張?zhí)m勝，魏景生，楊 陽，宋月輝

(石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，石家莊 050031)

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對能源的需求也越來越大。我國能源結(jié)構(gòu)中，有70%來源于煤炭，其中95%煤礦為井工開采，隨著綜采機(jī)械化程度的不斷提高，工作面準(zhǔn)備速度明顯落后，采掘比例失調(diào)矛盾突出;新建礦井和我國東部各產(chǎn)煤礦巖巷開拓任務(wù)重。目前煤礦巖巷掘進(jìn)作業(yè)幾乎全部采用爆破法，效率低、成巷質(zhì)量差、安全性差;重型巖巷掘進(jìn)機(jī)在國外應(yīng)用相對較多，我國極少數(shù)煤礦引進(jìn)使用，掘進(jìn)效果不錯(cuò)，但存在價(jià)格高昂、維修服務(wù)困難、沒有自主知識產(chǎn)權(quán)等問題，因此進(jìn)口巖石掘進(jìn)機(jī)在國內(nèi)的推廣受到了制約。我國還沒有真正意義上的重型巖巷掘進(jìn)機(jī)，巖巷機(jī)械化掘進(jìn)成為各礦普遍存在的技術(shù)難題。各礦務(wù)局都在尋求安全、高效、低成本的巖巷機(jī)械化掘進(jìn)方式。因此開發(fā)一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)先進(jìn)、適應(yīng)我國煤礦巖巷掘進(jìn)要求、成本低廉的巖巷掘進(jìn)機(jī)，以解決我國煤礦采掘失調(diào)矛盾，促進(jìn)煤礦高效安全生產(chǎn)，是非常必要的[1～4]。

根據(jù)筆者等多年制造和使用掘進(jìn)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，不斷研究優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和適應(yīng)性，通過充分調(diào)研對比國內(nèi)外先進(jìn)掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)及應(yīng)用情況，研究開發(fā)了EBH300(A)巖石掘進(jìn)機(jī)，多項(xiàng)技術(shù)屬國內(nèi)外領(lǐng)先的新技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)，代表了國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢。主要包括:重型巖巷掘進(jìn)機(jī)整體設(shè)計(jì)技術(shù)、高可靠性部件設(shè)計(jì)技術(shù)、無極調(diào)速變量自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)技術(shù)、全遙控智能型電控系統(tǒng)。

2 重型巖巷掘進(jìn)機(jī)整體設(shè)計(jì)技術(shù)

為了使該設(shè)備能夠適應(yīng)井下巖石巷道掘進(jìn)，首先對半煤巖掘進(jìn)機(jī)在切割巖石時(shí)存在的問題進(jìn)行了分析匯總，通過大量的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行巖巷掘進(jìn)時(shí)主要存在以下問題:a.截割硬度低，截割頭壽命短;b.工作時(shí)機(jī)身振動(dòng)大，穩(wěn)定性差;c.裝運(yùn)系統(tǒng)易卡鏈、易磨損;d.整機(jī)可靠性差。

針對以上問題，在整機(jī)設(shè)計(jì)上主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行了研究。

1)截割形式的確定。破巖能力是巖石掘進(jìn)機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，通過對截齒與巖壁的接觸狀況分析，利用模擬運(yùn)動(dòng)仿真，發(fā)現(xiàn)橫軸掘進(jìn)機(jī)在巖巷掘進(jìn)作業(yè)中與縱軸掘進(jìn)機(jī)相比具有一定的優(yōu)勢，截齒運(yùn)動(dòng)軌跡相對比較確定，截齒與巖石接觸時(shí)入切角更加接近理論破巖角度，因此選用橫軸截割形式[5～7]。

2)整機(jī)參數(shù)的確定。考慮巖石掘進(jìn)機(jī)在截割時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性問題，設(shè)備應(yīng)具有足夠的重量來克服因截割巖石造成的整機(jī)振動(dòng)，同時(shí)為了有效地利用自身重量提高整機(jī)穩(wěn)定性，對履帶中心距及履帶的接觸長度進(jìn)行了定性分析，同時(shí)考慮整機(jī)對巖巷斷面的適應(yīng)性，建立了整機(jī)模擬工況時(shí)的載荷譜，通過對載荷譜的分析，優(yōu)化了整機(jī)結(jié)構(gòu)、重心位置等，最終確定設(shè)備重125 t，整機(jī)寬度不大于3 m，履帶接地長度不小于4.5 m，適應(yīng)坡度±18°，截割高度不小于5.5 m，截割寬度不小于8 m，最大切割硬度不小于f12。

