掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)研究

（霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦，山西 洪洞041600）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)是巷道掘進(jìn)過(guò)程中重要的機(jī)械設(shè)備，其系統(tǒng)的運(yùn)行及控制直接影響到掘進(jìn)效果[1，2]。目前，掘進(jìn)機(jī)截割部位運(yùn)行速度的控制、巷道斷面成形、機(jī)身位置的監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)的監(jiān)控已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，研究掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)巷道成形具有重要意義[3-6]。

本文旨在解決巷道成形問(wèn)題，對(duì)回坡底礦井懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了力學(xué)建模計(jì)算和系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了煤巖體的識(shí)別和巷道斷面自動(dòng)成形，應(yīng)用效果良好。

1 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)需求

掘進(jìn)機(jī)是巷道掘進(jìn)過(guò)程中重要的機(jī)械設(shè)備，巷道斷面的形成依賴于掘進(jìn)機(jī)截割頭的姿態(tài)，只有掘進(jìn)機(jī)截割頭處于正常姿態(tài)時(shí)，巷道斷面才會(huì)達(dá)到要求，掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)需具備以下條件。

（1）掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭需具有煤巖體動(dòng)態(tài)感知的能力。通過(guò)掘進(jìn)頭多傳感的監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)煤巖體的區(qū)分，有利于穩(wěn)定截割電機(jī)的電流、油缸壓力以及速度等，保障自動(dòng)截割的順利進(jìn)行。

（2）掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)需具備截割頭位姿監(jiān)測(cè)的功能。實(shí)現(xiàn)截割頭位姿的檢測(cè)便于系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，有利于伸縮液壓缸、垂直液壓缸和水平液壓缸的協(xié)同運(yùn)作。

（3）掘進(jìn)機(jī)需具備斷面自動(dòng)成形的功能。當(dāng)截割頭處于正常位姿時(shí)，因?yàn)槭芰Σ痪?，截割頭位置容易出現(xiàn)偏差，造成斷面參數(shù)的偏差，因此需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行機(jī)身偏移量的測(cè)量，通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系式進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。當(dāng)機(jī)身位置符合掘進(jìn)要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)斷面成形程序，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中

截割頭的運(yùn)行速度以及液壓缸油壓等參數(shù)都基于控制算法進(jìn)行控制，以確保斷面成形的實(shí)現(xiàn)。

由此可見(jiàn)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部位進(jìn)行力學(xué)建模

分析對(duì)于巷道斷面成形具有重要意義。

1.2 截割部動(dòng)力學(xué)建模

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)需求，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，掘進(jìn)機(jī)截割部位運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1所示，圖中，連桿長(zhǎng)度分別為a1、a2、b3、0,對(duì)應(yīng)

的連桿扭矩角分別為0°、-90°、90°和0°，對(duì)應(yīng)的

偏置量分別為b2、0、a3+Δl、l4，對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度

為-32°—32°、-26°—42°、0°、0°，捷聯(lián)慣導(dǎo)坐標(biāo)系用OXYZ表示。

圖中O4代表截割部位的中心，則掘進(jìn)機(jī)機(jī)身相對(duì)截割中心的坐標(biāo)可用以下關(guān)系式表示

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割部位運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

因此可知，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在捷聯(lián)慣導(dǎo)坐標(biāo)系中相對(duì)截割中心的坐標(biāo)用以下關(guān)系式表示：

公式中，回轉(zhuǎn)臺(tái)繞坐標(biāo)X 的旋轉(zhuǎn)角度為θ1，回轉(zhuǎn)臺(tái)繞坐標(biāo)Z 的旋轉(zhuǎn)角度為θ2，截割頭伸縮量用Δl表示，值為正，截割頭的安全位置以及參數(shù)分別用a1、a2、a3、b1、b2、b3表示，具體位置如圖1所示。

