祁世龍
(陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開元礦業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 壽陽(yáng) 045400)
掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的核心,其工作的穩(wěn)定性和效率直接決定了井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜,因此掘進(jìn)機(jī)在井下的定位精度差,掘進(jìn)作業(yè)時(shí)需要根據(jù)井下實(shí)際情況人工進(jìn)行不間斷控制巷道掘進(jìn),嚴(yán)重依賴于人工經(jīng)驗(yàn)和操控熟練程度,傳統(tǒng)的記憶截割控制方案僅能適應(yīng)井下較為簡(jiǎn)單的地質(zhì)環(huán)境下的掘進(jìn)作業(yè),嚴(yán)重限制了井下巷道掘進(jìn)效率。
結(jié)合井下巷道掘進(jìn)工藝流程和實(shí)際需求,本文提出了一種新的礦用掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)智能掘進(jìn)控制方案,從提高掘進(jìn)機(jī)井下定位精度和智能截割效果出發(fā),通過(guò)采用慣性導(dǎo)航+液壓推移式組合定位方案,對(duì)掘進(jìn)機(jī)在井下截割作業(yè)過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行定位和修正。通過(guò)采用智能定向截割+自適應(yīng)截割的控制方案實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)在不同地形條件下的智能掘進(jìn)控制,其截割精度達(dá)到了±20 mm,井下定位精度提高到了±15 mm,極大地提升了井下巷道掘進(jìn)效率和精度,具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。
煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜,信息傳遞將會(huì)受到較大的限制,目前應(yīng)用較多的主要是利用慣性導(dǎo)航定位方案,定位方式比較單一,定位精度約為±100 mm,難以滿足精確定位的需求。通過(guò)對(duì)井下巷道掘進(jìn)、掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行精度的分析,若要滿足掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割時(shí)的安全性需求,其定位精度不能大于±50 mm。因此在經(jīng)過(guò)對(duì)多種定位方案的精確分析后,最終確定了一種新的組合式的智能定向技術(shù),該技術(shù)主要包括了慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)以及液壓推移式智能定位技術(shù),具有定位精度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。
慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)是將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)[1]、執(zhí)行油缸行程控制及數(shù)字全站儀綜合起來(lái),對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的井下位置、截割角度信息進(jìn)行綜合收集,將其傳輸?shù)綌?shù)字解算平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行分析,輸出分析結(jié)果,然后將其與全站儀獲取的井下行程數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析,從而快速確定掘進(jìn)機(jī)井下位置的一種方案,具有數(shù)據(jù)分析精度高的優(yōu)點(diǎn),但數(shù)據(jù)分析速度相對(duì)較慢,該綜合定位原理如圖1所示。
圖1 井下綜合定位原理示意圖
液壓推移式智能定位技術(shù)是將光纖導(dǎo)航、數(shù)字全站儀監(jiān)測(cè)、執(zhí)行油缸傳感器信息融合集于一體的井下高精度定位技術(shù)[2],在工作的過(guò)程中首先通過(guò)光纖導(dǎo)航對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的速度和角速度變化情況進(jìn)行分析,然后通過(guò)油缸的行程傳感器獲取執(zhí)行油缸的推移量,然后利用數(shù)學(xué)分析迭代的方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的位置進(jìn)行確認(rèn)。
在實(shí)際使用時(shí),掘進(jìn)機(jī)的油缸行程傳感器和慣性導(dǎo)航在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的累積誤差,而在使用時(shí)采用數(shù)字傳感器能夠精確地確定掘進(jìn)機(jī)的位置,因此采用數(shù)字傳感器來(lái)對(duì)油缸行程和慣性導(dǎo)航進(jìn)行不間斷的位置誤差調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)井下工作位置的精確定位,液壓推移式智能定位原理如圖2 所示。
圖2 液壓推移式智能定位原理
采用將兩種定位技術(shù)相互結(jié)合的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)在井下運(yùn)行過(guò)程中的雙重定位分析,從而有效提升掘進(jìn)機(jī)在各種環(huán)境下的定位可靠性,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用,采用組合式智能定向技術(shù)后,能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的定位精度提升到±15 mm,完全滿足其自動(dòng)截割的控制需求。
為了解決煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜,人工截割控制效率低下的難題,本文提出了一種新的智能定向截割+自適應(yīng)截割的控制方案,通過(guò)組合式智能截割控制,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下的“無(wú)人化”截割作業(yè),提高巷道成型效率和成型質(zhì)量。
智能定向截割控制系統(tǒng)主要包括截割機(jī)構(gòu)位置測(cè)量模塊、控制器模塊等,通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中截割機(jī)構(gòu)位置和截割角度的判斷,確定截割結(jié)構(gòu)和巷道截面的相對(duì)位置,然后將實(shí)際位置和理論截割位置相對(duì)比,獲取偏差量,然后將偏差實(shí)時(shí)反饋給掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)控制系統(tǒng),通過(guò)模糊PID 控制的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)的精確控制,掘進(jìn)機(jī)的智能定向截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示[3]。
圖3 智能定向截割機(jī)構(gòu)示意圖
當(dāng)掘進(jìn)巷道處在夾雜著煤矸石、半煤巖的地質(zhì)環(huán)境下時(shí),定向截割控制存在著反應(yīng)速度慢、截割靈活性差的不足,因此在該類復(fù)雜環(huán)境下,提出了自適應(yīng)截割控制方案,以掘進(jìn)機(jī)的截割臂擺動(dòng)速度為控制量,通過(guò)利用數(shù)字遺傳優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中電機(jī)輸出功率的靈活控制,在不同的硬度地層條件下,靈活調(diào)整截割轉(zhuǎn)速和截割速度,自適應(yīng)截割控制如圖4 所示[4]。
圖4 自適應(yīng)截割控制原理示意圖
在組合式精確定位和智能截割控制的情況下,通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)在井下的實(shí)際截割監(jiān)測(cè),其對(duì)巷道的截割精度達(dá)到了±20 mm,遠(yuǎn)高于“無(wú)人化”自動(dòng)截割控制所需的±50 mm,由于減少了截割作業(yè)過(guò)程中的停機(jī)、返修等,因此實(shí)際截割作業(yè)時(shí)的速度由最初的5.1 m/d,提高到了目前的5.79 m/d,效率提升了13.5%,對(duì)提升井下巷道掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)性和安全性具有較為重大的意義。
針對(duì)礦用掘進(jìn)機(jī)在井下作業(yè)過(guò)程中導(dǎo)航精度差、無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)截割的狀況,提出了一種新的礦用掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)智能控制掘進(jìn)工藝,對(duì)組合式精確定位原理、智能組合式截割方案進(jìn)行了分析,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明:
1)新的組合式的智能定向技術(shù)主要包括了慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)以及液壓推移式智能定位技術(shù),能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的定位精度提升到±15 mm;
2)智能定向截割+自適應(yīng)截割的控制方案,通過(guò)組合式智能截割控制,其對(duì)巷道的截割精度達(dá)到了±20 mm;
3)新的智能截割方案能夠?qū)⒕孪锏谰蜻M(jìn)效率提升13.5%,極大提升了井下巷道掘進(jìn)效率和精度,具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。