護(hù)盾式智能掘進(jìn)系統(tǒng)截割機(jī)器人截割能力研究

薛力猛 馬宏偉 王川偉 張恒

摘 要：為研究全斷面滾筒截割在不同硬度煤巖掘進(jìn)截割過程中截割力變化規(guī)律及截割力與煤巖硬度的相互關(guān)系，攻克煤礦巷道護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)截割控制難題，以護(hù)盾式智能掘進(jìn)系統(tǒng)中的截割機(jī)器人為研究對(duì)象，采用理論分析、系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等相結(jié)合的方法，研究護(hù)盾式智能掘進(jìn)系統(tǒng)截割機(jī)器人截割能力。結(jié)果表明：當(dāng)截割速度及截割深度一定時(shí)，截割力隨煤巖硬度增大而增大；當(dāng)截割煤巖硬度及截割速度不變時(shí)，截割機(jī)器人的截割力隨截割深度的增加而增大，且截割速度、煤巖硬度不變時(shí)，可得到截割機(jī)器人的最大截割深度；截割機(jī)器人截割試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致，對(duì)比誤差在較小范圍內(nèi)。證明仿真研究方法可用于截割機(jī)器人截割作業(yè)控制的研究，來確定截割機(jī)器人的截割能力，為煤礦巷道快速掘進(jìn)截割提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：護(hù)盾式智能掘進(jìn)系統(tǒng)；截割機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；截割能力

中圖分類號(hào)：TD 421

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）04-0779-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0415

Cutting ability of cutting robot in shield

intelligent tunneling system

XUE Limeng1，2，MA Hongwei1，2，WANG Chuanwei1，2，ZHANG Heng1，2

（1.College of Mechanical and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Mine Electromechanical Equipment Intelligent Detection and Control，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：Attempts to explore the change law of cutting force and the relationship between cutting force and coal rock hardness in the process of different hardness coal rock cutting，so as to overcome the cutting control problem of shield intelligent tunneling robot system.

The cutting robot in the shield intelligent tunneling system is taken as the research object，and the methods of theoretical analysis，system simulation and field test are used to examine the cutting ability of the shield intelligent tunneling system.The results shows：when the cutting speed and depth are constant，the cutting force increases with the increase of the hardness of coal rock;when the cutting hardness and cutting speed of coal rock are unchanged，the cutting force of the cutting robot increases with the increase of cutting depth，and the cutting speed and hardness of coal rock are unchanged，the maximum cutting depth of the cutting robot can be obtained.The results of the experimental and the simulation are consistented，and the contrast error is in a

comparatively smaller

range.It indicated that the simulation research method can be used in the study of the cutting operation control of the cutting robot to determine the cutting ability of the cutting robot，which provides a theoretical basis for the rapid tunneling of coal mine roadway cutting.

Key words：shield? intelligent tunneling system；cutting robot；kinematic analysis；cutting ability

0 引 言

煤礦巷道快速掘進(jìn)面臨兩大挑戰(zhàn)［1-3］，一是快速截割，二是快速支護(hù)，尤其是面對(duì)夾矸厚度大、硬度高、片幫嚴(yán)重等復(fù)雜地質(zhì)條件的大斷面巷道截割問題，亟待探究截割理論和方法［4］，研發(fā)新型截割裝備［5-7］，實(shí)現(xiàn)智能截割。

在巷道截割方法研究方面，馬宏偉等針對(duì)小保當(dāng)煤礦夾矸與片幫共存的掘進(jìn)難題，研發(fā)護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，創(chuàng)新了大斷面全寬橫軸截割的新模式，探索煤巖截割控制新策略［8-11］。李旭等基于微分幾何理論建立了EBZ160型掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，用牛頓迭代法求解出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明橫擺時(shí)的截齒運(yùn)動(dòng)與實(shí)際路徑相吻合，截割部回轉(zhuǎn)中心速度和回轉(zhuǎn)臺(tái)角速度有較強(qiáng)的相關(guān)性，截齒的加速度只在掘進(jìn)截割方向有較大的變化［12］。李曉豁等建立橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)的截齒運(yùn)動(dòng)軌跡的幾何模型及運(yùn)動(dòng)方程，并進(jìn)行截割頭運(yùn)動(dòng)特性仿真分析和研究［13-14］。黃建農(nóng)等針對(duì)EBH300A型煤礦橫軸掘進(jìn)機(jī)建立實(shí)體模型和坐標(biāo)系，并進(jìn)行截割部運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了掘進(jìn)頭截齒速度、位移和加速度的運(yùn)動(dòng)變化過程［15］。劉旭南等用三維設(shè)計(jì)軟件、仿真分析軟件等工具建立采煤機(jī)截割滾筒受力力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真分析，研究滾筒的可靠性，得出輸出軸、殼及行星架等的可靠度，發(fā)現(xiàn)行星架和殼體的應(yīng)力集中過程，得到了最大應(yīng)力值所處位置［16］。尹力等研究采煤機(jī)滾筒的載荷情況，分析不同截割工況下截割參數(shù)的關(guān)系，得出所用方法準(zhǔn)確有效［17］。年魁等對(duì)連續(xù)采煤機(jī)滾筒載荷進(jìn)行仿真分析，為裝載、行走和整機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考［18］。針對(duì)護(hù)盾式大斷面半煤巖全寬橫軸滾筒截割能力、滾筒截割力與煤礦巷道煤巖硬度之間的相互關(guān)系及變化規(guī)律的研究較少，無法為快速掘進(jìn)系統(tǒng)掘進(jìn)截割的控制提供強(qiáng)有力的支撐。

