地下矿用液压钻机重回归算法运用及故障分析

2020-11-27刘文星

机电工程技术 2020年10期

刘文星

（张家口宣化华泰矿冶机械有限公司，河北张家口 075100）

0 引言

本文介绍的一款自动换杆可无线遥控带储杆器的地下矿用液压采矿钻车，主要目的是降低地下采矿操作人员的数量，减少钻机操作者冗余的动作，减轻操作人员的劳动强度，使操作人员远离未经加固的岩石，消除采矿生产过程中的系列性安全隐患，并且大幅提升作业安全性和舒适性。

本文主要描述该机器在工作断面钻孔工况下，电控系统控制程序中用到的数学公式，以及为适应实际采矿钻孔工艺，程序做出的局部调整。

地下矿用液压采矿钻机，采用的控制系统是以CAN 技术为基础，对钻机的钻孔与其它功能进行控制和监测，如图1所示。

图1 矿用液压钻机在地下矿山的作业施工状态

1 数学公式

1.1 重回归法

在工程应用中有很多工作数据，需要通过数学公式使之相关联，从而服务于机器设备的实际工作中。地下矿用液压采矿钻机控制程序中运用的数学公式，是结合实际数据样本采集，使用重回归数学法计算得出。通过Matlab[1]程序，将重回归计算方法[2]编译成计算机代码；使用文本命令读取样本数据，即textread 命令，读取dat 格式的数据文件；采用最小二乘法[3-4]对原始数据进行系统性计算。从而归纳出一套与实际情况相匹配的，且仅适用于本机型的数学公式和曲线。

样本数据采集。记录地下矿用液压采矿钻机实际工作中相关压力值，全文使用P 表示，以及对应的控制器输出的信号值，全文使用x表示；直到压力值溢流，具体采集的数值格式如表1所示数据样本，表中数据仅截取了原始样本数据中的两组数值。表示采集的数据越多，得出的数学方程越趋近于真实情况。

表1 数据样本

将二次回归[3]计算步骤编写入Matlab 软件时，采集数据的输出信号设置为方程的因变量，而相对应的液压实际压力值作为方程的自变量输出。一切就绪，运算程序，将会得出3 个回归方程系数，分别为A、B、C，以及1 个关联系数r，方程系数如图2所示。这些系数的输出方式与编译的程序相关，格式不是唯一，也可编译为直接显示数学公式，如图3所示线性回归结果。Matlab程序得出的3 组回归方程系数，用于组合成二次方程；而其下的关联系数[4-5]，则用于判断此方程与真实数据之间的契合度，帮助研究人员判断方程的可信度，是否值得采用。

图2 方程系数

图3 重回归曲线

重回归计算方法[4-5]。归纳原始样本数据得出的方程系数A=-47.005 492；方程系数B=0.301 860；方程系数C=0.000 122；相关系数，即关联系数为0.999 30，关联系数转化为百分比表达为99.9%。根据相关系数值99.9%可知，得出的系数所组成的二次数学方程，与采集的原始数据几乎完全吻合，如图3 曲线，此图深色线是通过Matlab 程序运算重回归计算法得到的二次数学公式；浅色圆圈则是Matlba 通过readtext 命令读取的dat 格式的原始数据，一个浅色圆圈代表一组数值。根据以上分析，此组系数可以运用于本设备的控制程序中。

最终得出，实际压力值P 与输出信号x 之间的二次方程为：

1.2 线性回归求数学公式

由于图3 曲线显示曲线趋于直线，随对原始数据进行线性回归的求解。一是核对所得方程的合理性；二是为后续系列产品的应用做相应铺垫。

同样采用最小二乘法计算。使用Matlab 软件将线性回归方法编译成机器语言。重回归方法与线性回归法均采用最小二乘法，但Matlab 程序不同，不可混淆使用。同样便于数据输入，采用readtext 命令对dat 格式文件进行读取。运行结果如图4所示线性回归结果；线性回归方程斜率为0.408，常数项数值为-67.512，原始数据共38组，对应的关联系数为0.999。

得出的一次数学方程为：

图4 线性回归结果

通过关联系数值99.9%可知，此一次数学方程与原始数据的契合度同样非常高。原始数据与数学方程显示在图5所示线性曲线中。图中深色线也是通过Matlab 程序得出的二次数学方程；浅色圆圈则是采集的原始数据，同样一个浅色圆圈代表一组样本数值。

图5 线性回归曲线

2 故障分析

2.1 故障一

储杆器是地下矿用液压采矿钻机[6]的一个重要部件，图6所示为储杆器[7-8]示意图。图中标号1 为储杆器的机械结构部件，用于存放不同型号和类型的钻杆和钎杆；标号2 为机械手，用于夹持钎杆，将钎杆存入储杆器内，或在钻机工作时，取出钎杆。储杆器主要功能是储存不同种类和不同数量的钎杆，保证有足够的钻孔工具，供地下矿用液压采矿钻机进行钻孔工作。避免操作人员取钻杆，人工接杆而造成的时间浪费和人员因操作失误造成的经济损失和人身伤害。

图6 储杆器示意图

（1）情况描述

矿用液压采矿钻机在某矿山作业时，出现储杆器无法正常转库现象。某一工作时刻，储杆器旋转动作出现停止状况。

（2）故障分析

位于储杆器机械结构的下方，有数个传感器，用于控制储杆器的转库动作。安装位置位于工作装置表面，虽然设计过程已考虑了必要的防护措施，但也有发生磕碰的可能性。经初步检查，传感器没有出现肉眼可见破损。鉴于钎杆库旋转功能动作异常，对直接控制其动作的传感器有必要进一步检测。

拆卸3组传感器，分别对这3组传感器进行指示灯闪亮检测。均出现红灯闪烁指示，表明传感器均可正常工作。重新启动设备，此次操作仅针对储杆器的相关动作。首先单独操作储杆器的旋转动作，一切正常，旋转速度正常，控制器发出指令后，旋转动作没有延时。其次，单独操作机械手，将钻杆存入钻杆库中；或取出钻杆，没有储杆器没有异常报警。当储杆器处于旋转的工作状态时，操作者按下控制机械手动作的按钮，储杆器出现停止旋转的状况。

造成故障的操作方式已找出。造成此现象的原因是，储杆器处于旋转工作状态时，若按下操作机械手的按钮，即控制器接收到两套动作指令，控制储杆器的油液会分流出一部分至机械手臂的油路中，致使控制储杆器油路中的油液流量降低，引起此油路中的锁定油缸停止动作。

（3）采取措施

经过多种尝试，最终确定，调整控制储杆器工作程序，以适应实际操作环境。将程序代码调整为：在储杆器旋转的过程中，强制锁定机械手，使储杆器不受外界控制，控制储杆器油路中的油液流量不发生变化；当储杆器旋转结束，进入下一个指令时，锁定机械手的指令解除。