掘進機搖臂智能控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

周小銅

（太原煤氣化（集團）有限責任公司爐峪口煤礦， 山西 太原 030203）

引言

隨著綜采技術(shù)的不斷提高，煤礦井下掘進機截割效率和截割穩(wěn)定性成為了限制綜采效率進一步提升的瓶頸。掘進機在截割作業(yè)過程中依靠人工控制搖臂上截割機構(gòu)的截割狀態(tài)，同時根據(jù)經(jīng)驗判斷掘進機的進給作業(yè)速度，由于井下能見度較低，工人在長時間進機工作后極易出現(xiàn)判斷失誤，影響掘進作業(yè)的質(zhì)量，而且還極易出現(xiàn)截割機構(gòu)的觸頂損壞事故、截割成型質(zhì)量差等，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全和效率均造成了較大的影響[1]。因此，本文研究一種新的掘進機截割機構(gòu)自動控制系統(tǒng)。

1 掘進機搖臂智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有掘進機搖臂控制系統(tǒng)所存在的缺陷，本文提出了一種新的掘進機搖臂智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用了上位機和下位機聯(lián)動通信控制模式，實現(xiàn)了對掘進機截割作業(yè)的智能控制，該掘進機搖臂智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

該掘進機搖臂控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)測模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊，監(jiān)測模塊主要包括系統(tǒng)內(nèi)的各類位移傳感器、電流傳感器、速度傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等，用于對掘進機掘進作業(yè)過程中搖臂偏轉(zhuǎn)角度、執(zhí)行油缸伸縮量、驅(qū)動電機工作電流、截割滾筒的截割轉(zhuǎn)速等進行實時監(jiān)測，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)所設(shè)定的截割機構(gòu)空間位置與回轉(zhuǎn)角度、油缸伸縮量，驅(qū)動電機電流與截割阻力等之間的關(guān)系[3]計算出掘進機搖臂截割作業(yè)時的截割路徑、截割阻力，根據(jù)截割路徑判斷掘進機的巷道截割質(zhì)量是否滿足系統(tǒng)的預(yù)設(shè)要求，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果和實際測量結(jié)果不斷地對截割路徑進行修正，從而確保巷道的截割質(zhì)量。通過對截割阻力的判斷，系統(tǒng)自動對掘進機的截割轉(zhuǎn)速和進給速度進行調(diào)整，在確保截割穩(wěn)定性的情況下提升巷道的掘進速度。該智能控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點還在于具有記憶截割功能，可以滿足在較復(fù)雜地形條件下的截割作業(yè)需求，降低人工工作量，提高掘進作業(yè)的質(zhì)量和效率。

圖1 掘進機搖臂截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 掘進機搖臂智能截割控制邏輯

該掘進機搖臂控制系統(tǒng)利用液壓機構(gòu)驅(qū)動控制搖臂升降和回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行油缸來實現(xiàn)對掘進機搖臂工作狀態(tài)的控制，當掘進機的搖臂執(zhí)行自主智能控制截割時，重點是對掘進過程中搖臂回轉(zhuǎn)時機、回轉(zhuǎn)角度、搖臂的升降高度、流量控制等進行調(diào)整，最終實現(xiàn)對搖臂掘進機構(gòu)截割路徑的精確控制，滿足巷道掘進質(zhì)量要求，該自動截割控制邏輯如下頁圖2 所示[4]。

圖2 掘進機自動截割控制邏輯示意圖

在該自動截割控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯，判斷出截割機構(gòu)接下來的運行軌跡后，將搖臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)、搖臂升降機構(gòu)、流量情況等數(shù)據(jù)信息通過比例放大器轉(zhuǎn)換為控制電信號，實現(xiàn)對各控制數(shù)據(jù)量的實時控制，同時當監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測結(jié)果反饋給控制中心后，控制中心自動對各監(jiān)測參數(shù)的偏差情況進行計算，并輸出模擬量調(diào)節(jié)信號，經(jīng)過比例放大后實現(xiàn)對控制機構(gòu)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，滿足在不同情況下的動態(tài)調(diào)節(jié)控制要求，根據(jù)實際測算，采用該控制邏輯后對巷道截割精度小于10 mm，比優(yōu)化前的90 mm 的掘進精度有了顯著的提升。

3 搖臂智能控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

為了對該搖臂控制系統(tǒng)作用下，掘進機截割機構(gòu)的截割性能進行分析，本文建立了掘進機搖臂智能控制系統(tǒng)模擬實驗平臺[5]，對掘進機搖臂在智能截割控制模式和傳統(tǒng)人工截割控制模式下的效果進行分析，將巷道成型精度、掘進機的掘進截割效率進行對比分析，掘進作業(yè)時的巷道寬度為5 500 mm，高度為6 300 mm，巷道界面為近似拱形截面。

由實際對比分析可知，采用人工調(diào)節(jié)控制模式下，人工的每一次調(diào)節(jié)均會對掘進機截割機構(gòu)的截割路徑產(chǎn)生較大的影響，使其出現(xiàn)明顯的偏離和波動，當采用智能截割控制模式時，掘進機的截割機構(gòu)基本上是沿著設(shè)定的拋物線的截割軌跡進行截割作業(yè)，整個截割作業(yè)過程中表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。同時根據(jù)對完成一次截割作業(yè)所需時間對比，人工截割控制耗時約25 min，采用智能控制截割時，時間約為14.6 min，比優(yōu)化前降低了41.6%，極大地提升了巷道掘進質(zhì)量和效率。

4 結(jié)論

1）新的掘進機搖臂智能控制系統(tǒng)，采用了上位機和下位機聯(lián)動通信控制模式，分為監(jiān)測模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊；

2）新的控制系統(tǒng)，能夠?qū)⑾锏莱尚途扔勺畛醯?0 mm，提升到10 mm，顯著提升巷道成型精度；

3）采用新的控制系統(tǒng)，巷道截割作業(yè)過程中穩(wěn)定性高，巷道成型質(zhì)量好，而且成型時間比人工控制提升了41.6%。