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，攻克煤礦巷道護盾式智能掘進機器人系統(tǒng)截割控制難題，以護盾式智能掘進系統(tǒng)中的截割機器人為研究對象，采用理論分析、系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場試驗等相結(jié)合的方法，研究護盾式智能掘進系統(tǒng)截割機器人截割能力。結(jié)果表明：當截割速度及截割深度一定時，截割力隨煤巖硬度增大而增大；當截割煤巖硬度及截割速度不變時，截割機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，可得到截割機器人的最大截割深度；截割機器人截割試驗結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致，對比誤差在較小范圍內(nèi)。證明仿真研究方法可用于截割機器人截割作業(yè)控制的研究，來確定截割機器人的截割能力，為煤礦巷道快速掘進截割提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：護盾式智能掘進系統(tǒng)；截割機器人；運動學(xué)分析；截割能力

中圖分類號：TD 421

文獻標志碼：A

文章編號：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

煤礦巷道快速掘進面臨兩大挑戰(zhàn)［1-3］，一是快速截割，二是快速支護，尤其是面對夾矸厚度大、硬度高、片幫嚴重等復(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］，實現(xiàn)智能截割。

在巷道截割方法研究方面，馬宏偉等針對小保當煤礦夾矸與片幫共存的掘進難題，研發(fā)護盾式智能掘進機器人系統(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型掘進機工作機構(gòu)運動學(xué)模型，用牛頓迭代法求解出運動學(xué)方程，并進行仿真分析，結(jié)果表明橫擺時的截齒運動與實際路徑相吻合，截割部回轉(zhuǎn)中心速度和回轉(zhuǎn)臺角速度有較強的相關(guān)性，截齒的加速度只在掘進截割方向有較大的變化［12］。李曉豁等建立橫軸式掘進機截割時的截齒運動軌跡的幾何模型及運動方程，并進行截割頭運動特性仿真分析和研究［13-14］。黃建農(nóng)等針對EBH300A型煤礦橫軸掘進機建立實體模型和坐標系，并進行截割部運動學(xué)分析，得到了掘進頭截齒速度、位移和加速度的運動變化過程［15］。劉旭南等用三維設(shè)計軟件、仿真分析軟件等工具建立采煤機截割滾筒受力力學(xué)模型，并進行仿真分析，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，得出所用方法準確有效［17］。年魁等對連續(xù)采煤機滾筒載荷進行仿真分析，為裝載、行走和整機的設(shè)計提供參考［18］。針對護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，無法為快速掘進系統(tǒng)掘進截割的控制提供強有力的支撐。

針對復(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)的護盾式智能掘進機器人系統(tǒng)的截割機器人為研究對象，分析其截割特點，建立運動學(xué)與動力學(xué)模型［19］，通過截割仿真分析，獲得截割機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，可為截割機器人定形截割的智能控制提供理論依據(jù)。

1 截割機器人基本構(gòu)成與工作原理

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

3 截割機器人截割仿真

截割機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)。由于截割機器人的設(shè)計截割功率為270 kW，可提供的額定截割力為75 kN。因此，在文中仿真過程中，只要截割機器人的截割力小于75 kN，說明截割機器人能夠完成巷道斷面的定形截割任務(wù)。根據(jù)煤巖特點和計算方便各參數(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。在仿真試驗中，設(shè)定截割機器人截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度為25.6 r/min。

3.1 截割機器人運動軌跡仿真

截割機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。對截割機器人截齒、截割滾筒、截割臂及滑臺運動軌跡進行仿真（圖6），曲線①②③④分別為滾筒上截齒、截割滾筒軸、滑臺、截割臂的運動軌跡?；_和截割臂的曲線運動合成截割滾筒的上下運動，使截割滾筒上的截齒以滾筒軸為中心做周期運動，完成巷道斷面的平面截割。

3.2 機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，煤巖單軸抗壓強度分別為10，20，30，40，50，60 MPa和70 MPa（大致相當于煤巖硬度f1～f7）。當截割機器人截割深度為300 mm，對截割機器人進行仿真，得到不同滾筒截割速度下機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時的截割力，曲線②表示滾筒截割速度為2.3 m/min時的截割力，曲線③表示截割機器人滾筒可提供的截割力。

