懸臂式掘進(jìn)機(jī)巷道斷面自動成形方案研究與應(yīng)用

邢勇鋒

（西山煤電集團(tuán)，山西 太原030053）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下綜掘工作面重要的采煤設(shè)備，集機(jī)械、液壓、電氣以及通信技術(shù)于一體，具備截割、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)以及履帶式行走功能，具有掘進(jìn)效率高、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)自動截割是指通過智能工作面板，設(shè)置并輸入掘進(jìn)機(jī)截割參數(shù)、巷道邊界參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)截割頭即可按照預(yù)定參數(shù)和程序自動控制截割臂的回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸，進(jìn)而控制截割頭在巷道中的空間位置和截割軌跡，自動截割出滿足設(shè)計(jì)期望的巷道斷面。整個(gè)截割過程經(jīng)人工設(shè)定參數(shù)后，由掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)自動完成[1-2]。掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)不但可降低工人勞動強(qiáng)度，改善工人勞動環(huán)境，而且可提升綜掘工作面的智能化水平。圍繞掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者展開一系列的研究，如針對矩形、梯形以及拱形道斷面巷，建立數(shù)學(xué)模型，并利用仿真軟件完成各巷道斷面成形的模擬仿真[3]；建立智能截割運(yùn)動學(xué)模型，進(jìn)行三維動態(tài)仿真并驗(yàn)證所建模型的正確性[4]；利用高精度位移傳感器以及PLC控制器實(shí)現(xiàn)截割頭軌跡精確控制，并在EBH360型掘進(jìn)機(jī)完成工業(yè)試驗(yàn)[5]。研究巷道斷面輪廓成形、自動截割以及自動刷幫問題，以解決綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)自動截割系統(tǒng)存在的控制精度低、成形巷道邊界粗糙度大的問題。

1 掘進(jìn)機(jī)智能截割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割系統(tǒng)控制方案見圖1所示，由檢測單元、控制單元以及執(zhí)行單元三部分組成。檢測單元中的回轉(zhuǎn)油缸位移傳感器、升降油缸位移傳感器用于檢測各油缸位移；截割電機(jī)電流傳感器用于檢測截割電機(jī)電流，為控制單元的控制方案提供理論依據(jù)。控制單元由PCC、比例放大板、智能工控面板、遙控器、操作手柄等組成，為該系統(tǒng)的核心部分，通過智能工控面板控制自動截割模塊、自動刷幫模塊，使得掘進(jìn)機(jī)截割頭按照控制方案智能運(yùn)行。執(zhí)行單元由負(fù)載敏感多路比例換向閥組驅(qū)動回轉(zhuǎn)油缸以及升降油缸，直接控制截割頭在水平以及垂直方向運(yùn)動。

圖1 掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 巷道斷面自動成形方案設(shè)計(jì)

2.1 巷道斷面輪廓成形

巷道斷面輪廓成形是指掘進(jìn)機(jī)截割頭做截割運(yùn)動時(shí)，所有邊界坐標(biāo)點(diǎn)的集合形成矩形、拱形、梯形等巷道斷面。為保證形成的巷道斷面的控制精度，采用曲線擬合算法將不同的巷道邊界特征點(diǎn)進(jìn)行擬合，形成精確的巷道斷面邊界，選取的特征點(diǎn)越密集，形成巷道斷面邊界越精確[6-7]。

2.2 自動截割控制方法

懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，PCC通過控制回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸使得掘進(jìn)機(jī)截割頭在水平、垂直方向運(yùn)動。PCC通過傳感器數(shù)據(jù)以及設(shè)定的巷道斷面數(shù)據(jù)精確控制截割頭水平、垂直運(yùn)動軌跡，形成期望的巷道斷面。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)巷道斷面自動截割控制框圖見圖2所示。PCC控制系統(tǒng)以20 ms的頻率采集位于油缸內(nèi)的位移傳感器數(shù)據(jù)，并與設(shè)定的巷道斷面截割輪廓水平邊界以及垂直邊界位置點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果控制油缸控制信號的啟動/關(guān)閉并設(shè)置油缸閥口流量。油缸控制信號經(jīng)比例放大板后作用于負(fù)載敏感式多路比例換向閥組，完成對油缸本體的控制。以懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭初始位置位于巷道斷面左下方為例說明自動截割流程：PCC控制系統(tǒng)采集回轉(zhuǎn)油缸傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算截割頭當(dāng)前位置坐標(biāo)為J（x，y），與巷道斷面截割輪廓水平邊界位置坐標(biāo)L（x，y）進(jìn)行比較，根據(jù)截割頭距離水平邊界的距離dl，設(shè)定回轉(zhuǎn)油缸閥口流量，即控制截割頭水平運(yùn)動的速度v，dl的大小與截割頭運(yùn)行速度v為正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)截割頭實(shí)時(shí)坐標(biāo)J（x，y）的水平值Jx與Lx相等時(shí)，PCC控制系統(tǒng)開啟升降油缸并設(shè)定閥口流量，控制截割臂升降油缸動作將截割頭垂直向上抬升一個(gè)步距S。計(jì)算截割頭坐標(biāo)Jnew（x，y），與巷道斷面截割輪廓垂直邊界坐標(biāo)進(jìn)行比較，若截割頭更新位置后坐標(biāo)Jnew（x，y）位于巷道斷面邊界，則PCC控制系統(tǒng)控制截割頭做水平截割運(yùn)動。PCC控制系統(tǒng)通過采集回轉(zhuǎn)、升降油缸傳感器數(shù)據(jù)，確定截割頭實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，與巷道斷面邊界進(jìn)行比較，進(jìn)而控制截割頭在邊界內(nèi)做類S曲線往復(fù)運(yùn)動，如圖3所示。

