不同傾角巷道下掘進(jìn)機(jī)的防滑控制方法探索

胡玉峰

（晉城宏圣建筑工程有限公司，山西晉城 048006）

0 引言

履帶型機(jī)構(gòu)行走由于具有獨(dú)特的構(gòu)成及較強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境的能力，能夠在軍事及礦業(yè)等復(fù)雜底板環(huán)境下廣泛采用。該設(shè)備是礦業(yè)行業(yè)中重要的行走設(shè)備，在工作面路況復(fù)雜的情況下行駛履帶速度會(huì)受輪轉(zhuǎn)矩的變化而改變，其轉(zhuǎn)矩加大，履帶的速度也隨之提高，可底板產(chǎn)生的剪切力不能超過(guò)最大范圍，如果轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大值，就會(huì)出現(xiàn)履帶打滑，對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作行走的功能造成直接影響，降低巷道掘進(jìn)工作質(zhì)量。為了保證掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定可靠的動(dòng)力性，就要有效控制履帶打滑的問(wèn)題。

BEKKER設(shè)計(jì)了確定履帶型車(chē)輛有關(guān)剪切的應(yīng)力及位移的關(guān)系方法，WONG設(shè)計(jì)了各種情況下履帶底板壓力原理研究及打滑現(xiàn)象分析。有研究人員對(duì)采煤機(jī)連續(xù)履帶機(jī)構(gòu)行走動(dòng)力學(xué)原理展開(kāi)研究，并重點(diǎn)研究了驅(qū)動(dòng)履帶動(dòng)力與打滑相互間的關(guān)系。本文對(duì)非水平環(huán)境下掘進(jìn)機(jī)行駛打滑的情況做了深入研究，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)底板的行駛力學(xué)分析，將各種計(jì)算剪切的應(yīng)力辦法結(jié)合起來(lái)，可以得到各種路況下掘進(jìn)機(jī)打滑率與牽引力之間相互作用的關(guān)系，根據(jù)對(duì)傾斜的巷道內(nèi)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力學(xué)研究，設(shè)計(jì)提出防滑安全控制功能系統(tǒng)，以達(dá)到防滑的控制效果，同時(shí)進(jìn)行了模擬仿真效果分析。

1 掘進(jìn)機(jī)行駛底板特性分析

掘進(jìn)機(jī)在行駛中，應(yīng)用履帶式驅(qū)動(dòng)輪相對(duì)驅(qū)動(dòng)底板進(jìn)行剪切性運(yùn)動(dòng)[1]，同時(shí)對(duì)底板生成后作用力，致使底板出現(xiàn)剪切性變形，以達(dá)到給掘進(jìn)機(jī)提供行駛動(dòng)力的作用。底板所表現(xiàn)出剪切的應(yīng)力及位移之間關(guān)系影響履帶掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)力大小，其剪切的應(yīng)力與位移之間相互作用的關(guān)系包括以下方面：

（1）針對(duì)HANAMATO與JANOSI設(shè)計(jì)提出對(duì)大多數(shù)干沙擾動(dòng)的土壤；

（2）針對(duì)凍雪、淤沙、緊沙等土壤特征；

（3）根據(jù)試驗(yàn)得到高含水量海泥模擬剪切的應(yīng)力及位移關(guān)系。

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作行駛的基本特點(diǎn)，履帶導(dǎo)致底板發(fā)生位移，隨之產(chǎn)生剪切的應(yīng)力。掘進(jìn)機(jī)由于不能將履帶進(jìn)行拉伸，履帶同接觸地面每一點(diǎn)上打滑的速度是一致的，接地段剪切各點(diǎn)位移則表現(xiàn)出線性增長(zhǎng)[2]。

掘進(jìn)機(jī)打滑率及牽引力計(jì)算的前提條件是：掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)接地時(shí)產(chǎn)生壓力隨底板向周?chē)鷶U(kuò)散，履帶齒垂直兩側(cè)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力無(wú)需計(jì)入。把底板相關(guān)參數(shù)按公式代入，可以求得底板在此種情況下實(shí)現(xiàn)安全行駛需要的打滑率。

