本发明属于挖掘设备技术领域，涉及一种采煤机用导向滑靴的寿命预测方法和预警系统。
背景技术：
我国煤炭储量丰富，煤炭产量居世界首位。采煤机越来越朝着智能化、无人工作面的方向发展。导向滑靴安装在采煤机牵引行走系统中，起着导向以及固定行走轮与刮板机销排啮合距离的作用。由于采煤机工况比较恶劣，导向滑靴是采煤机行走系统最薄弱的零件之一，目前导向滑靴寿命都是靠人工检测进行判断，检测难度大，工作强度高；导向滑靴一旦磨损超标，会大大恶化采煤机行走轮和刮板机销排的正常啮合，降低行走轮与销排的寿命，影响着采煤机的可靠性和矿井的开机率。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种采煤机用导向滑靴寿命预测算法及寿命预警系统，能智能预测导向滑靴的寿命，减少人工检测导向滑靴的次数，降低工作强度，有效避免导向滑靴过度磨损而带来二次损伤。
本发明的主要技术方案有：
一种采煤机用导向滑靴寿命预测算法，利用传感器自动测量采煤机的行走距离，对所述行走距离进行累加得到累计行走距离，当所述累计行走距离达到或超过采煤机的设计行走距离时，判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限。
对于所述导向滑靴经过修复后再使用的情况，对所述设计行走距离进行不同程度的折减，折减比例在30-90％之间，合计修复次数越多，末次修复后的所述折减比例越高。
所述行走距离每达到一个计算步长，做一次累加和判定，所述计算步长优选在5-50m范围内取值。
累加前，对每个计算步长内的所述行走距离进行修正，对修正后的行走距离进行累加，修正依据包括倾角系数，倾角系数在1-20之间取值，工作面角度越大，倾角系数取值越大。
所述修正依据还可以包括采高系数、工作面复合硬度系数和机型系数中的一种或多种，它们分别在0.5-2、0.25-6和0.7-1.5范围内取值，采煤机采高越大，采高系数取值越大，工作面煤质复合硬度越大，工作面复合硬度系数取值越大，采煤机重量越大，机型系数取值越大，当通过采高系数、工作面复合硬度系数和机型系数中的多种系数对行走距离进行修正时，修正后的行走距离为每种系数修正的行走距离的加权平均值。
当首次判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限时，实测导向滑靴剩余耐磨层的厚度值，将用作判定标准的设计行走距离按照剩余耐磨层的厚度值与耐磨层设计厚度值的比值成比例减小后作为更新后的设计行走距离，当此后的累计行走距离达到或超过所述更新后的设计行走距离时，判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限。
采煤机用导向滑靴寿命预测算法优选采用如下步骤进行：分别计算导向滑靴耐磨层磨损率和导向滑靴耐磨层磨损偏差率，
所述导向滑靴耐磨层磨损率为：
式中：s为自动测量的采煤机行走距离；i为累加计算次数；自动测量的采煤机行走距离每达到一个计算步长，做一次累加计算，该计算步长在5-50m范围内取值；
k为倾角系数，当采煤机俯采时，根据工作面角度大小，设定不同k值；当工作面角度在[0°，6°)区间时，k取值为[1，1.2)，当工作面角度为[6°，10°)时，k取值为[1.2，3)，当工作面角度在[10°，15°)区间时，k取值为[1.5，10)，当工作面角度在[15°，25°)时，k取值为[8，20)；各个区间内，同一机型，工作面角度越大，k取值越大；
λ1i、λ2i、λ3i是根据每个计算步长的情况而确定的分配系数，取值范围均为0～1，当采煤机空刀时，λ1i、λ2i取值为0；当工作面情况稳定时，λ1i根据摇臂摆角测量采高占最大采高的比例进行取值，测量采高越高λ1i取值越大；工作面煤质硬度越大，λ2i取值越大；λ1i和λ2i取值越大，λ3i取值越小；
h(s)为采高因子，是不同机型的采煤机采高与采煤机行走距离s之间的函数，对于经过出厂验收后的确定机型的采煤机，采高因子是确定的；根据此采煤机的最大采高与测试采煤机的最大采高的比例或此采煤机的平均采高与测试采煤机的平均采高的比例确定，取值范围是(0.5～2)*s；
