采煤机负载位置载荷分析方法技术领域
本发明涉及负载载荷分析方法领域，尤其涉及一种采煤机负载位置载荷分析方
法。
背景技术
目前采煤机电控系统的人机界面中，采煤机牵引部、截割部负载电流仅是以时间-
电流曲线的方式进行展示，这种展示仅可用于判断采煤机牵引电机及截割电机的负载情
况，并作为电机健康状态的一种辅助判据。
但在实际工作时，采煤机所在位置二维空间点(工作面走向方向坐标及采煤机行
走方向坐标值)的负载电流幅值还受到此时采煤机姿态信息、工作面煤层地质条件信息、牵
引速度以及行走部机械啮合信息等的复合叠加影响。因此现有的采煤机荷载分析方法普遍
具有较大的误差，且不便于用户快速判断采煤机的工作状态，影响用户的使用体验。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种采煤机负载位置载荷分析方法，有
利于展示采煤机实际工况情况，便于用户快速判断采煤机工作状态，具有精度高、操作便捷
和用户体验好的优点。
为了实现上述目的，本发明提供一种采煤机负载位置载荷分析方法，包括步骤：
S1：采集一目标采煤机的当前位置数据和载荷数据；
S2：根据所述当前位置数据和所述载荷数据形成一三维谱图并通过一人机交互终
端进行显示；
S3：根据所述三维谱图对所述目标采煤机进行牵引系统位置载荷谱图分析和截割
系统位置载荷谱图分析，获得分析结果；
S4：将所述分析结果应用于所述目标采煤机的自动截割控制中。
优选地，所述三维谱图包括三维谱图，根据所述当前位置数据确定所述三维谱图
的坐标点的X轴坐标和Y轴坐标；根据所述载荷数据确定所述三维谱图的坐标点的Z轴坐标；
且所述三维谱图利用色图矩阵对不同数值的所述载荷数据进行区分。
优选地，所述利用色图矩阵对不同数值的所述载荷数据进行区分步骤进一步包
括：
获取所述三维谱图中各坐标点的所述Z轴坐标的最大值和最小值，并将所述最大
值和所述最小值作为所述色图矩阵的取值范围；
将所述取值范围按照固定间距分成多个取值段并将每一所述取值段对应一不同
的颜色；
将所述三维谱图中的每一所述坐标点与该所述坐标点的Z轴坐标所在的一所述取
值段所对应的颜色匹配；
在所述三维谱图中将各所述坐标点显示为各所述坐标点所匹配的颜色。
优选地，拥有较大Z轴坐标数值的所述取值段所对应的颜色比拥有较小Z轴坐标数
值的所述取值段所对应的颜色深。
优选地，所述牵引系统位置载荷谱图分析中：将所述三维谱图、所述目标采煤机的
一啮合曲线和一速度曲线进行分离归一化比较；
所述截割系统位置载荷谱图分析中：将所述目标采煤机的所述啮合曲线和一速度
曲线进行复合归一化比较。
优选地，将所述目标采煤机切割一刀煤的运行时间作为一个工作周期，所述啮合
曲线为所述目标采煤机在一个所述工作周期内，所述目标采煤机的行走轮与一销排间的机
械啮合曲线；
所述速度曲线为所述目标采煤机在一个所述工作周期内，在不同位置时的牵引速
度曲线。
优选地，所述将所述三维谱图与所述目标采煤机的一啮合曲线和一速度曲线进行
分离归一化比较进一步包括步骤：
根据所述三维谱图在一所述工作周期内的负载数据，获得一第一负载曲线；
将所述三维谱图转化为一二维谱图并显示，根据所述当前位置数据确定所述二维
谱图的坐标点的X轴坐标和Y轴坐标；根据所述载荷数据确定所述二维谱图的坐标点显示的
颜色深浅；
将所述啮合曲线在一所述工作周期内的啮合曲线无量纲化处理，并对幅值标幺
化，获得一归一化啮合曲线；
在一所述工作周期内将所述速度曲线的幅值对所述目标采煤机的一额定最大速
度进行标幺化处理，获得一归一化速度曲线；
将所述第一负载曲线与加权后的所述归一化啮合曲线进行比较处理，并进行反傅
里叶变换，获得一第二负载曲线；