2 掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力分析

（1）掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行阻力

因?yàn)橄锏赖刭|(zhì)的復(fù)雜性，巷道底板會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)存水現(xiàn)象，所以，泥濘的道路情況在巷道中較為常見(jiàn)，因?yàn)橄锏赖装逅绍浀脑?，其掘進(jìn)機(jī)行駛在表面上會(huì)發(fā)生沉陷現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生壓實(shí)阻力和推土阻力。本文建立巷道底板不同情況掘進(jìn)機(jī)沉陷和壓力關(guān)系，從而可計(jì)算掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中的推土阻力和壓實(shí)阻力[3]。

（2）轉(zhuǎn)向阻力

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作而言，掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)要不斷進(jìn)行調(diào)整姿態(tài)，所以，掘進(jìn)機(jī)要不斷左右轉(zhuǎn)向從而達(dá)到調(diào)整姿態(tài)的目的。掘進(jìn)機(jī)左右轉(zhuǎn)向過(guò)程里會(huì)產(chǎn)生阻力，其轉(zhuǎn)向阻力分析如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)受力的分析

為了簡(jiǎn)化其計(jì)算過(guò)程，首先要假設(shè)掘進(jìn)機(jī)履帶橫向的阻力在履帶上是平均進(jìn)行分配的，這只適合非黏性的土壤巷道，但是因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)工作行駛的巷道復(fù)雜，只有底板路況好的時(shí)候才能進(jìn)行這一簡(jiǎn)化，掘進(jìn)機(jī)在巷道轉(zhuǎn)彎的過(guò)程里，履帶的末端比其他履帶的部位受到路面擠壓的作用力要大，產(chǎn)生分解出的橫向力也很大，離掘進(jìn)機(jī)重心越近其受到的作用力就越小，所以，掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)向分解阻力顯現(xiàn)三角形受力分布[4]。因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行速度慢，所以，向心力為0，因此計(jì)算時(shí)向心力可以定為0。

（3）動(dòng)力模型

因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作面的井下巷道一般是不水平的巷道，其巷道不水平的傾斜形式有側(cè)向進(jìn)行傾斜的巷道、向下進(jìn)行傾斜的巷道、向上進(jìn)行傾斜的巷道?，F(xiàn)在以向上進(jìn)行傾斜的巷道作為分析對(duì)象，首先設(shè)定巷道的傾斜角是β 為前提，建立動(dòng)力模型。在模型中掘進(jìn)機(jī)自身重量受力分析為：垂直作用于巷道的力Fx，平行巷道的力Fy，因?yàn)橄锏来嬖诘膬A角造成掘進(jìn)機(jī)受Fy作用[5]，是其法向壓力點(diǎn)向掘進(jìn)機(jī)后部發(fā)生偏移，這就造成掘進(jìn)機(jī)向下分力與掘進(jìn)機(jī)自身中心不重合，而且傾斜巷道會(huì)使縱向Fy隨時(shí)指向不同的方向，從而造成掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中機(jī)體前后負(fù)荷發(fā)生變化，所以，將掘進(jìn)機(jī)左右履帶和地面法向力集中在縱向軸加以考慮。

