用小波包和模糊神经网络技术进行信息特征提取和数据融合,论证了扭振信号的有效性与可靠性,并与直线振动信号进行了对比。

识别结果表明,扭振信号数据比较稳定,识别正确率达到92%;而直线振动信号的正确识别率为63%,理论分析与试验验证是一致的。

通过滚筒轴扭振信号来监测采煤机运行状态是一有效手段。

（6）基于多传感器信息融合的煤岩界面识别，陈惠英（太原理工大学电器与动力工程学院）

摘要：

煤岩界面识别是实现采煤机滚筒自动调高的关键之一,本文讨论基于多传感器信息融合的煤岩界面识别方法。

（7）基于支持向量机的煤岩界面识别方法，刘强（山西煤炭科学研究总院太原分院）

摘要：

在煤岩识别的研究中采用了基于结构风险最小化的支持向量机,介绍了支持向量机的煤岩界面识别原理,提出一种基于支持向量机的煤岩界面识别方法。

（8）煤岩界面的模糊识别，寇子明（山西矿业学院）

摘要：

提出模糊识别煤岩界面的方法，并研究基于切割负载力的煤岩界面在线辨识。

（9）煤岩界面识别传感技术，秦剑秋（中国矿业大学北京研究生部）

摘要：

60年代中期以来,各工业发达国家竞相研究开发能辨识煤层—岩石分界面的煤岩界面识别传感器。

从煤矿井下工作条件及工作对象来看,对煤岩界面识别传感器有以下要求:

1.分辨率:

在典型地质条件及正常工作噪声和振动的环境下,能精确地分辨50～250mm厚的余煤,并要求重复性好。

2.输出:

要有一定输出幅值以实现数显或与采煤机控制系统联接。

3.可靠性:

能适应井下恶劣的工作环境。

4.可行性:

成本低、结构简单,可在采煤机上安装。

（10）采煤机自动调高控制系统研究，张俊梅（中国矿业大学机电工程系）

摘要：

在分析比较国内外多种煤岩界面识别传感器的基础上,研究了以自然γ射线煤岩界面识别传感器为煤岩界面识别元件的采煤机自动调高控制系统.确定了整个系统的调高方案、控制任务,完成了控制系统软硬件的设计、调试工作,并采用计算机作为辅助手段对所设计的控制系统的数字控制器进行仿真分析,数据表明经过三个采样周期后系统趋于稳定,验证了整个控制系统的合理性.对煤矿井下测报实例进行煤厚测报的结果是,最大煤厚误差为43mm,表明此系统可靠、实用

（11）自组织竞争神经网络在采煤机煤岩界面模式识别中的应用，苏秀平（中国矿业大学机电学院）

摘要：

采煤机煤岩界面识别技术是实现采煤工作面自动化的关键技术之一。

利用自组织竞争神经网络对采煤机煤岩界面模式识别进行仿真分析,结果表明,自组织竞争神经网络能对输入向量模式进行正确分类,并能很好地解决采煤机煤岩界面模式识别问题,从而为采煤机煤岩模式识别器的改进提供了技术参考。

（12）开滦矿区薄煤层开采设备选型配套分析，李建民（开滦（集团）有限责任公司）

摘要：

介绍了我国薄煤层开采技术和装备发展情况,结合开滦集团公司荆各庄矿在复采沉陷区域薄煤层开采设备的选型配套和选择方法,提出了薄煤层工作面设备选型配套原则,应本着向大功率、高强度、高能力、高可靠性、自动化方向发展,以适应薄煤层安全高效要求。

（13）Studiesoftherelationshipbetweencoalpetrologyandgrindingproperties,AlanS.TrimbleandJamesChowder（CenterforAppliedEnergyResearch,UniversityofKentucky,2540ResearchParkDrive,Lexington,KY40511-8433,USA）

Abstract:

Thecameralandmicrolithotypecompositionofselected

coals

hasbeeninvestigatedwithrespecttothegrindingproperties,specificallyHardgravegrindabilityindex（HGI）,ofthe

coals.