f(s)为工作面复合硬度因子，是工作面煤质复合硬度与采煤机行走距离s之间的函数，复合硬度是与每个计算步长内的煤层厚度h1、煤层长度l1和煤质硬度f1，以及夹矸厚度h2、夹矸长度l2和夹矸硬度f2相关的加权硬度值：
根据经验，可以按f(s)＝(0.25～6)*s简化取值。
w(s)为机型因子，是不同机型的采煤机重量与采煤机行走距离s之间的函数，与采煤机不同部件的配置相关；更换不同摇臂或滚筒，可导致机型重量和重心的变化，相应w(s)的取值也就发生变化；w(s)取值范围优选为(0.7-1.5)*s。
sb为采煤机导向滑靴的设计行走距离；
n为设计行走距离修正系数，如果导向滑靴是修复后再使用的，则要相应调整此系数；取值范围为0.3-0.9。
所述导向滑靴耐磨层磨损偏差率为：
式中，c为偏差补充量，初始值为零；如果期间经过人工检测，将实测导向滑靴剩余耐磨层的厚度值赋值给c；
m为导向滑靴耐磨层设计厚度值，为常数；
计算所述导向滑靴耐磨层磨损率和所述导向滑靴耐磨层磨损偏差率的差值，如果该差值小于1，继续进行累加计算，如果该差值大于或等于1，判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限。
除实测的采煤机行走距离每达到一个计算步长做一次累加计算外，还可以在工作面刮板机机头、机尾时同样做一次累加计算和判定。
一种采煤机用导向滑靴寿命预警系统，包括旋转角度传感器组件、绝对值位置编码器和数据处理模块，所述旋转角度传感器组件的固定部安装在采煤机机身上，所述旋转角度传感器组件的活动部经摇杆与采煤机摇臂固定连接，当摇臂处于水平时，所述旋转角度传感器组件置零，所述绝对值位置编码器同轴安装在采煤机煤壁侧牵引部牵三轴处或者行走箱老唐侧驱动轮处，所述旋转角度传感器和所述绝对值位置编码器的信号输出端分别接入所述数据处理模块的摇臂摆角信号输入端和行走距离输入端，所述数据处理模块的预警信号输出端接入采煤机的电控系统，所述数据处理模块根据预设的计算程序，由摇臂摆角信号计算出采煤机的采高，由所述绝对值位置编码器转动的圈数计算出采煤机的行走距离，并采用所述采煤机用导向滑靴寿命预测算法进行累加计算及判定，当判定结果为采煤机用导向滑靴达到寿命极限时，所述数据处理模块传输信号给所述电控系统，所述电控信号发出预警信号。
本发明的有益效果是：
本发明采用创新的导向滑靴寿命预测算法，实现了实时自动测量采煤机的行走距离，自动计算累计行走距离，自动判断累计行走距离是否达到或超过采煤机的设计行走距离，从而实现了导向滑靴寿命极限的智能化判定，当达到寿命极限时系统及时主动发出预警信号，提示相关人员实地检测导向滑靴剩余耐磨层厚度。这一算法的采用，一改过去只能靠人工多次实地检测导向滑靴耐磨层磨损程度的方式来判断导向滑靴是否达到寿命极限，明显减少了人工检测的次数，减轻了人工检测的工作强度，还能避免由于人工检测不及时导致的因导向滑靴过度磨损而带来二次损伤采煤机行走系统的情况。
本发明的预测算法充分考虑了采煤机俯仰角度、采煤机采高、工作面煤质复合硬度和采煤机重量等对于导向滑靴寿命的影响，以及充分考虑了导向滑靴经过修复后再使用对其寿命预估值的影响，并经过了大量实验验证和完善，其导向滑靴寿命预测的可信度和准确性都很高。通常在确定需要更换导向滑靴之前只需进行一次实地人工检测，即当本发明的预警系统第一次发出预警时，需进行人工实地检测核实，并根据核实结果调整一次偏差后继续预测，当所述预警系统再次发出预警时，可直接做更换处理。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的摇臂摆角传感器组件的一个实施例的安装示意图；
图3为本发明的行走位置编码器组件的一个实施例的安装示意图；
图4为本发明的矿用本安型信号处理中心的一个实施例的结构示意图；
图5是图4的侧视图。
具体实施方式
本发明公开了一种采煤机用导向滑靴寿命预测算法(简称寿命预测算法)，利用传感器自动测量采煤机的行走距离，对所述行走距离进行累加得到累计行走距离，当所述累计行走距离达到或超过采煤机的设计行走距离时，判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限。此时，可发出寿命预警信息，提示相关人员需要进行实地的导向滑靴耐磨层剩余厚度的检测，以确认是否需要更换导向滑靴。由于该算法的采用，可以省去大量的人工检测操作，降低检测人员的工作强度，提高采煤机工作可靠性。
