煤礦掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)的研究

秦會軍

（山西省晉城市無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司成莊礦安檢部， 山西 晉城 048021）

引言

在掘進(jìn)作業(yè)過程中，采用人工控制掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)路徑規(guī)劃、進(jìn)給量均通過人工目視判斷，受井下高塵、低能見度狀況的影響，在掘進(jìn)作業(yè)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)路徑偏位、截割機(jī)構(gòu)觸頂?shù)犬惓＃粌H導(dǎo)致巷道掘進(jìn)質(zhì)量較差而且導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截齒斷裂、截割機(jī)構(gòu)損壞等，嚴(yán)重影響煤礦井下的綜采作業(yè)效率和作業(yè)安全[1]。解決上述問題的關(guān)鍵在于對掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中的位置狀態(tài)進(jìn)行精確判斷和調(diào)整，因此本文提出了以視頻監(jiān)控為核心的掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)，采用井下防爆視頻監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)對截割機(jī)構(gòu)截割路徑的跟蹤，利用控制機(jī)構(gòu)對截割軌跡進(jìn)行修正，滿足精確定位的控制需求。

1 智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，煤礦掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)主要包括設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的視覺測量、捷聯(lián)慣導(dǎo)等傳感器設(shè)備[2]，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中的姿態(tài)和截割路徑的實時監(jiān)測，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)和RS485通訊協(xié)議[3]將監(jiān)測結(jié)果傳遞到智能控制中心，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)截割路徑準(zhǔn)確度的判斷，根據(jù)對截割路徑的判定結(jié)果實現(xiàn)對截割路徑軌跡的顯示，當(dāng)出現(xiàn)軌跡超標(biāo)時系統(tǒng)將自動發(fā)出報警提示信號，同時自動計算偏位量，根據(jù)偏位量和采煤機(jī)的空間姿態(tài)，給出掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的修正量信號，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)路徑的自動修正，確保掘進(jìn)截割路徑的精確性。

2 截割控制機(jī)構(gòu)顯示界面

由于該智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)中，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上設(shè)置了多組位置傳感器設(shè)備，對掘進(jìn)機(jī)運行過程中的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同一時間段內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)增多。為了提高操作人員的操控便捷性，該掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)最顯著的一個提升點在于設(shè)計了專門的智能化顯示平臺，其顯示界面如圖2所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 智能控制監(jiān)控界面

該監(jiān)控界面分為四個區(qū)域[4]，第1顯示區(qū)為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)動態(tài)顯示區(qū)域，在該區(qū)域能夠以動態(tài)的形式對掘進(jìn)機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行顯示，同時能夠精確的顯示出掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過程中掘進(jìn)機(jī)構(gòu)和前側(cè)、兩側(cè)煤壁的距離，以及掘進(jìn)機(jī)懸臂的偏角。在第2顯示區(qū)域則為當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的截割路徑，能夠?qū)崟r顯現(xiàn)出掘進(jìn)機(jī)構(gòu)的實時路徑和理論路徑的偏位量，便于直觀的觀察巷道的掘進(jìn)質(zhì)量。在第3顯示區(qū)域則能夠以圖形化的形式將掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過程中的掘進(jìn)姿態(tài)角顯示出來，便于觀察掘進(jìn)機(jī)截割結(jié)構(gòu)在垂直方向上的偏位角度情況。在第4顯示區(qū)域，主要是對掘進(jìn)機(jī)截割頭是否超挖進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)超挖或者欠挖時，系統(tǒng)自動進(jìn)行報警，提醒控制人員對掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

3 智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

本文以EBZ180懸臂式掘進(jìn)機(jī)[5]為驗證對象，對其控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，建立了以智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)為核心的掘進(jìn)機(jī)控制機(jī)構(gòu)，分別對截割機(jī)構(gòu)截割過程中的回轉(zhuǎn)角變化情況和姿態(tài)角變化情況進(jìn)行檢測，回轉(zhuǎn)角變化情況如圖3所示。

圖3 截割機(jī)構(gòu)截割過程中的回轉(zhuǎn)角變化情況

在對截割過程中回轉(zhuǎn)角變化情況進(jìn)行監(jiān)測時，利用防爆相機(jī)每隔0.1 s進(jìn)行一次姿態(tài)位置的監(jiān)控（也就是每隔0.1 s對回轉(zhuǎn)角拍一次照片，然后解讀照片上的角度，所以圖1中橫軸為圖片序號），然后將截割機(jī)構(gòu)保持垂直固定，控制掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)從左側(cè)向右側(cè)偏移。根據(jù)實際驗證結(jié)果表明，在掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角變化均勻且平穩(wěn)，其在移動過程中的變化近似一種線性變化曲線，表明該控制機(jī)構(gòu)對截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度控制的穩(wěn)定性。

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中機(jī)身的姿態(tài)變化曲線如圖4所示。在進(jìn)行測試過程中為了最大限度的模擬井下截割作業(yè)過程的實際情況，采用將捷聯(lián)慣導(dǎo)直接固定到機(jī)身上，對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過程中的橫滾角進(jìn)行監(jiān)測，通過橫滾角的變化情況來反映出掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的變化情況。

由實際監(jiān)測結(jié)果可知，在智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中的橫滾角變化在±0.2°以內(nèi)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)控制方案下的橫滾角變化情況，能夠極大的提升掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。

圖4 截割機(jī)構(gòu)截割過程中的姿態(tài)

4 結(jié)論

1）該智能控制機(jī)構(gòu)主要包括設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的視覺測量、捷聯(lián)慣導(dǎo)等傳感器設(shè)備，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中的姿態(tài)和截割路徑的實時監(jiān)測，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好的優(yōu)點；

2）掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角變化均勻且平穩(wěn)，其在移動過程中的變化近似一種線性變化曲線，表明了該控制機(jī)構(gòu)對截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度控制的穩(wěn)定性；

3）在智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中的橫滾角變化在±0.2°以內(nèi)，能夠確保升掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。