通過對截割機器人不同滾筒截割速度下機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，截割機器人所需要的截割力也會隨之增加。當截割機器人運動到煤巖硬度為f1-f6時，截割機器人所需要滾筒截割力均小于75 kN，說明此時截割機器人能夠完成巷道斷面的截割任務(wù)。當截割機器人運動到煤巖硬度為f7時，需要滾筒截割力分別為78 kN和85 kN，其值大于75 kN，此時截割機器人不能完成巷道斷面的截割任務(wù)。

3.3 機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。當煤巖單軸抗壓強度40 MPa（大致為硬度f4），對截割機器人進行仿真，得到截割機器人不同滾筒截割速度下機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（圖8），隨著截割機器人截割深度的增加，截割機器人所需要的截割力也會隨之增加，截割力的大小與截割深度成正比。當煤巖單軸抗壓強度40 MPa時，截割深度為700 mm時，截割力為74 kN，此時截割機器人能夠完成巷道斷面的成形截割任務(wù)。

4 試驗驗證

為了驗證理論分析結(jié)果的準確性，設(shè)計了現(xiàn)場試驗，在小保當?shù)V業(yè)公司護盾式智能掘進機器人系統(tǒng)進行測試。測試平臺（圖9），為壓力傳感安裝位置和數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。截割機器人截割硬度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（表3）。

在測試截割機器人滑臺推移油缸及截割臂升降油缸的推拉力時，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為測得的油缸壓強，kPa。

測試截割臂油缸壓力曲線及計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，油缸拉力增大趨勢減緩，達到最大值，隨后油缸拉力逐漸減小，根據(jù)截割機器人力學(xué)模型及油缸參數(shù)，得到速度為2.3 m/min時，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化模型，各參數(shù)的設(shè)定與實際還有一定的偏差，還需要通過多次模擬仿真與實際試驗進行對比分析，調(diào)速各仿真參數(shù)，使仿真試驗盡可能與實際相一致。

為測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，進行了煤巖硬度分別為f4和f6的斷面截割試驗。測試效果（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)過對截割機器人截割力的仿真和試驗測試分析，可知理論分析與試驗結(jié)果相一致，可為截割機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)截割機器人結(jié)構(gòu)及組成原理，將截割機器人簡化為多連桿機構(gòu)，建立護盾式截割機器人運動學(xué)模型及平面力學(xué)模型，得到截割機器人滾筒位移量與各油缸伸縮量的對應(yīng)關(guān)系及滾筒截割阻力、滑臺牽引力與煤巖接觸強度之間的變化關(guān)系。

2）建立截割機器人虛擬樣機模型，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。當截割速度一定時，截割力隨煤巖硬度增大而增大，且機器人截割煤巖的最大硬度為f6。當煤巖截割硬度不變時，截割機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，可確定截割機器人的最大截割深度。

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

參考文獻（References）：

［1］ 楊健健，張強，王超，等.煤礦掘進機的機器人化研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤炭學(xué)報，2020，45（8）：2995-3005.YANG Jianjian，ZHANG Qiang，WANG Chao，et al.Status and development of robotization research on roadheader for coal mines［J］.Journal of China Coal Society，2020，45（8）：2995-3005.

［2］程建遠，陸自清，蔣必辭，等.煤礦巷道快速掘進的“長掘長探”技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2022，47（1）：404-412.CHENG Jianyuan，LU Ziqing，JIANG Bici，et al.A novel technology of “l(fā)ong excavation/long detection”for rapid excavation in coal mine roadway［J］.Journal of China Coal Society，2022，47（1）：404-412.

［4］李剛.煤礦巷道快速掘進工藝及設(shè)備配套現(xiàn)狀與應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2022，41（4）：32-34.

LI Gang.Present situation and application of rapid tunneling technology and equipment in coal mine roadway［J］.Coal Technology，2022，41（4）：32-34.

