煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验教学研究

曹连民, 孙士娇, 李建楠, 吕玉廷

(山东科技大学 机械电子工程学院, 山东 青岛 266590)

在现代教学中,实验教学是理论联系实际的重要组成部分,重视和加强实验教学研究在提高学生主观能动性和创新能力等方面具有非常积极的意义。目前的实验教学中的各种仪器和设备昂贵、体积大,功能单一、固定,实验教学方法和内容也存在问题,不能满足教学质量的要求[1-2]。

近年来随着煤矿技术的快速发展,大型煤机装备在煤矿开采中得到越来越多的应用,但教学实验室却没有进行大型采煤机性能实验的条件,而煤矿安全生产责任重大,生产矿井不便接受在校学生到煤矿井下采煤工作面进行现场学习和实验,学生无法接触现代化矿井真实或高度仿真的大采高工作面生产场景,限制了学生对采煤机和液压支架等大型设备进行学习和实验。同时,现阶段矿山虚拟显示仿真系统,多数为工业生产系统的影音信息显示,属于无交互操作、非沉浸式的矿山虚拟显示仿真系统,不能满足学生对三维沉浸、交互式体验的矿山虚拟现实仿真需求。随着虚拟仿真技术的迅速发展,国内外多所高校在以虚拟仿真为主要特色的教学方法和人才培养模式革新等方面取得了显著成绩,但针对煤矿工作面采煤机的虚拟仿真实验教学却非常少见[3-6]。

针对上述实验教学中存在的问题,本文进行了基于虚拟仿真技术的煤矿工作面采煤机的实验教学研究。

1 采煤机虚拟仿真实验教学整体实施过程

煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验系统是以大采高工作面为背景,根据工作面采高4.1～6.1 m,采煤机选用滚筒直径为3 000 mm的双滚筒；考虑工作面最小采高以及支架顶梁厚度,机面高度应小于3 000 mm；根据煤矿煤层赋存条件及生产能力要求,采煤机型号采用MG900/2245-GWD,其三维模型如图1所示。

图1 采煤机三维模型

基于虚拟仿真技术的煤矿工作面采煤机实验系统，结合目前虚拟仿真实验所具有的功能和课程教学要求,煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验完整实施过程如图2所示。

图2 煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验实施过程

2 采煤机结构实验教学

通过三维仿真及虚拟现实技术动态模式演示MG900/2245-GWD采煤机截割部结构、传动系统和牵引部结构以及电控装置布置,学生通过交互操作,熟识并掌握采煤机的结构和组成[7-9]。

(1) 交互式操作虚拟仿真实验系统动态演示MG900/2245-GWD采煤机截割部结构及传动系统,进行真实展现。交互式操作界面如图3所示,通过鼠标点击左下角交互面板的“截割部”,系统会将采用三维虚拟样机技术做成的摇臂、连接螺栓、方轴、减速装置及行星齿轮传动系统等截割部结构动态演示出来。

图3 采煤机截割部动态展示交互式操作界面

(2) 交互式操作虚拟仿真实验系统动态演示MG900/2245-GWD采煤机牵引部结构及传动系统和电控装置,掌握采煤机的结构和性能特点。牵引部交互式操作界面上可通过鼠标点击左下角交互面板的“牵引”,系统会将采用三维虚拟样机技术做成的减速装置、传动轴、齿轮、齿轨轮和连接装置等牵引部结构动态演示出来。

3 操作采煤机实验教学

首先,根据采煤机操作规程,在滚筒式采煤机控制器面板通过人机交互的形式对采煤机进行正向和负向牵引操作。如图4所示,通过鼠标点击左下角采煤机控制面板的 “左牵”和“右牵”,在采煤工作面,采煤机会沿着刮板输送机槽帮上的销排轨道进行左右调动行走。

图4 采煤机左右牵引交互式操作界面

然后,通过交互方式改变牵引速度、截割滚筒高度、滚筒转速等参数,体验并练习根据不同工况需要,调整采煤机牵引速度、设置截割滚筒高度及转速等操作,掌握采煤机的性能特点。具体操作如下。

(1) 交互式操作采煤机面板调整牵引速度参数的界面中可通过鼠标点击左下角采煤机控制面板的“左牵”和“右牵”,输入速度参数,采煤机会根据参数设定值进行左右调动行走。

(2) 交互式操作采煤机上下调整滚筒高度的界面

中可通过鼠标点击左下角采煤机控制面板的 “左上升”和“左下降”,采煤机左滚筒就会根据需要上下调整滚筒高度。同样,操作控制面板的“右上升”和“右下降”,采煤机右滚筒就会上下调整滚筒高度。

(3) 交互式操作采煤机调整滚筒转速的界面如图5所示,通过鼠标点击左下角采煤机控制面板的“左滚筒”,输入左滚筒转速参数值,参数值设定范围在20～30 r/min内,采煤机左滚筒转速就会根据设定参数的改变而改变。

4 采煤工艺流程组织循环实验教学

以割煤工序为核心,在工作面端部,按照割煤、移架和推移刮板输送机的顺序组织正规循环进行斜切进刀采煤的操作。旨在模拟采煤工作面采煤工艺、割煤方法和斜切进刀工艺流程,使学生掌握采煤机与液压支架及刮板输送机的配套关系[10-15]。

(1) 操作虚拟仿真实验系统的采煤机和液压支架面板,按照设计要求模拟进行长壁采煤工作面的端部斜切进刀工艺实验。多人协同采煤机端部斜切进刀交互式操作界面如图6所示。