对于所述导向滑靴经过修复后再使用的情况，所述设计行走距离优选根据合计修复次数、焊条材料、修复的尺寸以及耐磨表面情况进行不同程度的折减，按照单次30-90％的折减比例进行不同程度的折减，合计修复次数越多，末次修复后的所述折减比例越高。例如某次修复前的设计行走距离为l，修复后根据该次修复情况，折减比例定为30％，相应折减后的设计行走距离为0.7l。
上述累加和判定可以实时进行，也可以间断进行，前者计算量较大，对于数据处理能力要求较高，后者计算量较小，只要间隔大小合理，完全能够满足使用要求。因此，优选为所述行走距离每达到一个计算步长，做一次累加和判定，所述计算步长可以在实测行走距离在5-50m范围内取值。步长越短，精度越高。
如果做相对粗略的预测，上述算法可以满足一般性要求。如果希望预测更精准一些，累加前，可以对每个计算步长内的自动测量得到的所述行走距离进行修正，再对修正后的行走距离进行累加。修正依据可以包括倾角系数，倾角系数在1-20之间取值，工作面角度越大，倾角系数取值越大。修正后的行走距离等于倾角系数与修正前的行走距离的乘积。
所述修正依据还可以包括采高系数、工作面复合硬度系数和机型系数中的一种或多种，它们分别在0.5-2、0.25-6和0.7-1.5范围内取值，采煤机采高越大，采高系数取值越大，工作面煤质复合硬度越大，工作面复合硬度系数取值越大，采煤机重量越大，机型系数取值越大，当通过采高系数、工作面复合硬度系数和机型系数中的多种系数对单个计算步长内的所述行走距离进行修正时，修正后的行走距离为每种系数修正的行走距离的加权平均值。
利用倾角系数进行修正与利用采高系数、工作面复合硬度系数和机型系数进行修改可以同时存在，修正方法是对采用一种方式修正后的行走距离的值再采用另一种方式继续修正。
由于实际影响寿命的因素较多，因此预测结果与实际情况往往有一定的偏差，因此本发明的所述寿命预测算法设定为：当首次判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限时，应人工实测导向滑靴剩余耐磨层的厚度值，并将用作判定标准的设计行走距离按照剩余耐磨层的厚度值与耐磨层设计厚度值的比值成比例减小后作为更新后的设计行走距离，当此后的累计行走距离达到或超过所述更新后的设计行走距离时，判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限。该设定相当于该寿命预测算法所包含的一次内部偏差纠正过程。通常，经过这一次偏差纠正，再次预测结果已经十分接近真实情况，因此，当再次发出预警信息时，一般可直接进行导向滑靴的更换。
所述采煤机用导向滑靴寿命预测算法优选采用如下步骤进行：
分别计算导向滑靴耐磨层磨损率和导向滑靴耐磨层磨损偏差率，
所述导向滑靴耐磨层磨损率为：
式中：s为自动测量的采煤机行走距离；i为累加计算次数；自动测量的采煤机行走距离每达到一个计算步长，做一次累加计算，该计算步长可以在5-50m范围内取值，例如每5m计算累加计算一次。
k为倾角系数，当采煤机俯采时，根据工作面角度大小，设定不同k值。以下是优化后的倾角系数取值标准：当工作面角度在[0°，6°)区间时，k取值为[1，1.2)，当工作面角度为[6°，10°)时，k取值为[1.2，3)，当工作面角度在[10°，15°)区间时，k取值为[1.5，10)，当工作面角度在[15°，25°)时，k取值为[8，20)，各个区间内，同一机型，工作面角度越大，k取值越大。相同工作面角度的情况下，机型不同，k的优选取值不同。中等功率采煤机，k倾向于取小值，大功率采煤机，k倾向于取大值。
λ1i、λ2i、λ3i是分配系数，取值范围均为0～1，每个计算步长确定一次。采煤机空刀时，λ1i、λ2i取值为0；当工作面情况稳定时，λ1i根据摇臂摆角测量采高占最大采高的比例进行取值，测量采高越大，取值越大；λ2i根据工作面煤质赋存情况来确定的，当每个计算步长工作面煤质硬度越大，λ2i取值越大；λ3i根据机型的配置和工作面情况来考虑，实践中λ3i取值受到λ1i和λ2i的影响，因此可以按λ1i和λ2i取值越大、λ3i取值越小来简化处理。