3)裝運(yùn)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)的確定。由于巖巷掘進(jìn)機(jī)使用工況惡劣，結(jié)合巖石裝運(yùn)易卡鏈、易磨損的特點(diǎn)，裝運(yùn)系統(tǒng)采用分裝分運(yùn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加大裝載運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)能力，充分利用電機(jī)的過載能力，最終確定星輪及第一運(yùn)輸機(jī)分別采用37 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件選用了特殊的耐磨材料，提高耐用度和壽命。

4)液壓系統(tǒng)的確定。該掘進(jìn)機(jī)重量大、功率大、負(fù)載沖擊也大，為保證各部的動(dòng)作靈活，同時(shí)保證節(jié)能及系統(tǒng)的可靠性，研究開發(fā)了雙變量負(fù)載敏感電磁比例控制系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力25 MPa。

5)電氣系統(tǒng)的確定。該設(shè)備主要用來進(jìn)行巖巷開拓，設(shè)備外形尺寸較普通掘進(jìn)機(jī)大，研究了全遙控控制、自動(dòng)截割成形技術(shù)，既便于操作又有利于巷道成形，同時(shí)電氣系統(tǒng)具有智能診斷、齊全的保護(hù)功能，擴(kuò)展能力強(qiáng)。

3 高可靠性部件設(shè)計(jì)技術(shù)

部件的可靠性是巖石掘進(jìn)機(jī)是否能夠適應(yīng)井下巖巷掘進(jìn)工作最為關(guān)鍵的因素，因此針對掘進(jìn)機(jī)各部件在掘進(jìn)機(jī)工作過程中作用及特點(diǎn)的不同進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

3.1 截割機(jī)構(gòu)

截割機(jī)構(gòu)是巖石掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件，截割機(jī)構(gòu)性能的好壞直接影響掘進(jìn)機(jī)的截割硬度、截割效率和使用壽命，在截割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的特殊設(shè)計(jì)(如圖1所示)。

1)截割部采用橫軸雙截割頭結(jié)構(gòu)形式，截割巖石硬度和效率高，截割穩(wěn)定性好;截割頭采用三維軟件仿真模擬設(shè)計(jì)，通過對截割頭截齒分布的研究及受力分析，合理排布截齒相對截割頭體及被截割巖石的角度，全包絡(luò)線多齒掩護(hù)切割，切割振動(dòng)小，使之能有效地對巖石進(jìn)行破碎、截割，截割頭磨損小，截齒損耗率低。

2)截割臂采用特殊的整體伸縮結(jié)構(gòu)，大大增加了傳動(dòng)剛性。通過伸縮油缸進(jìn)行掘進(jìn)的掏槽作業(yè)，進(jìn)刀量、進(jìn)刀力可控，有效解決了巖石掘進(jìn)機(jī)依靠行走掏槽作業(yè)導(dǎo)致的強(qiáng)烈沖擊及悶車現(xiàn)象，同時(shí)有利于巷道的修形。

3)研究設(shè)計(jì)了截割部齒輪減速箱跨橋行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，滿足了大功率、大傳動(dòng)比、體積小的要求。傳動(dòng)齒輪、軸承采用油泵強(qiáng)制潤滑方式，同時(shí)減速箱殼體采用迷宮水沖刷冷卻方式，改善了減速箱的散熱方式，降低了減速箱的溫度，延長了齒輪、軸承的使用壽命。

圖1 截割部機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Cutting units

3.2 裝運(yùn)部

裝運(yùn)部由鏟板部(見圖2)和第一運(yùn)輸機(jī)組成，用來裝運(yùn)掘進(jìn)機(jī)破碎下來的巖石。裝運(yùn)的運(yùn)輸能力及防卡鏈、防磨損是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，該巖石掘進(jìn)機(jī)的裝運(yùn)部具有以下特點(diǎn)。

1)裝運(yùn)部采用分裝分運(yùn)，有效降低了裝運(yùn)故障。

2)星輪及運(yùn)輸分別采用37 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出力量大，過載能力強(qiáng)，有效地解決了由于巖石擠掩造成的卡鏈問題。

3)鏟板部及運(yùn)輸部采用全封閉回鏈連接形式，回鏈運(yùn)行平穩(wěn)，無卡阻，防跳鏈，杜絕了因跳鏈導(dǎo)致的卡鏈問題。

圖2 鏟板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of apron

4)鏟板采用大俯角前探式設(shè)計(jì)，縮短了機(jī)尾輪與巖壁之間的距離，最大限度地實(shí)現(xiàn)物料裝運(yùn)，裝巖效果好。

5)應(yīng)用特殊符合耐磨鋼板，大大提高了裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的使用壽命。