图6 多人协同采煤机端部斜切进刀交互式操作界面

一名学生负责在采煤机下行正常割煤时,操作采煤左滚筒,将滚筒调至最高点截割顶部煤,右滚筒调至最低点截割底部煤,另一名学生在离左滚筒约35 m处操作液压支架面板逐段移动刮板输送机。当采煤机割到运输巷处时,操作采煤机的学生将左滚筒逐渐下降,以截割底部残留煤,操作液压支架的学生将输送机移成蛇弯形。当操作采煤机的学生将右滚筒升到顶部,开始上行斜切,斜切长度约73 m时,操作液压支架的学生将输送机移直。当操作采煤机的学生将右滚筒下降割煤,同时将左滚筒上升开始下行斜切直到运输巷时,将滚筒位置上下对调,然后快速移过斜切长度开始上行正常割煤,随即操作液压支架的学生移动下部输送机,直到回风巷。

(2) 根据长壁回采工作面的采煤工艺、落煤方式和推溜方式,操作采煤工作面滚筒式采煤机,进行正常割煤实验模拟。多人协同采煤机进行正常割煤交互式操作界面中，在斜切进刀完成后,以多人协同操作的模式操作模拟仿真实验系统,首先将系统切入到采煤工艺中,操作采煤机的学生根据需要设置滚筒高度和牵引速度,进行采煤机正常割煤操作,并在切割过程中进行牵引速度和滚筒高度的调整。

(3) 通过观察采煤工作面采煤机割煤情况,多人协同操作液压支架电液控制系统的控制器面板,在采煤机前方收起两级护帮板,在采煤机割煤后部对多台液压支架依次进行降架100 mm操作。

(4) 多人协同操作液压支架的控制器面板,根据工作面采煤情况进行多台液压支架的依次移架操作,移动支架距离与截深相同,为800 mm。

(5) 多人协同操作液压支架的控制器面板,进行多台液压支架的依次升架操作,升架距离约为100 mm,并将两级护帮板伸出,护住煤壁。

(6) 多人协同操作液压支架的控制器面板,进行推移刮板输送机操作。推移距离为0.8 m,推移后的弯曲段不得小于35 m,溜子最大水平弯曲1°,垂直弯曲不超过3°。

5 跟机自动化割煤实验教学

根据矿井采煤工作面自动化采煤规程,依据煤(岩)硬度和采煤机集中监测控制系统参数，调整采煤机牵引速度和截割速度,操作虚拟仿真实验系统,实现采煤机和液压支架联动,进行跟机自动化割煤实验。

三角区割煤工艺一个循环周期有两个端头的三角煤区域,两个区域各个阶段的割煤工艺基本相同。在第1阶段,采煤机自工作面中间段向机头方向割煤,按照先推溜后移架模式进行推溜和移架操作,直至采煤机到达机头。在第2阶段,采煤机开始向机尾方向行走,不割煤,一直到15号支架的弯曲段后开始割煤,在后面的滚筒离开15—17号支架后,依次执行跟机自动化推溜和跟机自动化移架操作,直至所有支架移架到位。在第3阶段,采煤机向机头方向行走,不割煤,目的是在下一阶段触发支架的跟机自动化移架操作。采煤机到达机头,此阶段结束。在第4阶段,采煤机开始向机尾方向行走,不割煤,但是后部支架依次执行跟机自动化推溜操作和跟机自动化移架操作,一直到30号支架后开始割煤。以上四个阶段如图7所示,自动跟机割煤操作模拟界面如图8所示。

图7 采煤机自动跟机割煤过程

图8 自动跟机割煤操作模拟界面

6 实验教学效果

(1) 教学理念突破。采煤机虚拟仿真实验解决了学生不能身临其境学习实践的问题,还为学生提供了剖析采煤机内部结构、亲自操作的机会,减少了高耗能实验设备投入,节省了成本,将课本抽象的知识真实化、形象化,提高了学生专业兴趣和实践能力。

(2) 教学内容与实际联系紧密。采煤机虚拟仿真实验系统可以完成煤矿工作面采煤机与液压支架等设备结构、安装、配套以及参数匹配对生产过程的影响等多项教学内容,特别是针对学生不能到实际生产采煤工作面的矛盾,借助虚拟仿真实验切身体验采煤工作面采煤机的操作和采煤工艺实景,使学生有身历其境的沉浸感。

(3) 系统稳定、开放运行。采煤机虚拟仿真实验系统不仅能够单机稳定可靠运行,并可置于基于Internet开放教学管理平台上,供不同校区、不同专业的学生共享使用。系统有完善的加密机制,具有看门狗功能,可进行日志管理、数据备份、系统监控,保障网络及信息安全。

(4) 评价体系不断完善和优化。采煤机虚拟仿真实验系统能够对参加实验学生的全过程进行记录,并能够随时进行实验指导,对于学生的预习效果、实验步骤以及实验成绩都具备完善的评价标准,提高了评价的公正性,为指导教师对实验进行优化和完善提供了参考。

7 结语

采煤机虚拟仿真实验系统以大采高工作面为背景,通过采煤机虚拟仿真实验的整体实施过程,进行采煤机结构、采煤机操作、采煤工艺流程组织循环和跟机自动化割煤模拟教学。采煤机实验系统采用3D和VR虚拟现实技术,突破了时间和空间上的限制,为学生逼真展现采煤机等机电设备的内部结构、工作原理与性能特点,使学生有细腻的现场沉浸感,弥补了学生不能到工作面现场操作实际设备的缺憾。同时调动了学生进行实验的积极性和主动性,使学生在掌握基础知识的同时,自主设计实验和操作,解决实际操作中的问题,增强了学生的创新能力。目前虚拟仿真实验在校内各学院中得到推广,在提高教学水平、整合教学资源、激发学生学习兴趣方面的作用获得广泛认可。