将所述第二负载曲线与所述归一化速度曲线与加权后的归一化速度曲线在时域
范围内进行比较处理，获得一工况趋势性曲线；
对所述工况趋势性曲线进行时频域分析，获得所述目标采煤机的牵引电机的负载
工况信息。
优选地，根据所述当前位置数据确定所述二维谱图的坐标点的X轴坐标和Y轴坐
标；根据所述载荷数据确定所述二维谱图的坐标点显示的颜色深浅。
优选地，所述二维谱图的坐标点的所述载荷数据数值越大所显示的颜色越深。
优选地，所述将所述目标采煤机的所述啮合曲线和一速度曲线进行复合归一化比
较进一步包括步骤：
处理所述工况趋势性曲线与所述归一化速度曲线，获得一组趋势项曲线，根据所
述趋势项曲线对所述第一负载曲线进行消除趋势处理，获得一绝对负载曲线；
对所述绝对负载曲线进行频谱分析，并参照所述目标采煤机的截割系统的受力情
况，获得所述截割系统的负载工况信息。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
将采煤机位置信息和载荷信息以三维谱图的形式展示，可以有利于展示采煤机实
际工况情况，便于用户快速判断采煤机工作状态，提高用户体验。对所述目标采煤机进行牵
引系统位置载荷谱图分析用于判断牵引系统在不同位置时的工作状态及地质工况趋势性
描绘。所述目标采煤机进行截割系统位置载荷谱图分析用于判断截割系统在不同位置时的
工作状态。将该分析结果用于采煤机自动截割控制中，可作为自动截割控制时的采煤机滚
筒牵引速度、截割深度及摇臂高度控制的辅助判断依据。
附图说明
图1为本发明实施例的采煤机负载位置载荷分析方法的流程图；
图2为本发明实施例的三维谱图；
图3为本发明实施例的二维谱图；
图4为本发明实施例的人机交互终端显示三维谱图的第一显示界面；
图5为本发明实施例的人机交互终端显示二维谱图的第二显示界面。
具体实施方式
下面根据附图1～图5，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理
解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施的一种采煤机负载位置载荷分析方法，包括步骤：
S1：采集一目标采煤机的当前位置数据和载荷数据。
其中，当前位置数据为目标采煤机工作状态下的二维平面数据，其包括目标采煤
机的一行走方向位置坐标和一工作面走向方向位置坐标。载荷数据包括目标采煤机的一左
截割电机电流、一右截割电机电流、一左牵引电机电流和一右牵引电机电流。采集时可利用
目标采煤机机身安装的传感设备进行数据的获取。传感设备包括：采煤机位置传感器、采煤
机截割电机电流传感器、采煤机牵引电机电流传感器和采煤机控制系统中包含的传感器信
号采集单元。
S2：根据当前位置数据和载荷数据形成三维谱图并通过一人机交互终端进行显
示。
本实施例中，根据当前位置数据确定三维谱图的坐标点的X轴坐标和Y轴坐标；根
据载荷数据确定三维谱图坐标点的Z轴坐标。其中，行走方向位置坐标作为X轴坐标；工作面
走向方向位置坐标作为Y轴坐标；Z轴值为目标采煤机在对应位置坐标点的左截割电机、右
截割电机、左牵引电机或右牵引电机的电流值。同时，三维谱图利用色图矩阵对不同数值的
载荷数据进行区分。
利用色图矩阵对不同数值的载荷数据进行区分步骤进一步包括：
获取三维谱图中各坐标点的Z轴坐标的最大值和最小值，并将最大值和最小值作
为色图矩阵的取值范围；
将取值范围按照固定间距分成多个取值段并将每一取值段对应一不同的颜色；
将三维谱图中的每一坐标点与该坐标点的Z轴坐标所在的一取值段所对应的颜色
匹配；
在三维谱图中将各坐标点显示为各坐标点所匹配的颜色。
其中，拥有较大Z轴坐标数值的取值段所对应的颜色比拥有较小Z轴坐标数值的取
值段所对应的颜色深。