3.3 本體部

本體部是其他各部件連接的基礎(chǔ)，本體的結(jié)構(gòu)合理性直接關(guān)系整機(jī)的布置和設(shè)備的可靠性，如圖3所示。

圖3 本體部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of major body

1)本體部主機(jī)架采用鑄造、焊接相結(jié)合的工藝方式，通過有限元進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度高。

2)本體架采用分體U形連接結(jié)構(gòu)，解體尺寸小，連接可靠，適合我國煤礦條件要求。

3)后架采用滑靴式橫向后支撐設(shè)計(jì)，減小了接地比壓，方便了機(jī)身位置左右調(diào)整，可在無行走情況下實(shí)現(xiàn)小角度的機(jī)身位姿調(diào)整。

4)回轉(zhuǎn)部采用新型回轉(zhuǎn)齒輪齒條傳動(dòng)替換傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)油缸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了截割臂擺動(dòng)恒力量輸出。

5)回轉(zhuǎn)支承研究了摩擦盤與調(diào)心滾子軸承相結(jié)合的方式，高壓潤滑脂強(qiáng)制潤滑，與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)支承相比剛性好、抗振動(dòng)載荷能力強(qiáng)。

3.4 行走部

行走部驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)為液壓馬達(dá)與減速機(jī)高度集成結(jié)構(gòu)。履帶采用履帶板和連接銷軸復(fù)合結(jié)構(gòu)，使更換履帶板更容易，在履帶架外側(cè)設(shè)有檢查窗口，履帶漲緊油缸可從履帶外側(cè)安裝或取出。掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)震動(dòng)大，履帶架與本體的聯(lián)接要具有足夠的放松能力，保證連接的可靠性，首次研究應(yīng)用了高壓液壓螺母連接，預(yù)緊力可控，連接可靠。

3.5 潤滑系統(tǒng)

筆者等對整機(jī)潤滑系統(tǒng)進(jìn)行了著重研究，在將重載的運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)了集中自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，潤滑可靠，自動(dòng)化程度高，從而大大降低了整機(jī)的維護(hù)時(shí)間和設(shè)備維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 具有國際先進(jìn)水平的液壓系統(tǒng)

1)EBH300(A)巖石掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用了變量、比例、負(fù)載敏感控制技術(shù)，一個(gè)泵對應(yīng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)具有低壓非工作狀態(tài)泵擺角為最小，高壓溢流狀態(tài)實(shí)現(xiàn)壓力切斷、泵出流量最小的特點(diǎn)，這樣既減少了能耗，又降低了系統(tǒng)的溫升。

2)主閥采用防爆電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、液各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)控制，是整機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控智能控制的中心紐帶，也使得整機(jī)更加智能，操作更為簡單方便。

3)升降、回轉(zhuǎn)油缸采用緩沖減震技術(shù)、升降油缸加反沖補(bǔ)油，保證升降、回轉(zhuǎn)運(yùn)行的平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性，解決掘進(jìn)機(jī)升降油缸損壞頻繁的難題。

4)行走系統(tǒng)采用雙變量負(fù)載敏感技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能判斷負(fù)載，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙速切換控制。

5)反饋油路加裝防爆安全切斷控制閥，只要發(fā)出指令，該閥即將反饋油路切斷，任何操作都不能使掘進(jìn)機(jī)行走與擺動(dòng)，保證非常時(shí)刻人員的安全。

除以上技術(shù)外，該液壓系統(tǒng)還配備有先進(jìn)的自動(dòng)加油系統(tǒng)、精良的高壓過濾裝置、先進(jìn)的冷卻裝置、嚴(yán)格的油品保證要求。所有這些都為系統(tǒng)高可靠性提供了保障，液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

5 全遙控智能型電控系統(tǒng)

石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司承擔(dān)國家“十一五”863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”課題“掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)”，“863”部分研究成果成功推廣到硬巖掘進(jìn)機(jī)EBH300(A)，使掘進(jìn)機(jī)電控水平達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流。