h(s)为采高因子，是不同机型的采煤机采高与采煤机行走距离s之间的函数，对于经过出厂验收后的确定机型的采煤机，采高因子是确定的。根据此采煤机的最大采高与测试采煤机的最大采高的比例或此采煤机的平均采高与测试采煤机的平均采高的比例确定，取值范围是(0.5～2)*s；其中的“(0.5～2)”为采高系数的取值范围。
f(s)为工作面复合硬度因子，是工作面煤质复合硬度与采煤机行走距离s之间的函数，复合硬度是与每个计算步长内的煤层厚度h1、煤层长度l1和煤质硬度f1以及夹矸厚度h2、夹矸长度l2和夹矸硬度f2相关的加权硬度值：
根据经验，f(s)优选按(0.25～6)*s简化取值。其中“(0.25～6)”为工作面复合硬度系数的取值范围，是对复合硬度进行统计分析后确定的。
w(s)为机型因子，是不同机型的采煤机重量与采煤机行走距离s之间的函数，与采煤机不同部件的配置相关。为了便于计算，优选按w(s)＝(0.7-1.5)*s简化取值，其中“(0.7-1.5)”为机型系数的取值范围。更换不同摇臂或滚筒，可导致机型重量和重心的变化，机型系数的相应取值也就发生变化；重量变大，取值变大；重心越偏向煤壁侧，取值越大。
影响上述各参数的选取或计算的因素在一个计算步长内有可能是变化的，那么可以选取其中该因素在这个计算步长内的某一个值或者其平均值，作为选取或计算相应参数的依据。
sb为采煤机导向滑靴的设计行走距离。
n为设计行走距离修正系数，如果导向滑靴是修复后再使用的，则要相应调整此系数。调整方式参见前述有关折减比例的说明，n取值范围为0.3-0.9，具体可以根据焊条材料、修复的尺寸以及耐磨表面情况确定。当按照规定焊材及工艺，同时达到相应的零件尺寸，耐磨表面越光滑，则取值越大；当与图纸要求偏离越大，取值越小。
所述导向滑靴耐磨层磨损偏差率为：
式中，c为偏差补充量，初始值为零；如果期间经过人工检测，通常是发出第一次预警信息后才进行首次人工检测，将实测导向滑靴剩余耐磨层的厚度值赋值给c；
m为导向滑靴耐磨层设计厚度值，为常数。
计算所述导向滑靴耐磨层磨损率和所述导向滑靴耐磨层磨损偏差率的差值，如果该差值小于1，继续进行累加计算，如果该差值大于或等于1，判定为采煤机用导向滑靴达到寿命极限。当第一次判断达到寿命极限时，发出预警信息，预测算法中断，等待人工检测以及根据检测结果更新公式(2)的值，然后继续预测算法，再次发出预警信息时，预测计算终止。
除实测的采煤机行走距离每达到一个计算步长做一次累加计算外，优选在工作面刮板机机头、机尾时同样做一次累加计算和判定。
发明人通过大量的测试与数据统计，通过主成分分析法、多项式回归、数值拟合等方法结合不同采煤机机型及配置，摸索总结出上述采煤机导向滑靴磨损寿命算法模型(公式1-2)，以及不同参数对导向滑靴磨损量的影响因子。基于所积累的大数据，通过对公式(1)中的不同参数进行合理取值，进行了不同机型的采煤机导向滑靴耐磨层的寿命预测实验，均取得了相当高的准确率。
本发明还公开了一种采煤机用导向滑靴寿命预警系统，如图1-5所示，包括旋转角度传感器组件2、绝对值位置编码器6和数据处理模块12。所述旋转角度传感器组件的固定部安装在采煤机机身上，所述旋转角度传感器组件的活动部经摇杆与采煤机摇臂固定连接，当摇臂处于水平时，所述旋转角度传感器组件置零。所述绝对值位置编码器同轴安装在采煤机煤壁侧牵引部牵三轴处或者行走箱老唐侧驱动轮处。所述旋转角度传感器和所述绝对值位置编码器的信号输出端分别接入所述数据处理模块的摇臂摆角信号输入端和行走距离输入端，所述数据处理模块的预警信号输出端接入采煤机的电控系统，所述数据处理模块根据预设的计算程序，由摇臂摆角信号计算出采煤机的采高，由所述绝对值位置编码器转动的圈数计算出采煤机的行走距离，并采用所述采煤机用导向滑靴寿命预测算法进行累加计算及判定，当判定结果为采煤机用导向滑靴达到寿命极限时，所述数据处理模块传输信号给所述电控系统，所述电控信号发出预警信号。