［5］吳曉旭，羅會強，丁震.國家能源集團掘進智能化建設(shè)現(xiàn)狀與路徑研究［J］.工礦自動化，2021，47（S1）：7-9.WU Xiaoxu，LUO Huiqiang，DING Zhen.Research on current situation and path of intelligent tunneling construction of CHN Energy［J］.Industry and Mine Automation，2021，47（S1）：7-9.

［6］張平松，李圣林，邱實，等.巷道快速智能掘進超前探測技術(shù)與發(fā)展［J］.煤炭學(xué)報，2021，46（7）：2158-2173.ZHANG Pingsong，LI Shenglin，QIU Shi，et al.Advance detection technology and development of fast intelligent roadway drivage［J］.Journal of China Coal Society，2021，46（7）：2158-2173.

［6］王步康.煤礦巷道掘進技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及趨勢分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（11）：1-11.WANG Bukang.Current status and trend analysis of readway driving technology and equipment in coal mine［J］.Coal Science and Technology，2020，48（11）：1-11.

［7］郝建生.煤礦巷道掘進裝備關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀和展望［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（8）：69-74.HAO Jiansheng.Present status and outlook of key technology for mine roadway heading equipment［J］.Coal Science and Technology，2014，42（8）：69-74.

［8］馬宏偉，孫思雅，王川偉，等.多機械臂多鉆機協(xié)作的煤礦巷道鉆錨機器人關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2023，48（1）：497-509.MA Hongwei，SUN Siya，WANG Chuanwei，et al.Key technology of drilling anchor robot with multim anipulator and multi-rig cooperation in the coal mine roadway［J］.Journal of China Coal Society，2023，48（1）：497-509.

［9］馬宏偉，王世斌，毛清華，等.煤礦巷道智能掘進關(guān)鍵共性技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2021，46（1）：310-320.MA Hongwei，WANG Shibin，MAO Qinghua，et al.Key common technology of intelligent heading in coal mine road-way［J］.Joumal of China Coal Society，2021，46（1）：310-320

［10］馬宏偉，王鵬，張旭輝，等.煤礦巷道智能掘進機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2020，40（5）：751-759.MA Hongwei，WANG Peng，ZHANG Xuhui，et al.Research on key technology of

intelligent tunneling robotic system in coal mine［J］.Joumal of Xian University of Science and Technology，2020，40（5）：751-759.

［11］馬宏偉，王鵬，王世斌，等.煤礦掘進機器人系統(tǒng)智能并行協(xié)同控制方法［J］.煤炭學(xué)報，2021，46（7）：2057-2067.MA Hongwei，WANG Peng，WANG Shibin，et al.Inelligent parallel cooperative control method of coal mine excavation robot system［J］.Journal of China Coal Society，2021，46（7）：2057-2067.

［12］李旭，顧永正，吳淼.基于微分幾何的掘進機工作機構(gòu)運動學(xué)分析［J］.煤炭學(xué)報，2016，41（12）：3158-3166.LI Xu，GU Yongzheng，WU Miao.Kinematics analysis of roadheaders working mechanism based on differential geometry［J］.Journal of China Coal Society，2016，41（12）：3158-3166.

［13］李曉豁，何洋，李婷，等.縱軸式掘進機橫向和縱向隨機振動響應(yīng)的分析［J］煤炭學(xué)報2014，39（3）：580-585.LI Xiaohuo，HE Yang，LI Ting，et al.Analysis of horizontal and vertical random vibration responses of longitudinal roadheader［J］.Journal of China Coal Society，2014，39（3）：580-585.

［14］李曉豁，田晶，黃艷.橫軸式截割頭截割過程的運動學(xué)仿真［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2001，30（1）：17-20.LI Xiaohuo，TIAN Jing，HUANG Yan.Kinematics simulation of a horizontal cutting head in cutting process［J］.Journal of Heilongjiang Institute of Science & Technology，2001，30（1）：17-20.