本实施例中，形成的三维谱图图形请参见图2，其呈三维瀑布图的形式显示，当前
位置数据和载荷数据集中显示在该三维谱图中。
S3：根据三维谱图对目标采煤机进行牵引系统位置载荷谱图分析和截割系统位置
载荷谱图分析，获得分析结果。
其中，牵引系统位置载荷谱图分析中：将三维谱图与目标采煤机的一啮合曲线和
一速度曲线进行分离归一化比较，用于判断牵引系统在不同位置时的工作状态及地质工况
趋势性描绘。分离归一化是指将各元素在其各自物理范围内进行归一化计算。
本实施例中，将目标采煤机切割一刀煤的运行时间作为一个工作周期，啮合曲线
为目标采煤机在一个工作周期内，目标采煤机的行走轮与一销排间的机械啮合曲线；速度
曲线为目标采煤机在一个工作周期内，在不同位置时的牵引速度曲线。
三维谱图与目标采煤机的一啮合曲线和一速度曲线进行分离归一化比较进一步
包括步骤：
根据三维谱图在一工作周期内的负载数据，获得一第一负载曲线；
将三维谱图转化为一二维谱图并显示，根据当前位置数据确定二维谱图的坐标点
的X轴坐标和Y轴坐标；根据载荷数据确定二维谱图的坐标点显示的颜色深浅；
将啮合曲线在一工作周期内的啮合曲线无量纲化处理，并对幅值标幺化，获得一
归一化啮合曲线；
在一工作周期内将速度曲线的幅值对目标采煤机的一额定最大速度进行标幺化
处理，获得一归一化速度曲线；
将第一负载曲线与加权后的归一化啮合曲线进行比较处理，并进行反傅里叶变
换，获得一第二负载曲线；
将第二负载曲线与归一化速度曲线与加权后的归一化速度曲线在时域范围内进
行比较处理，获得一工况趋势性曲线；
对工况趋势性曲线进行时频域分析，获得目标采煤机的牵引电机的负载工况信
息。
根据当前位置数据确定二维谱图的坐标点的X轴坐标和Y轴坐标；根据载荷数据确
定二维谱图坐标点显示的颜色深浅。坐标点的载荷数据数值越大所显示的颜色越深。本实
施例中，形成的二维谱图图形请参见图3。
具体地，对于三维谱图的归一化，即，将目标采煤机牵引系统位置的三维谱图二维
化显示，获得二维谱图，二维谱图仍包含三维谱图所有信息，其中载荷值由绝对值改为实际
载荷对负载电机额定电流值的百分比，最终以牵引载荷曲线的方式展现。
对于啮合曲线的归一化，即在一个工作周期内的啮合曲线无量纲化处理，并对幅
值标幺化。即周期范围内的幅值最大值作为1，其它值为实际值与该值的比值。
对于速度曲线的归一化，即在一个工作周期内将速度曲线幅值对目标采煤机额定
的最大速度进行标幺化处理：当前速度绝对值的幅值与额定最大值的比值，作为当前位置
速度值的坐标。
例如，分离归一化操作后，对一个工作周期内的第一负载曲线Flm(tn)与归一化啮
合曲线Fgm(tn)在频域进行比较处理。计算出归一化啮合曲线的主频fg及其3、5、7倍频fg3、
fg5、fg7，将傅里叶变换后的二维谱图中对应频率点fg及其3、5、7倍频处的幅值与拟合曲线
响应频率点的幅值进行加权比较处理。即，将第一负载曲线中对应频率点的幅值与加权后
的归一化啮合曲线对应点进行比较，然后对比较结果进行反傅里叶变换，得到消除机械啮
合影响的某一工作周期内第二负载曲线Flmc(tn)。
将消除啮合影响的第二负载曲线Flmc(tn)与相同周期内的归一化速度曲线Fvm
(tn)在时域范围内进行比较处理。
将第二负载曲线Flmc(tn)与加权后的归一化速度曲线α·Fvm(t)，α为加权系数，进
行比较，得到该周期范围内的工况趋势性曲线Foc(tn)。进一步的，对比较后的结果进行时
频域分析，得到目标采煤机牵引部在周期内各个坐标点的工作状态信息。
截割系统位置载荷谱图分析中：将目标采煤机的啮合曲线和一速度曲线进行复合
归一化比较，其进一步包括步骤：
处理工况趋势性曲线与归一化速度曲线，获得一组趋势项曲线，根据趋势项曲线