所述数据处理模块根据所述绝对值位置编码器的数据，在机头、机尾位置处以及每行走一段距离(例如5m)时，进行行走距离数据的计算，并对行走距离数据进行累加，判断累加值是否达到或超过设计行走距离。当达到或超过设计行走距离，即可作出导向滑靴达到寿命的预测，此时，通过can总线传输信号给采煤机电控系统，电控系统发出预警信号，并在采煤机故障显示屏上显示提示信息，并进行语音报警，提示相关人员实地检查导向滑靴的磨损量是否超标或更换导向滑靴。在电控系统发出预警信号之前，省去了人工检测导向滑靴耐磨层厚度的操作，极大地减轻了人工劳动强度。
所述数据处理模块可以设有内置的存储器，也可以外接存储器，在得出累加值后，同时可以把累加后的总的行走距离储存起来备用。
所述绝对值位置编码器优选采用轴式绝对值位置编码器。
当采煤机摇臂调高摆动时，带动摇杆组件转动，进而带动所述旋转角度传感器组件转动，因此所述旋转角度传感器组件感测到摇臂摆角。通过检测摇臂摆角，结合采煤机的机身参数，就可算出采煤机的采高。采高对于导向滑靴耐磨层的磨损有着重要影响，耐磨层的磨损程度又与导向滑靴的寿命直接相关，因此通过采高数据，可以进一步修正导向滑靴的寿命预测结果，从而提高寿命预测的准确性和可信度。
本实施例中，所述采煤机用导向滑靴寿命预警系统主要包括摇臂摆角传感器组件、行走位置编码器组件和矿用本安型信号处理中心。所述旋转角度传感器组件、绝对值位置编码器和数据处理模块分别为摇臂摆角传感器组件、行走位置编码器组件和矿用本安型信号处理中心的核心组成部分。
所述摇臂摆角传感器组件安装在采煤机老唐侧，如图2所示，其中传感器座1固定在牵引部牵引铰接销轴孔处，所述旋转角度传感器组件2的固定部安装在所述传感器座1上，摇杆组件4一端固定在摇臂上，摇杆组件4与旋转角度传感器组件2的活动部相连，护罩3通过螺栓固定在传感器座1上，用于保护旋转角度传感器组件2。通过实时测量采煤机的摇臂摆角，再把数据传输给矿用本安型信号处理中心，就可以得到采煤机采高。
所述行走位置编码器组件安装在采煤机煤壁侧牵引部牵三轴处或者行走箱老唐侧驱动轮处，如图3所示，其中固定座5通过紧固件8安装在牵引三轴处壳体上，轴式绝对值位置编码器6安装在所述固定座内，盖板7安装在所述固定座的顶部，将位置编码器封闭在固定座内，位置编码器的输出信号线从固定座的侧壁上穿出。当采煤机行走时，根据轴式绝对值位置编码器6转动的圈数与采煤机的行走距离之间关系换算，可以得到采煤机行走的距离。
如图4、5所示，所述矿用本安型信号处理中心还包含防爆壳体9，所述数据处理模块安装在所述防爆壳体内，所述防爆壳体可以固定在采煤机老唐侧壳体上。
所述防爆壳体的下部开口处固定有盖板10，所述盖板与防爆壳体间通过密封圈密封，并通过螺丝固定。所述防爆壳体通过螺纹紧固件13固定在采煤机壳体老唐侧的合适位置。
所述防爆壳体的上部优选设有若干转接插头11，进出所述数据处理模块的电缆(包括接入所述数据处理模块的传感器电缆和由数据处理模块引出并接入采煤机电控系统的信号输出电缆)经由所述转接插头进行连接。
所述矿用本安型信号处理中心用于处理摇臂摆角传感器组件的信号和行走位置编码器组件的信号，根据摇臂摆角传感器组件到信号，计算得出采煤机的采高，根据行走位置编码器组件的信号在机头、机尾位置处以及每行走一段距离时，进行行走距离数据的计算与修正，完成导向滑靴磨损寿命的计算。当到达导向滑靴耐磨层磨损极限时，通过can总线传输信号给采煤机电控系统，电控系统发出预警信号，并在采煤机故障显示屏上显示提示信息。此时，相关人员需要对导向滑靴的剩余耐磨层厚度进行实地手工检测，如果确实达到磨损极限，应及时更换导向滑靴，如果尚有一定厚度的剩余耐磨层可供采煤机正常行走一段时间，可据此实测的剩余耐磨层厚度值修正导向滑靴寿命预测中被用作比对基准的设计行走距离数据，然后继续运行寿命预测。
所述采煤机用导向滑靴寿命预警系统还可以包括安装在采煤机上的红外发射传感器。当采煤机在工作面刮板机机头尾部时，通过采煤机的红外发射传感器定位采煤机的起始点。
本发明符合井下电气设备安全要求，设备尺寸小，且安装方便，可以作为采煤机配置的选配功能，预测采煤机导向滑靴耐磨层的寿命。