劉 濤

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 臨縣 033200）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)以其靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、欠挖和超挖少特性得到了快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在巷道掘進(jìn)中。但是，懸臂式掘進(jìn)機(jī)也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在智能判斷能力不足，自動化程度不高。為此，相關(guān)學(xué)者先后總結(jié)了掘進(jìn)機(jī)智能截割控制技術(shù)難題[1]；對于單一軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了截割臂互換設(shè)計(jì)的研究[2]；分析了懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割運(yùn)動軌跡[3]和截割過程的空間位姿運(yùn)動模型[4]；從截割控制系統(tǒng)角度對機(jī)構(gòu)振動特性進(jìn)行分析[5]；并從智能化、自適應(yīng)角度對截割系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化[6]。這些研究已經(jīng)將懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割運(yùn)動過程和截割控制系統(tǒng)方面的主要技術(shù)原理分析清楚，但并沒有將機(jī)械干涉、截割軌跡和可視化監(jiān)測聯(lián)合在一起。因此，本文從機(jī)械干涉原理出發(fā)，深入探究截割軌跡的規(guī)律，設(shè)計(jì)有效的控制、監(jiān)測系統(tǒng)，為操作人員提供清晰的實(shí)時(shí)畫面，將機(jī)械干涉發(fā)生的概率降到最低。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)械干涉原理

懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、對巷道適應(yīng)能力強(qiáng)，可進(jìn)行靈活調(diào)整。其前端分為鏟板裝載機(jī)構(gòu)、懸臂工作結(jié)構(gòu)，其底部分為履帶行走機(jī)構(gòu)、中介運(yùn)輸裝載機(jī)構(gòu)，其中部和后部為泵站、電控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

到目前為止，懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭懸臂水平、垂直方向的運(yùn)動由人手動操控，而懸臂工作結(jié)構(gòu)中的懸臂與鏟板裝載結(jié)構(gòu)的鏟板會因?yàn)槭┕r(shí)間長、人員注意力不集中等因素產(chǎn)生干涉碰撞。其干涉碰撞的原理如下：如圖2所示，l1是截割臂的總長度，l3是截割臂可能發(fā)生干涉碰撞的長度，l2是鏟板的長度，l4是鏟板可能發(fā)生干涉碰撞的長度；B1、B2分別是截割臂、鏟板的厚度；H1、H2分別是截割臂、裝載機(jī)構(gòu)的安裝高度；φ1、φ2分別是截割臂、鏟板的最大運(yùn)動角度。從圖2看，當(dāng)截割臂向下運(yùn)動到極限位置，鏟板向上運(yùn)動到最高位置，便會在A''處發(fā)生碰撞。

圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)已有的干涉碰撞公式：φt，max=arcsin[（H1-ΔH）/l1]；Δ=H1-（l2sinφ1+B1/2）-[H2-（l2cosφ1-B2）]，確定不發(fā)生干涉碰撞的鏟板與懸臂最小距離[7]。得到如下結(jié)論：增加截割臂、鏟板的安裝高度，延長截割臂長度，最小距離會擴(kuò)大。但是，增加截割臂安裝高度或延長截割臂長度，就會造成掘進(jìn)機(jī)高度的增加，不利于適應(yīng)不同高度的巷道。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的調(diào)整已經(jīng)沒有提升空間，對截割臂、鏟板的干涉碰撞研究轉(zhuǎn)向了防干涉方向。單靠操作員目視觀察的人工操作控制法會因施工場合、施工時(shí)間等受到影響；死擋板隔離法會將懸臂與鏟板碰撞的作用力轉(zhuǎn)移到其他零件上；液壓控制法依靠傳感油缸控制驅(qū)動力，避免發(fā)生碰撞，但需要為液壓控制系統(tǒng)補(bǔ)油提供動力。這對環(huán)境要求比較高，不容易實(shí)現(xiàn)。

2 基于截割軌跡的液壓限位防控系統(tǒng)