ThestudyexpandsuponpreviousinvestigationsofHGIand

coal

petrologybyaddingthedimensionoftheamountandcompositionofthemicrolithotypes.

Coal

samples,bothlithotypesandwholechannels,wereselectedfromrestrictedrankrangesbasedonvitrifiesmaximumreflectance:

0.75–0.80%Ram,0.85–0.90%Ramand0.95–1.00%Ram.Inthismanner,theinfluenceofpetrographiccompositioncanbeisolatedfromtheinfluenceofrank.Previousinvestigationsofhighvolatilebituminous

coals

demonstratedthat,whilerankisanimportantfactorin

coal

grindability,theamountofLatinateandLatinate-richmicrolithotypesisamoreinfluentialfactor.Inthisstudy,weprovidefurtherquantitativeevidencefortheinfluenceofmicrolithotypesonHGIand,ultimately,onpulverizeperformance.

（14）.contactcoaltransformationundertheinfluenceofdoleritedike,A.N.formin,A.S.KonyshevandO.G.Talibova（aInstituteofPetroleumGeologyandGeophysics,SiberianBranchoftheRAS,3pros’.Akkad.Koptyuga,Novosibirsk,630090,Russia）

Abstract:

Theinfluenceof6.75mthickdoleritedikeonthesheetcoaloftheKierandeposit（northwesternSiberianPlatform）wasstudiedbyorgangeochemicalmethods.Itisshownthatinitialbituminouscoalwastransformedintoanthraciteintheimmediatevicinityofthedike.Chemicalkineticmodelingofthedike-inducedcrackingofcoal

organicmatterwasperformed,andthemaximumpaletemperatureswereestimated.

（15）.Stabilityevaluationofextendedcutmininginundergroundcoal

mines,EricR.Bauer1,GregoryJ.Chekan1andLisaJ.Steiner1（1NationalInstituteforOccupationalSafetyandHealth,PittsburghResearchLaboratory,Pittsburgh,PA15236,USA）

Abstract:

Thetrendinundergroundroom-and-pillarcoalminingistoemployremote-controlcontinuousminingmachinestotakeextendedcutsof40ftormore.Extended

cutting

cancreateadditionalworkersafetyhazards.Toaddressthesehazards,acombinationofstatisticalanalysis,undergroundinvestigations,andnumericalmodelingarebeingconducted.Statisticalanalysisofextendedcutuse,rooffallaccidentsandfatalitiesdelineatedtheextentoftheprobleminU.S.

coal

mines.Undergroundstudiesaddressedtheroofstabilityconsequencesofemployingextended

cutting.

Thestressprofiles,pillarstability,andsafetyfactorsofalternativeminelayoutsthateliminateunsafecontinuousmineroperatorpositioningduringtheremote-controlminingofcrosscutswereaddressedusingdisplacement-discontinuitymodelingandprogramssuchasLAMODEL（LaminatedModel）andARMPS（AnalysisofRetreatMiningPillarStability

5.设计（论文）的主要内容

1.根据相似原理确定模型的各种技术参数。

2.采煤机模型切割系统的设计。

3.设别系统的设计。

6.设计（论文）提交形式

1）毕业设计开题报告；

2）采煤机模型摇臂总装图一张（0号）；

3）部件图一张（1号）；

4）零件图三张（2号一张，3号两张）；

5）测试系统图一张（3号）；

6）相关外文资料翻译（至少5000字）；

7）设计论文说明书1本（至少20000字）。

7.进度安排

第4周至第6周：

查找资料做选题报告。

了解采煤机工作原理，学习相似原理，确定模型功率与原型功率的关系。

英文翻译。

第7周至第8周：

模型功率确定---选择电机---选择变频器---选择联轴器---确定输入输出轴并校核---链轮的设计与校核---轴承的选择。

参考机械零件。

第9周至第11周：

确定检测参量，选择各种传感器。

测试系统的设计。

提交说明书目录。

第12周至第16周：

编写论文及绘图。

8.指导教师意见

签名：

2011年4月日

P