对第一负载曲线进行消除趋势处理，获得一绝对负载曲线；
对绝对负载曲线进行频谱分析，并参照目标采煤机的截割系统的受力情况，获得
截割系统的负载工况信息。
例如：
首先将牵引速度曲线及地质工况趋势性描述进行复合归一化比较，其中速度曲线
为目标采煤机牵引部速度曲线Fvm(tn)。工况趋势性描述为工况趋势性曲线Foc(tn)。
复合归一化比较步骤中：将工况趋势性曲线Foc(tn)和归一化速度曲线Fvm(tn)，
进行组合运算后，得到趋势项曲线Ftr(tn)；对目标采煤机在的一工作周期内的第一负载曲
线Flm(tn)进行消除趋势项操作，得到绝对负载曲线Fabs_lm(tn)，通过这些操作就完成了
一次复合归一化比较操作。
可通过如下步骤进行截割部负载工况判断：
对于某一个工作周期范围内的第一负载曲线Flm(tn)，对其进行消除趋势项后得
到的绝对负载Flm(tn)曲线，对其进行频谱分析，参照截割系统受力情况特点，得到截割系
统在不同位置时的截割部负载工况情况。
S4：将分析结果应用于目标采煤机的自动截割控制中。
分析结果可以作为自动截割控制时的关键输入数据及辅助判断依据，用于自动截
割控制中。这些分析结果包括：工况趋势性曲线Foc(tn)、牵引部工作状态信息数据、截割部
绝对负载曲线Fabs_lm(tn)；通过频谱分析得到的地质工况信息；通过时频域分析得到的目
标采煤机牵引部与刮板机啮合状态信息；采煤机牵引部及截割部负载电流、牵引速度数据
等。分析结果仅作为自动截割控制的一个关键判据，但不唯一；自动截割控制操作受此判据
影响，但不受其控制。
请参见图4和图5，本实施例中，人机交互终端显示有三维谱图的第一显示界面1，
该第一显示界面1包括一第一功能单元11、一第二功能单元12、一第三功能单元13、一第一
图像显示区14和一第一信息显示区15；三维谱图显示于第一图像显示区14内。其中，第一功
能单元11用于在触发后将啮合曲线加载至三维谱图中；第二功能单元12用于在触发后将速
度曲线加载至三维谱图中。第一信息显示区15用于显示当前分析周期内的目标采煤机负载
状态的分析结论，用于提醒用户目标采煤机可能出现的极限状态，并提供可行的建议措施。
第三功能单元13用于在触发后进在人机交互终端显示第二显示界面2。该第二显示界面2包
括一第四功能单元21、一第五功能单元22、一第六功能单元23、一第七功能单元24、一第二
图像显示区25和一第二信息显示区26；二维谱图显示于第二图像显示区25内。其中，第四功
能单元21用于在触发后进行与左牵引电机对应的左牵引系统位置载荷谱图分析；第五功能
单元22用于在触发后进行与左截割电机对应的左截割系统位置载荷谱图分析；第六功能单
元23用于在触发后进行与右牵引电机对应的右牵引系统位置载荷谱图分析；第七功能单元
24用于在触发后进行与右截割电机对应的右截割系统位置载荷谱图分析。二维谱图的上方
可同时显示当前分析周期内的对应电机的载荷曲线，其中载荷曲线用于显示实际载荷对负
载电机额定电流值的百分比。在第二显示界面2中，会自动将当前分析周期内的速度曲线、
啮合曲线叠加在与左、右牵引电机对应的牵引系统二维谱图上；会自动将当前分析周期内
的速度曲线、工况趋势性曲线叠加在与左、右截割电机对应的截割系统二维谱图上。第二信
息显示区26用于显示对应系统的载荷谱图分析结果。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上
述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本
发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。