（霍州煤電集團回坡底煤礦，山西 洪洞041600）

0 引言

掘進機是巷道掘進過程中重要的機械設(shè)備，其系統(tǒng)的運行及控制直接影響到掘進效果[1，2]。目前，掘進機截割部位運行速度的控制、巷道斷面成形、機身位置的監(jiān)測以及系統(tǒng)的監(jiān)控已經(jīng)成為研究熱點，研究掘進機控制系統(tǒng)對巷道成形具有重要意義[3-6]。

本文旨在解決巷道成形問題，對回坡底礦井懸臂式掘進機控制系統(tǒng)進行了力學建模計算和系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)了煤巖體的識別和巷道斷面自動成形，應(yīng)用效果良好。

1 掘進機控制系統(tǒng)

1.1 掘進機控制系統(tǒng)需求

掘進機是巷道掘進過程中重要的機械設(shè)備，巷道斷面的形成依賴于掘進機截割頭的姿態(tài)，只有掘進機截割頭處于正常姿態(tài)時，巷道斷面才會達到要求，掘進機的控制系統(tǒng)需具備以下條件。

（1）掘進機機頭需具有煤巖體動態(tài)感知的能力。通過掘進頭多傳感的監(jiān)測功能，實現(xiàn)煤巖體的區(qū)分，有利于穩(wěn)定截割電機的電流、油缸壓力以及速度等，保障自動截割的順利進行。

（2）掘進機系統(tǒng)需具備截割頭位姿監(jiān)測的功能。實現(xiàn)截割頭位姿的檢測便于系統(tǒng)進行精確控制，有利于伸縮液壓缸、垂直液壓缸和水平液壓缸的協(xié)同運作。

（3）掘進機需具備斷面自動成形的功能。當截割頭處于正常位姿時，因為受力不均，截割頭位置容易出現(xiàn)偏差，造成斷面參數(shù)的偏差，因此需要對掘進機進行機身偏移量的測量，通過數(shù)學關(guān)系式進行補償計算。當機身位置符合掘進要求時，系統(tǒng)自動啟動斷面成形程序，設(shè)備運行過程中

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

由此可見，對掘進機截割部位進行力學建模

分析對于巷道斷面成形具有重要意義。

1.2 截割部動力學建模

根據(jù)掘進機控制系統(tǒng)需求，對掘進機截割部進行動力學研究，掘進機截割部位運動學模型如圖1所示，圖中，連桿長度分別為a1、a2、b3、0,對應(yīng)

的連桿扭矩角分別為0°、-90°、90°和0°，對應(yīng)的

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

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

圖中O4代表截割部位的中心，則掘進機機身相對截割中心的坐標可用以下關(guān)系式表示

圖1 掘進機截割部位運動學模型

因此可知，掘進機機身在捷聯(lián)慣導(dǎo)坐標系中相對截割中心的坐標用以下關(guān)系式表示：

公式中，回轉(zhuǎn)臺繞坐標X 的旋轉(zhuǎn)角度為θ1，回轉(zhuǎn)臺繞坐標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動學方程如下

由公式可知，掘進機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，因此可對不同角度下掘進機運行狀態(tài)進行分析。

2 巷道斷面自動成形應(yīng)用控制

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

從圖2中可以看出，當θ1角度為-20°時，θ2的控制誤差最大值達到0.72°，θ1角度為20°時，θ2的控制誤差最大值達到0.7°，θ1角度為0°時，θ2的控制誤差最大值達到0.68°。當θ2角度為-20°時，θ1的控制誤差最大值達到0.74°，θ2角度為20°時，θ1的控制誤差最大值達到0.71°，θ2角度為0°時，θ1的控制誤差最大值達到0.68°；根據(jù)誤差值可以看出，當截割壁角度的絕對值越小，控制誤差值越小，回坡底煤礦目前采用的掘進機型號為EBZ160，根據(jù)現(xiàn)場掘進經(jīng)驗以及計算可以得出，當掘進機的回轉(zhuǎn)角度和升降角度的誤差值小于0.8°時，可以實現(xiàn)精確控制，達到斷面自動成形控制的目的。

圖2 截割部位誤差控制分析圖

圖3 斷面自動成形控制程序流程圖

截割部運行數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)傳感器采集獲得，傳送至DSP，經(jīng)過DSP 的計算處理后傳送至DA模塊中，該模塊通過對數(shù)據(jù)信號的放大實現(xiàn)了截割部的控制功能，當掘進機和巷道的相對位置滿足截割需求時，系統(tǒng)自動進行誤差補償，隨后進行斷面截割系統(tǒng)的運行。斷面自動控制程序：當系統(tǒng)開始運用后，傳感器首先監(jiān)測到截割頭的運行速度和液壓缸的壓力等參數(shù)，當截割部位接近巷道邊界時，截割臂的擺幅以及速度降低，控制系統(tǒng)自動監(jiān)測掘進機的空間位置，根據(jù)礦井掘進需求，系統(tǒng)計算出合適的擺動角度，通過合理控制液壓缸的位移，實現(xiàn)截割臂擺幅的控制，從而實現(xiàn)了斷面自動成形的控制功能。根據(jù)上述討論，當掘進機的回轉(zhuǎn)角度和升降角度的誤差值小于0.8°時，可以實現(xiàn)截割臂精確控制，礦井可根據(jù)掘進巖層強度等參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整。

圖4為巷道斷面自動成形控制系統(tǒng)應(yīng)用效果圖。可以看出，掘進機控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了斷面自動成形的目的。實際截割軌跡呈現(xiàn)多波形，這是因為巷道圍巖強度不一致導(dǎo)致設(shè)備運行過程中受力不穩(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)滿足巷道掘進的要求，證明了斷面自動成形控制程序的可行性。

圖4 巷道斷面自動成形控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

3 結(jié)論

（1）通過截割部動力學建模，得到掘進機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）巷道斷面自動成形程序顯示，當掘進機的回轉(zhuǎn)角度和升降角度的誤差值小于0.8°時，可以實現(xiàn)精確控制，達到斷面自動成形控制的目的。

（3）巷道斷面自動控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，實現(xiàn)了巷道斷面自動成形控制的目的，滿足巷道掘進的要求。