截割軌跡是指截割頭在截割斷面形成的運(yùn)動軌跡[8]。液壓限位防控系統(tǒng)通過電磁換向閥門通斷油路，控制截割臂、鏟板的運(yùn)動角度和方向，減少截割頭的無用量，確保獲得規(guī)整的截割斷面，從根本上避免出現(xiàn)機(jī)械干涉。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可視化監(jiān)測，進(jìn)一步增強(qiáng)對截割頭運(yùn)動的控制。

2.1 記憶程控截割技術(shù)

記憶程控截割技術(shù)是記錄截割軌跡的核心技術(shù)[9]。其原理是：由掘進(jìn)機(jī)操作員根據(jù)巷道斷面尺寸，完成一個(gè)有效的斷面截割，形成截割樣本，如圖3所示，其中（xi,yj）系列左邊表示截割頭的位置。在實(shí)際應(yīng)用中，在截割臂上安裝角位移傳感器，分截割頭位置、截割頭擺動速度、截割頭轉(zhuǎn)換方向等參數(shù)對截割臂的運(yùn)動情況進(jìn)行記錄。考慮到巷道工程實(shí)際情況，一般選擇人工控制4～5次，形成截割樣板記錄群，確定好工作過程各參數(shù)的波動范圍。

圖3 截割樣本

2.2 液壓限位防控設(shè)計(jì)

液壓限位是在記憶程控截割技術(shù)提供的角位移數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。其原理為：在液壓控制系統(tǒng)內(nèi)安裝電磁換向閥，從多個(gè)參數(shù)的實(shí)測數(shù)值與預(yù)測數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)超過安全限定值時(shí)，便停止供能，限制截割臂、鏟板的運(yùn)動[10]。經(jīng)過多次試驗(yàn)，將控制命令分為安全警報(bào)、不限制、切割臂不動鏟板下降、鏟板不動切割臂下降、切割臂上升和鏟板下降切割臂和鏟板同時(shí)上升或下降六項(xiàng)。這五項(xiàng)內(nèi)容將截割臂、鏟板可能發(fā)生機(jī)械干涉的情況全部包括在內(nèi)，能夠有區(qū)別地進(jìn)行動能控制，將發(fā)生機(jī)械干涉的幾率降到最低水平。液壓限位的防控判斷結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 液壓限位防控系統(tǒng)的可視化監(jiān)測

在記憶程控截割技術(shù)和液壓限位防控設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)上，對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的操作系統(tǒng)進(jìn)行改造，添加可視化監(jiān)測功能，將掘進(jìn)機(jī)向智能化方向進(jìn)一步推進(jìn)?？梢暬O(jiān)測的原理是：根據(jù)巷道截割斷面的大小、形狀和要求，通過處理角位移傳感器傳回的數(shù)據(jù)，對切割臂的位移、實(shí)時(shí)位置進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)截割頭的移動軌跡。操作員可以從顯示屏上看到圖形軌跡，并可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行人工處理和報(bào)警?？梢暬O(jiān)測解決了目視“死角”的問題，實(shí)現(xiàn)了防控相結(jié)合的一體化智能管理?？梢暬O(jiān)測的流程如圖5所示。

圖4 液壓限位防控判斷結(jié)構(gòu)