利用變換法求解得到截割部的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下

由公式可知，掘進(jìn)機(jī)截割部位的位置以及速度直接受到旋轉(zhuǎn)角度θ1、θ2的影響，因此可對(duì)不同角度下掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 巷道斷面自動(dòng)成形應(yīng)用控制

回坡底礦井的巷道斷面多為矩形斷面，因此本文對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為θ1和θ2下標(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行誤差分析，其中θ1分別取值-20°、0°和20°，θ2分別取值-20°、0°和20°，角度按照從正到負(fù)的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖2所示的結(jié)果。

從圖2中可以看出，當(dāng)θ1角度為-20°時(shí)，θ2的控制誤差最大值達(dá)到0.72°，θ1角度為20°時(shí)，θ2的控制誤差最大值達(dá)到0.7°，θ1角度為0°時(shí)，θ2的控制誤差最大值達(dá)到0.68°。當(dāng)θ2角度為-20°時(shí)，θ1的控制誤差最大值達(dá)到0.74°，θ2角度為20°時(shí)，θ1的控制誤差最大值達(dá)到0.71°，θ2角度為0°時(shí)，θ1的控制誤差最大值達(dá)到0.68°；根據(jù)誤差值可以看出，當(dāng)截割壁角度的絕對(duì)值越小，控制誤差值越小，回坡底煤礦目前采用的掘進(jìn)機(jī)型號(hào)為EBZ160，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算可以得出，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角度和升降角度的誤差值小于0.8°時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精確控制，達(dá)到斷面自動(dòng)成形控制的目的。

圖2 截割部位誤差控制分析圖

圖3 斷面自動(dòng)成形控制程序流程圖

截割部運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳感器采集獲得，傳送至DSP，經(jīng)過(guò)DSP 的計(jì)算處理后傳送至DA模塊中，該模塊通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的放大實(shí)現(xiàn)了截割部的控制功能，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)和巷道的相對(duì)位置滿足截割需求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，隨后進(jìn)行斷面截割系統(tǒng)的運(yùn)行。斷面自動(dòng)控制程序：當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)用后，傳感器首先監(jiān)測(cè)到截割頭的運(yùn)行速度和液壓缸的壓力等參數(shù)，當(dāng)截割部位接近巷道邊界時(shí)，截割臂的擺幅以及速度降低，控制系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的空間位置，根據(jù)礦井掘進(jìn)需求，系統(tǒng)計(jì)算出合適的擺動(dòng)角度，通過(guò)合理控制液壓缸的位移，實(shí)現(xiàn)截割臂擺幅的控制，從而實(shí)現(xiàn)了斷面自動(dòng)成形的控制功能。根據(jù)上述討論，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角度和升降角度的誤差值小于0.8°時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)截割臂精確控制，礦井可根據(jù)掘進(jìn)巖層強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

圖4為巷道斷面自動(dòng)成形控制系統(tǒng)應(yīng)用效果圖?？梢钥闯?，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了斷面自動(dòng)成形的目的。實(shí)際截割軌跡呈現(xiàn)多波形，這是因?yàn)橄锏绹鷰r強(qiáng)度不一致導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中受力不穩(wěn)定造成，這一現(xiàn)象在巷道拐角處更為明顯，但截割誤差較小，已經(jīng)滿足巷道掘進(jìn)的要求，證明了斷面自動(dòng)成形控制程序的可行性。

圖4 巷道斷面自動(dòng)成形控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

3 結(jié)論

（1）通過(guò)截割部動(dòng)力學(xué)建模，得到掘進(jìn)機(jī)截割部位的位置以及速度直接受到旋轉(zhuǎn)角度為θ1和θ2的影響。

（2）巷道斷面自動(dòng)成形程序顯示，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角度和升降角度的誤差值小于0.8°時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精確控制，達(dá)到斷面自動(dòng)成形控制的目的。

（3）巷道斷面自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了巷道斷面自動(dòng)成形控制的目的，滿足巷道掘進(jìn)的要求。