針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦巷道智能截割難題，以西安科技大學(xué)等［10］研發(fā)的護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的截割機(jī)器人為研究對(duì)象，分析其截割特點(diǎn)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型［19］，通過截割仿真分析，獲得截割機(jī)器人截割力與滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒截割速度、截割深度、煤巖硬度之間的變化關(guān)系，可為截割機(jī)器人定形截割的智能控制提供理論依據(jù)。

1 截割機(jī)器人基本構(gòu)成與工作原理

護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)（圖1），主要包括截割機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、電液控平臺(tái)等。其中截割機(jī)器人集成于臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人底座平臺(tái)之上，通過臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人上盾體、下盾體2部分與圍巖的相互作用，可為截割機(jī)器人提供一個(gè)穩(wěn)定的滑移平臺(tái)（圖2）。截割機(jī)器人由截割滾筒、截割臂、滑臺(tái)、液壓油缸等部件構(gòu)成（圖3）。通過滑臺(tái)推移油缸的伸縮控制可實(shí)現(xiàn)截割部前后滑移運(yùn)動(dòng)，通過2個(gè)截割臂油缸的伸縮量控制可實(shí)現(xiàn)截割滾筒的上下擺動(dòng)，利用滑臺(tái)推移油缸和2個(gè)截割臂油缸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)巷道斷面的成形截割，截割機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)（表1）。

3 截割機(jī)器人截割仿真

截割機(jī)器人的截割能力與滾筒旋轉(zhuǎn)速度、滾筒截割速度、截割深度及煤巖硬度有關(guān)。由于截割機(jī)器人的設(shè)計(jì)截割功率為270 kW，可提供的額定截割力為75 kN。因此，在文中仿真過程中，只要截割機(jī)器人的截割力小于75 kN，說明截割機(jī)器人能夠完成巷道斷面的定形截割任務(wù)。根據(jù)煤巖特點(diǎn)和計(jì)算方便各參數(shù)取值：

kr取圓錐形1.0，kr為1.0，kd取1.0，截割角k′y為80°取1.0，Si取4。在仿真試驗(yàn)中，設(shè)定截割機(jī)器人截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度為25.6 r/min。

3.1 截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

截割機(jī)器人截割截割滾筒截割速度2.3 m/min，巷道斷面高度4.25 m，滾筒轉(zhuǎn)速25.6 r/min。對(duì)截割機(jī)器人截齒、截割滾筒、截割臂及滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真（圖6），曲線①②③④分別為滾筒上截齒、截割滾筒軸、滑臺(tái)、截割臂的運(yùn)動(dòng)軌跡?；_(tái)和截割臂的曲線運(yùn)動(dòng)合成截割滾筒的上下運(yùn)動(dòng)，使截割滾筒上的截齒以滾筒軸為中心做周期運(yùn)動(dòng)，完成巷道斷面的平面截割。

3.2 機(jī)器人截割力與截割硬度仿真

設(shè)定截割滾筒截割速度分別設(shè)置為3，2.3 m/min，巷道斷面高度為4.25 m，巷道斷面設(shè)定有f1～f7不同硬度的煤巖，煤巖單軸抗壓強(qiáng)度分別為10，20，30，40，50，60 MPa和70 MPa（大致相當(dāng)于煤巖硬度f1～f7）。當(dāng)截割機(jī)器人截割深度為300 mm，對(duì)截割機(jī)器人進(jìn)行仿真，得到不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割硬度關(guān)系（圖7），其中曲線①表示滾筒截割速度為3 m/min時(shí)的截割力，曲線②表示滾筒截割速度為2.3 m/min時(shí)的截割力，曲線③表示截割機(jī)器人滾筒可提供的截割力。

通過對(duì)截割機(jī)器人不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割硬度關(guān)系（圖7）。隨著滾筒截割速度的增加，截割機(jī)器人所需要的截割力也會(huì)隨之增加。當(dāng)截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到煤巖硬度為f1-f6時(shí)，截割機(jī)器人所需要滾筒截割力均小于75 kN，說明此時(shí)截割機(jī)器人能夠完成巷道斷面的截割任務(wù)。當(dāng)截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到煤巖硬度為f7時(shí)，需要滾筒截割力分別為78 kN和85 kN，其值大于75 kN，此時(shí)截割機(jī)器人不能完成巷道斷面的截割任務(wù)。