圖5 可視化監(jiān)測流程

在可視化監(jiān)測系統(tǒng)中，對角位移傳入數(shù)據(jù)的分析是核心內(nèi)容，發(fā)揮著判斷懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割臂具體運(yùn)動過程的作用。為了防止發(fā)生機(jī)械干涉，使截割面保持平整，避免欠挖、超挖情況出現(xiàn)，通過巷道參數(shù)、切割臂參數(shù)等進(jìn)行了智能分析。首先，建立截割面位移運(yùn)動坐標(biāo)系，應(yīng)用升降油缸控制上下方向的位移變化，應(yīng)用水平對稱的油缸來決定左右方向的位移變化。通過分解截割頭的運(yùn)動軌跡過程，確定在上下、左右方向的最大擺動角度；然后，設(shè)計(jì)不同巷道的截割工藝。不同形狀（梯形、矩形、拱形）、不同煤層（軟煤層、中等硬度、硬煤層）、不同工藝（由上而下、由下而上、由中間到兩邊）會給截割工藝帶來一些限制，因此，根據(jù)不同巷道參數(shù)，限制不合適的截割工藝；最后，建立極限報(bào)警函數(shù)。根據(jù)斷面形狀的不同。例如：梯形的極限報(bào)警公式為式中：H為梯形高；B1為梯形上底長；B2為梯形下底長，如圖6所示。這可以有效地避免在梯形下底左右邊緣位置發(fā)生機(jī)械干涉，將切割臂的活動范圍進(jìn)行了有效地控制。矩形和拱形的極限報(bào)警公式也是限制其在邊緣位置上水平、垂直方向的移動。這便可以實(shí)現(xiàn)對截割臂運(yùn)動方向、運(yùn)動速度的控制，大大增強(qiáng)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的智能化程度。

圖6 梯形巷道結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 液壓限位防控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在軟件的設(shè)計(jì)方面采用了比較流行的PC核心控制技術(shù)。首先，將角位移傳感器上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CL-1711L數(shù)據(jù)收集卡中，然后，在PC核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后，將數(shù)據(jù)以具體的方式顯示在屏幕上，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)督的目的。其主要窗體和控件的屬性如表1所示。

表1 主要窗體和空間的屬性表

表1只列舉了整個(gè)系統(tǒng)中具有特色的部分。軟件在每個(gè)功能上都附加了程序，部分添加了代碼塊，以確保能夠及時(shí)地發(fā)布報(bào)警信息。從表1中可以看出，巷道截面大小、樣本截割大小和斷面具體形狀是可以進(jìn)行人工調(diào)整的，不同的掘進(jìn)條件會對應(yīng)著不同的計(jì)算操作方法和模型。通過這樣的動態(tài)設(shè)置，最大強(qiáng)度地增強(qiáng)其靈活性、智能性，以便達(dá)到提高軟件適應(yīng)性的目的。

3 液壓限位防控系統(tǒng)的應(yīng)用分析

液壓限位防控系統(tǒng)在原有系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，采用普及的CAN總線通訊方式進(jìn)行設(shè)備信號連接和控制。為了滿足懸臂式掘進(jìn)機(jī)高速、中速、低速、手動和自動的需求，設(shè)置運(yùn)動狀態(tài)與油缸供能對應(yīng)關(guān)系，在建立好樣本后，形成自動的擋位調(diào)節(jié)。液壓限位防控系統(tǒng)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)EBZ200Z上進(jìn)行改造使用，在呂臨能化公司龐龐塔煤礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，截割頭按照有效的記憶程控截割樣本進(jìn)行移動，其運(yùn)動速度、相對位置表現(xiàn)出良好狀態(tài)，減少了欠挖、超挖等情況，鏟板與截割臂之間沒有發(fā)生機(jī)械干涉，實(shí)現(xiàn)了防干涉目的。

4 結(jié)論

本次研究進(jìn)一步豐富了截割軌跡在掘進(jìn)機(jī)防干涉問題中的應(yīng)用。與前人相比，本文從截割軌跡角度出發(fā)，融合液壓限位技術(shù)、記憶樣本和可視化監(jiān)測技術(shù)，搭建出一套完整的、可控的智能化防干涉系統(tǒng)。經(jīng)過本次試驗(yàn)探究，得到了以下幾點(diǎn)：

1）不同形狀、不同硬度的煤層需要采用不同的極限報(bào)警公式，避免在邊界位置出現(xiàn)監(jiān)測漏洞，進(jìn)而失去智能監(jiān)測效果。

2）記憶程控截割樣本應(yīng)以樣本群的形式存在，為防控系統(tǒng)提供有效的范圍，避免過多報(bào)警，無法有效識別正常操作情況，引起不必要的人工操作。

3）本文對多項(xiàng)技術(shù)的融合和使用，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的智能化發(fā)展提供了更多的思考方向。這有利于在惡劣條件下幫助操作工人安全、合理、快速地展開掘進(jìn)工作。