EBH300(A)全遙控智能型電控系統(tǒng)，采用了多點(diǎn)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割。截割升降油缸與鏟板油缸內(nèi)置磁滯傳感器，能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的巷道斷面輪廓曲線完成自動(dòng)截割成形操作。掘進(jìn)機(jī)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)身上布置的傳感器得到截割頭的空間位置，然后根據(jù)預(yù)置的輪廓參數(shù)進(jìn)行軌跡的跟蹤。工控機(jī)和可編程計(jì)算機(jī)控制器能夠共同分擔(dān)控制任務(wù)，通過總線通訊方式協(xié)調(diào)工作，整個(gè)截割過程不需要人為參與，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了巷道成形質(zhì)量。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Diagram of hydraulic system

5.1 遙控系統(tǒng)

遙控發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)遙控操作控制的關(guān)鍵部件，主要完成控制指令的可靠傳輸，其內(nèi)部的工作原理涉及無線電電子學(xué)、數(shù)字電路學(xué)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和程序設(shè)計(jì)等多個(gè)專業(yè)方面，具有一定的復(fù)雜性。遙控操作信號傳輸方式大多采用無線電、紅外線和超聲波形式。采掘機(jī)械的遙控操作是近距離的遙控操作，操作距離一般在30 m以內(nèi)。

如圖5所示，該設(shè)備遙控器防爆形式為礦用本質(zhì)安全型，采用本安源供電，控制距離20 m左右，遙控器上設(shè)置有多個(gè)撥動(dòng)開關(guān)和兩個(gè)指尖式萬向手柄，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的全遙控操作。撥動(dòng)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、顯示屏參數(shù)設(shè)置等操作，兩個(gè)萬向手柄分別控制截割臂和履帶動(dòng)作。

礦用本質(zhì)安全型遙控發(fā)射機(jī)是掘進(jìn)機(jī)無線電遙控系統(tǒng)的重要組成部分。通過操作發(fā)射機(jī)上的相應(yīng)按鈕，發(fā)載頻編碼信號，該信號經(jīng)無線電接收機(jī)接收后，經(jīng)解碼電路進(jìn)行解碼，解碼后數(shù)據(jù)傳給電控箱內(nèi)的控制器，接收機(jī)工作原理見圖6。

可編程計(jì)算機(jī)控制器可擴(kuò)展多個(gè)RS232串行通訊端口，可編程計(jì)算機(jī)控制器的串口控制非常靈活，通過C語言進(jìn)行串口通訊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，提高了編程速度。

圖5 遙控裝置圖片F(xiàn)ig.5 Picture of remote control device

5.2 斷面自動(dòng)成形截割

懸臂掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，通過截割頭旋轉(zhuǎn)和懸臂的垂直及水平擺動(dòng)截割出所需斷面。截割頭在空間的行走軌跡決定截割斷面形狀，由懸臂相對于掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的垂直擺動(dòng)與水平擺動(dòng)以及截割頭的伸縮實(shí)現(xiàn)。垂直擺動(dòng)與水平擺動(dòng)是兩個(gè)分別獨(dú)立的液壓控制系統(tǒng)，既可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)截割頭垂直或水平運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而完成任意斷面形狀截割。

5.2.1 斷面自動(dòng)成形控制策略

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭在空間的行走軌跡決定截割斷面形狀，由懸臂相對于掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的垂直擺動(dòng)與水平擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在截割中，根據(jù)斷面形狀和巷道高、寬尺寸控制懸臂不同位置擺動(dòng)角，通過一定工藝過程循環(huán)作業(yè)，截割出所需斷面。

總控制框圖見圖7。

此控制方案的流程是通過截割頭空間軌跡檢測傳感裝置檢測截割頭空間位置，利用可編程計(jì)算機(jī)(PCC)獲取各個(gè)傳感器的信息，然后與智能工控面板進(jìn)行通訊，將坐標(biāo)信息傳遞給智能工控面板。智能工控面板中的自動(dòng)截割控制程序?qū)⑷沸盘栕x入后，根據(jù)程序中預(yù)先設(shè)定好的截割路徑及坐標(biāo)參數(shù)發(fā)出控制信號，PCC根據(jù)收到的指令向電液比例閥組發(fā)出控制信號，控制各閥口的開閉順序，從而控制油缸的起停順序，最終控制截割頭按設(shè)計(jì)路徑準(zhǔn)確截割獲得規(guī)整斷面。

5.2.2 自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)工控機(jī)自動(dòng)成形電控系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)先輸入的巷道斷面輪廓曲線完成自動(dòng)截割成形操作。掘進(jìn)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)身上布置的傳感器計(jì)算得到截割頭的空間位置，然后根據(jù)預(yù)置的輪廓參數(shù)進(jìn)行軌跡的跟蹤。工控機(jī)和可編程計(jì)算機(jī)控制器能夠共同分擔(dān)控制任務(wù)，通過通訊方式協(xié)調(diào)工作，整個(gè)截割過程不需要人為參與，大大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度、保證了工作質(zhì)量。