圖2 巷道斷面自動截割成制框圖

懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制流程見圖4所示。智能截割開始時(shí)，將截割頭的初始位置置于巷道底邊的左邊界，參考圖3中位置1所示。PCC控制系統(tǒng)啟動回轉(zhuǎn)油缸，使截割頭水平向右運(yùn)動，當(dāng)截割頭運(yùn)動至當(dāng)前高度的右邊界時(shí)，根據(jù)截割頭坐標(biāo)J（x，y）判斷是否達(dá)到煤層頂部。如果達(dá)到煤層頂部，則控制截割頭返回起點(diǎn)。如果沒有達(dá)到煤層頂部，則同時(shí)啟動回轉(zhuǎn)、升降油缸，控制截割頭到達(dá)當(dāng)前高度+步距S對應(yīng)的右邊界；然后驅(qū)動截割頭在當(dāng)前高度沿水平方向向左運(yùn)動并達(dá)到左邊界。繼續(xù)判斷當(dāng)前位置是否到達(dá)煤層頂部，如果沒有，則同時(shí)開啟回轉(zhuǎn)、升降油缸控制截割頭升至當(dāng)前高度+步距對應(yīng)的左邊界，繼續(xù)控制截割頭水平向右運(yùn)動，直至截割頭到達(dá)煤層頂部后返回起點(diǎn)1。

圖3 自動截割類S路徑示意圖

圖4 自動截割控制流程

2.3 自動刷幫控制

掘進(jìn)機(jī)截割巷道斷面時(shí)，垂直方向提升距離為步距S，截割頭直徑為D。若S＜D，則形成巷道斷面的平整性好，控制精度高，但截割步驟較多，影響截割效率；若S≥D，則形成巷道斷面平整性較差，粗糙度嚴(yán)重，控制精度低，但截割步驟較少，在一定程度上可提高截割效率[8]。巷道斷面邊界誤差a與步距S、直徑D的關(guān)系可表示為（1）：

其中R為截割頭半徑且有關(guān)系式D=2R。根據(jù)式（1）可知，若滿足巷道截割斷面邊界誤差≤10 cm，則自動截割時(shí)步距S需小于529 mm。以截割頭有A點(diǎn)到B點(diǎn)自動刷幫控制為例進(jìn)行說明，如圖3所示，計(jì)算B點(diǎn)對應(yīng)的升降油缸的伸長量，啟動升降油缸，并控制其伸長量達(dá)到計(jì)算出的目標(biāo)值，然后關(guān)閉升降油缸。同時(shí)，計(jì)算A點(diǎn)的回轉(zhuǎn)油缸伸長量并開啟回轉(zhuǎn)油缸，控制截割頭垂直向下運(yùn)動；為保證截割頭不偏離巷道斷面邊界，每隔500 ms采集回轉(zhuǎn)油缸伸長量，保證該值在設(shè)定誤差范圍之內(nèi)，保持截割頭在水平方向移動。PCC系統(tǒng)控制截割頭由A點(diǎn)到B點(diǎn)做向下垂直運(yùn)動，進(jìn)行自動刷幫過程，改善成形的巷道斷面粗糙度。

3 應(yīng)用情況

將設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)在西山煤電集團(tuán)屯蘭煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于EBZ160型掘進(jìn)機(jī)，綜掘工作面巷道寬3.2 m，高3 m，為拱形巷道。通過智能工控面板輸入EBZ160型掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)以及巷道邊界參數(shù)，設(shè)定自動截割步距S為500 mm。按下自動截割啟動按鈕后，掘進(jìn)機(jī)截割頭開始從巷道斷面左下方開始沿類S曲線自動截割，截割頭運(yùn)行至巷道斷面右邊界后，由升降油缸控制截割頭向垂直方向行進(jìn)500 mm后，向左水平運(yùn)動。巷道斷面成形后，啟動自動刷幫控制模式對成形的巷道斷面的左、右以及拱形頂部邊界進(jìn)行自動刷幫，保證巷道斷面的粗糙度。

4 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)在西山煤電集團(tuán)屯蘭煤礦的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，該自動截割控制系統(tǒng)能夠精確控制截割頭在設(shè)定的斷面巷道邊界內(nèi)完成類S路徑控制以及自動刷幫控制，形成粗糙面較好的巷道斷面，杜絕超挖、欠挖現(xiàn)象。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果還驗(yàn)證了PCC控制技術(shù)以及傳感器技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)中具有廣泛的適用性，解決了掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)從手動控制向自動控制的轉(zhuǎn)變，提高了掘進(jìn)機(jī)智能化水平，對綜掘工作面的少人化、無人化以及機(jī)器人化的發(fā)展具有較大的借鑒意義。