3.3 機(jī)器人截割力與截割深度仿真

設(shè)定截割滾筒截割速度分別設(shè)置為3，2.3 m/min，巷道斷面高度為4.25 m，截割深度設(shè)定有300，400，500，600 mm和700 mm。當(dāng)煤巖單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa（大致為硬度f4），對(duì)截割機(jī)器人進(jìn)行仿真，得到截割機(jī)器人不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割深度關(guān)系（圖8）。

在截割速度為3，2.3 m/min時(shí)（圖8），隨著截割機(jī)器人截割深度的增加，截割機(jī)器人所需要的截割力也會(huì)隨之增加，截割力的大小與截割深度成正比。當(dāng)煤巖單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa時(shí)，截割深度為700 mm時(shí)，截割力為74 kN，此時(shí)截割機(jī)器人能夠完成巷道斷面的成形截割任務(wù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)（圖9），為壓力傳感安裝位置和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。截割機(jī)器人截割硬度f4，截割速度2.3 m/min，斷面高度4.25 m，截割深度分別為300，400，500，600，700 mm，位移/流量傳感器2個(gè)（表3）。

在測(cè)試截割機(jī)器人滑臺(tái)推移油缸及截割臂升降油缸的推拉力時(shí)，油缸推拉力與液壓系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系式為

F推=πR2P，F(xiàn)拉=π（R2-r2）P

（12）

式中 F推為油缸推力，kN；F拉為油缸拉力，kN；R為缸筒半徑，mm；r為活塞桿徑，mm；P為測(cè)得的油缸壓強(qiáng)，kPa。

測(cè)試截割臂油缸壓力曲線及計(jì)算所得截割力比較數(shù)據(jù)（圖10，表4）。曲線①②③④⑤分別為300，400，500，600 mm和700 mm截割深度時(shí)油缸受力情況（圖10），截割臂油缸拉力在截割開始階段減小來平衡截割臂重力產(chǎn)生的油缸推力，然后迅速增大，截割臂趨水平時(shí)，油缸拉力增大趨勢(shì)減緩，達(dá)到最大值，隨后油缸拉力逐漸減小，根據(jù)截割機(jī)器人力學(xué)模型及油缸參數(shù)，得到速度為2.3 m/min時(shí)，不同截割深度的截割力（表4），最大誤差在2%左右。誤差原因有仿真模型為簡(jiǎn)化模型，各參數(shù)的設(shè)定與實(shí)際還有一定的偏差，還需要通過多次模擬仿真與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，調(diào)速各仿真參數(shù)，使仿真試驗(yàn)盡可能與實(shí)際相一致。

為測(cè)試不同煤巖硬度斷面截割效果，設(shè)定截割速度為2.3 m/min，截割深度為300 mm，截割高度為4 250 mm，進(jìn)行了煤巖硬度分別為f4和f6的斷面截割試驗(yàn)。測(cè)試效果（圖11），為煤巖硬度為f4的斷面截割效果和煤巖硬度為f6的斷面截割效果。由圖可知，條件相同的情況下，煤巖硬度低的斷面較為平整，硬度高的斷面平整度較低。經(jīng)過對(duì)截割機(jī)器人截割力的仿真和試驗(yàn)測(cè)試分析，可知理論分析與試驗(yàn)結(jié)果相一致，可為截割機(jī)器人智能截割的截割參數(shù)優(yōu)化提供理論支持。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)截割機(jī)器人結(jié)構(gòu)及組成原理，將截割機(jī)器人簡(jiǎn)化為多連桿機(jī)構(gòu)，建立護(hù)盾式截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及平面力學(xué)模型，得到截割機(jī)器人滾筒位移量與各油缸伸縮量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及滾筒截割阻力、滑臺(tái)牽引力與煤巖接觸強(qiáng)度之間的變化關(guān)系。

2）建立截割機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，完成不同截割速度、截割深度、煤巖硬度下截割能力仿真分析。當(dāng)截割速度一定時(shí)，截割力隨煤巖硬度增大而增大，且機(jī)器人截割煤巖的最大硬度為f6。當(dāng)煤巖截割硬度不變時(shí)，截割機(jī)器人的截割力隨截割深度的增加而增大，且截割速度、煤巖硬度一定時(shí)，可確定截割機(jī)器人的最大截割深度。

3）試驗(yàn)表明建立的截割機(jī)器人的模型是正確的，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明該方法可用于截割機(jī)器人真實(shí)截割作業(yè)控制的支撐，為煤礦巷道快速掘進(jìn)截割提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：李克永）