5.2.2.1 硬件系統(tǒng)

該電控系統(tǒng)包括控制器、按鈕操作箱、顯示器及外圍傳感器，系統(tǒng)組成框圖見圖8。

圖6 遙控裝置原理圖Fig.6 Diagram of remote control device

圖7 基于PCC電控系統(tǒng)的截割斷面自動(dòng)成形控制方案圖Fig.7 Diagram of cutting section automatic modeling control based on PCC electrical control system

圖8 自動(dòng)成形截割控制框圖Fig.8 Diagram of automatic modeling cutting control

1)控制器。系統(tǒng)采用工控機(jī)(IPC)和可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)相結(jié)合的控制方式。可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)是一種不同于可編程邏輯控制器(PLC)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)的新一代控制器。PCC中采用分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，擺脫了PLC中單個(gè)程序?qū)τ布囊蕾?，能夠方便地處理設(shè)計(jì)中的開關(guān)量、模擬量，能夠靈活地進(jìn)行回路調(diào)節(jié)，而且能夠使用高級語言編程。

IPC功能強(qiáng)大，界面友好，但I(xiàn)PC模式開發(fā)周期長、安裝體積大、擴(kuò)展性差，且IPC模式主要是通過接口板轉(zhuǎn)換各種信號，存在干擾問題，PCC要可靠的多。因此確定了IPC為上位機(jī)，PCC為下位機(jī)的控制模式。

IPC在圖形處理和大數(shù)據(jù)量浮點(diǎn)運(yùn)算方面的能力是普通PLC無可比擬的，在該系統(tǒng)中采用IPC作為上位機(jī)，通過通訊接口與下位機(jī)PCC進(jìn)行通訊，傳感器數(shù)據(jù)及操作指令通過PCC進(jìn)行采集，IPC只負(fù)責(zé)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)計(jì)算、截割圖形顯示、自動(dòng)截割過程中的輪廓邊界判斷等需要大數(shù)據(jù)量運(yùn)算但不需要高速響應(yīng)的的地方。

2)截割頭空間位置檢測裝置。截割頭相對于掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的空間位置檢測是實(shí)現(xiàn)巷道斷面自動(dòng)成形的核心。通過截割頭運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定截割頭空間位置檢測裝置組成，包括截割頭行程傳感器測量、截割頭伸縮量、截割臂傾角傳感器測量、截割臂垂直擺角、回轉(zhuǎn)臺測速傳感器測量、截割臂水平擺角。

a.行程傳感器。借鑒液壓支架電液控制系統(tǒng)，用于測截割頭伸縮量。包括行程傳感器管體(內(nèi)部裝有緊密排列的干簧管和電阻組成的等效電位器電路)、行程傳感器磁環(huán)、接線插座(如圖9所示)及交換電路。

圖9 行程傳感器構(gòu)成Fig.9 Composition of distance sensor

b.傾角傳感器。目前國內(nèi)煤礦設(shè)備有采用油缸內(nèi)置傳感器檢測油缸行程計(jì)算截割頭截割位置的控制方法，測試精度高，但傳感器的安裝較復(fù)雜，需換內(nèi)部鉆孔的配套油缸，該組合造價(jià)高，對控制器的要求也高。綜合考慮煤巷測試環(huán)境要求，提出直接選取傾角傳感器安裝在截割臂側(cè)面，測截割臂垂直擺角，其控制簡單，滿足煤巷精度要求，且安裝便捷、成本低。

傾角傳感器采用無接觸觸點(diǎn)的磁敏電阻型重力擺式傾斜角傳感，經(jīng)過低功耗標(biāo)準(zhǔn)電壓變送電路，輸出穩(wěn)定的電壓信號，工作電流小，可靠性高，是本安型設(shè)計(jì)。密封性好，耐水、油和腐蝕性氣體，能抗振和適應(yīng)惡劣環(huán)境。傾角傳感器實(shí)物圖見圖10，輸出特性曲線見圖11。