3 掘進(jìn)機(jī)行走液壓系統(tǒng)建模

掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)的履帶能夠?qū)崿F(xiàn)行走運(yùn)轉(zhuǎn)，是通過(guò)兩套相同的液控馬達(dá)達(dá)到的，這一系統(tǒng)是由馬達(dá)、電液控制比例閥組、定量液壓泵組成，系統(tǒng)通過(guò)電液控制比例閥進(jìn)行馬達(dá)的流量控制，最終實(shí)現(xiàn)控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)轉(zhuǎn)的速度控制，達(dá)到控制掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)向、后退、前進(jìn)的動(dòng)作。根據(jù)液壓系統(tǒng)中的負(fù)載馬達(dá)平衡方程、馬達(dá)液壓流量方程、電液控制比例閥流量負(fù)載方程、電液控制比例閥位移閥芯和電壓方程，可以獲得電液控制比例閥輸入的電壓信號(hào)，以及履帶角速度和轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)[6]?？赏ㄟ^(guò)對(duì)電液控制比例閥輸入的電壓進(jìn)行控制，來(lái)達(dá)到調(diào)整履帶行走輪轉(zhuǎn)矩的目的，最終達(dá)到控制掘進(jìn)機(jī)行走防滑。

上述模型對(duì)馬達(dá)進(jìn)行假設(shè)：掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)全部的管道內(nèi)徑粗而且短，忽視液壓管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦，忽視液壓管道的流動(dòng)影響與流體流動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)量的效應(yīng)，馬達(dá)彈性與油溫設(shè)定常數(shù)，馬達(dá)內(nèi)外的泄漏形式為流動(dòng)的層流，馬達(dá)供油的壓力是常數(shù)，液壓油是存在可壓縮的特性。

4 掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性和系統(tǒng)控制的非線性，以往的PID系統(tǒng)控制不能滿足路況環(huán)境相對(duì)復(fù)雜而防止掘進(jìn)機(jī)發(fā)生打滑的控制。網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)能夠隨意達(dá)到非線性能力，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)達(dá)到PID 最佳的控制，最終完成掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜環(huán)境的防滑實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整[7]。

（1）系統(tǒng)控制

掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)液壓里，進(jìn)行控制其運(yùn)行速度的是比例閥元件，馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度是由編碼器將馬達(dá)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并及時(shí)傳輸于系統(tǒng)控制電腦，電腦據(jù)此能夠計(jì)算出履帶打滑率和行駛速度，同時(shí)計(jì)算結(jié)果和輸入值進(jìn)行比較，通過(guò)比較出的偏差值進(jìn)行轉(zhuǎn)換為比例閥控制信號(hào)電流，最終確保履帶發(fā)生打滑與馬達(dá)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。為了保證掘進(jìn)機(jī)能夠正常運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)PID系統(tǒng)控制的掘進(jìn)機(jī)如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)PID系統(tǒng)控制圖

掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)控制中，其控制的主要目的是打滑率，控制的形式是控制掘進(jìn)機(jī)行走液壓比例閥控制電流，掘進(jìn)機(jī)打滑率偏差根據(jù)計(jì)數(shù)器和編碼器所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得出，PID控制過(guò)程的微分、積分、比例參數(shù)，分別由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算獲得[8]。

（2）控制器設(shè)計(jì)

為了達(dá)到控制反應(yīng)速度和精度，選擇BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。

PID在BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)算，其速度是影響B(tài)P 性能與速度的主要數(shù)據(jù)，其學(xué)習(xí)速率自動(dòng)適應(yīng)能力的調(diào)整，能夠確保系統(tǒng)性能最佳。

5 結(jié)束語(yǔ)

懸臂掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜底板上行走，其安全防滑的穩(wěn)定及可靠性非常重要，通過(guò)對(duì)巷道工作面底板的獨(dú)特性進(jìn)行分析，得出各種狀況下掘進(jìn)機(jī)的履帶牽引力同打滑率的運(yùn)算函數(shù)。通過(guò)掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境和受力分析，從而獲得掘進(jìn)機(jī)在不同的路況下打滑和牽引力之間的關(guān)系，并且同時(shí)建立模型、建立PID掘進(jìn)機(jī)防滑系統(tǒng)控制。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，掘進(jìn)機(jī)在不同的路況下，其防滑的系統(tǒng)控制能夠使其適應(yīng)路況，能夠及時(shí)、快速地根據(jù)路況進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而保證其行駛正常。