［15］黃建農(nóng)，白龍，董志峰.EBH300A型掘進機虛擬樣機及截齒運動仿真［J］.機械傳動，2015，39（5）：120-123.HUANG Jiannong，BAI Long，DONG Zhifeng.Cutting tooth kinematic simulation and virtual prototype of EB H300A roadheader［J］.Journal of Mechanical Transmission，2015，39（5）：120-123.

［16］劉旭南，趙麗娟，黃凱，等.基于應(yīng)力-強度干涉理論的采煤機截割部關(guān)鍵零件可靠性分析［J］.煤炭學(xué)報，2019，44（3）：964-972.LIU Xunan，ZHAO Lijuan，HUANG Kai，et al.Reliability analysis on the key parts of the cutting unit of shearer based on stress-stength interference theory［J］.Journal of China Coal Society，2019，44（3）：964-972.

［17］尹力，梁堅毅，朱真才，等.采煤機螺旋式滾筒截割載荷仿真分析［J］.煤炭技術(shù)，2010，29（11）：3-5.YIN Li，LIANG Jianyi，ZHU Zhencai，et al.The drum load simulation analysis of mineral helix shearer［J］.Coal Technology，2010，29（11）：3-5.

［18］年魁，吳鳳林.連續(xù)采煤機截割參數(shù)的確定及計算［J］.煤礦機械，2011，32（6）：12-14.NIAN Kui，WU Fenglin.Finite calculation of cutting unit for continuous miner［J］.Coal Mine Machinery，2011，32（6）：12-14.

［19］史瓊艷，謝小敏.基于模型控制的并聯(lián)機構(gòu)機器人腿簡化建模與辨識方法研究［J］.中國工程機械學(xué)報，2019，17（6）：495-500.SHI Qiongyan，XIE Xiaomin.Research on simplified modeling and identification method of parallel mechanism robot leg based on model control［J］.Chinese Journal of

Construction Machinery，2019，17（6）：495-500.

［20］張德珍，王德倫，馬雅麗.基于方向變換矩陣的三維裝配草圖生成方法［J］.中國機械工程，2005（6）：43-47，54.ZHANG Dezhen，WANG Delun，MA Yali.A new approach for top-down assembly draft design by means of direction transformation matrix［J］.China Mechanical Engineering，2005（6）：43-47+54.

［21］董磊，張華，呂繼雙，等.基于力鏈的巖石單齒截割特性研究及截割力預(yù)測［J］.巖土力學(xué)，2022，43（11）：3036-3046.DONG Lei，ZHANG Hua，LYU Jishuang，et al.Rock cutting characteristics with single pick and prediction of cutting force based on force chain［J］.Rock and Soil Mechanics，2022，43（11）：3036-3046.

［22］杜鑫，應(yīng)明，韓冰.不同截割線速度截齒受力的分析［J］.煤礦機械，2013，34（11）：91-92.DU Xin，YING Ming，HAN Bing.Analysis of cutting pick stress with different cutting linear velocity［J］.Coal Mine Machinery，2013，34（11）：91-92.

［23］劉春生，劉延婷，李德根，等.軸向振動截割下碟盤刀刃與煤巖作用機制及其載荷模型［J］.煤炭學(xué)報，2023，48（1）：484-496.LIU Chunsheng，LIU Yanting，LI Degen，et al.Interac tion mechanism and load model between dise blade and coal rock under axial vibration cutting［J］.Journal of China Coal Society，2023，48（1）：484-496.

［24］王鵬江，楊陽，王東杰，等.懸臂式掘進機煤矸智能截割控制系統(tǒng)與方法［J］.煤炭學(xué)報，2021，46（S2）：1124-1134.WANG

Pengjiang，YANG Yang，WANG Dongjie，et al.Intelligent cutting control system and method of coal and gangue in a rmbotice roadheader［J］.Journal of China Coal Society，2021，46（S2）：1124-1134.

［25］張夢奇.縱軸式掘進機截割功率預(yù)測方法與試驗驗證［J］.煤炭學(xué)報，2015，40（S1）：272-278.ZHANG Mengqi.Cutting power prediction method and experimental verification of longitudinal roadheader［J］.Journal of China Coal Society，2015，40（S1）：272-278.

（責(zé)任編輯：李克永）