圖10 傾角傳感器實(shí)物圖Fig.10 Picture of angle sensor

圖11 傾角傳感器輸出特性曲線圖Fig.11 Diagram of angle sensor output characteristic graph

c.測速傳感器。采用新型SMR磁敏感元件，頻響寬，穩(wěn)定性好，抗干擾強(qiáng)，并內(nèi)裝放大整形電路，輸出為兩路有相位差的幅度穩(wěn)定的方波信號，如圖12所示。具有判向功能，能分辨齒輪、齒條的運(yùn)動(dòng)方向，具有編碼器的功能，可以測量雙向運(yùn)動(dòng)的位移量和正反角度轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值。產(chǎn)品可靠性高，堅(jiān)固耐用。實(shí)物圖如圖13所示。

3)比例放大器。比例放大器又稱放大板，主要用于系統(tǒng)中電液比例閥的控制。具有兩個(gè)互相獨(dú)立運(yùn)行的比例放大器，并有很好的調(diào)節(jié)精度。可同時(shí)控制3位3通或3位4通比例閥(每個(gè)閥有一個(gè)雙比例電磁鐵或兩個(gè)單獨(dú)的比例電磁鐵通過開關(guān)a、b進(jìn)行交替動(dòng)作。因此，此放大器主要控制帶E(電磁鐵)或E/A(電磁鐵或手動(dòng)控制)操作的PSL(V)或SWS2-MP型等帶兩個(gè)電磁鐵的比例方向滑閥。

比例放大器主要特點(diǎn)為:一個(gè)放大器可用12 VDC和 24 VDC電源;可以使用±5 VDC和±10 VDC兩種穩(wěn)定的電壓和參考電壓;用多圈電位器，可在兩個(gè)方向精確地調(diào)節(jié)基本和最大電流;精確地維持額定電流;顫振信號疊加到輸出電流上，顫振幅值可調(diào)，顫振頻率均55 Hz;用多圈電位器可調(diào)節(jié)遞增和遞減斜坡時(shí)間;輸出短路和接地短路保護(hù)。比例放大器保護(hù)功能完善，具有輸出短路和接地短路保護(hù)功能以及故障指示燈。

4)負(fù)載敏感式比例多路換向閥組。本項(xiàng)目使用防爆負(fù)載敏感式比例多路換向閥。該閥組由電磁力馬達(dá)、比例減壓閥和液動(dòng)換向閥等組成，用于控制液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向，無級調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度，可使多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)并相互獨(dú)立地以不同速度和壓力工作，直到所需流量總和達(dá)到泵總排量為止。比例減壓閥在這里作為先導(dǎo)級使用，以其出口壓力控制液動(dòng)換向閥的正反開口量大小，控制液流的方向和流量的大小。

5.2.2.2 軟件系統(tǒng)

圖12 雙路測速傳感器輸出波形Fig.12 Diagram of double channel speed test sensor output characteristic graph

圖13 雙路測速傳感器實(shí)物圖Fig.13 Picture of double channel speed test sensor

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意形狀斷面輪廓的自動(dòng)截割，使用者可以隨時(shí)設(shè)計(jì)、編輯和修改斷面，在使用過程中還可以隨時(shí)對斷面輪廓進(jìn)行平移、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等微調(diào)操作。

1)主要軟件功能。

a.掘進(jìn)機(jī)的截割操作分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，在自動(dòng)截割成形模式下，系統(tǒng)預(yù)存多個(gè)巷道的截面圖形輪廓線，操作人員選擇某種圖形后系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)輪廓執(zhí)行自動(dòng)截割操作，自動(dòng)截割時(shí)顯示屏應(yīng)能夠顯示掘進(jìn)機(jī)截割頭能夠截割的最大區(qū)域、自動(dòng)截割輪廓、截割頭在輪廓中的實(shí)際位置、截割頭的坐標(biāo)信息等。

b.系統(tǒng)可以存儲多種巷道斷面輪廓的信息，使用者可以根據(jù)實(shí)際需要對預(yù)置的巷道斷面輪廓信息進(jìn)行修改，也可以自己編輯增加新的巷道輪廓信息參數(shù)并進(jìn)行存儲和隨時(shí)調(diào)用。操作者還可以隨時(shí)對斷面信息進(jìn)行微調(diào)，如:上下平移、放大、縮小、巷道底板平移等。

c.系統(tǒng)在自動(dòng)截割狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)具有超限位警告提示和禁止繼續(xù)操作功能。

d.截割頭空間位置傳感器更換型號或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)可以在顯示屏上進(jìn)行傳感器參數(shù)修改并存儲，提高了系統(tǒng)靈活性、方便程序的移植。

e.上位機(jī)顯示畫面能夠顯示設(shè)備的狀態(tài)信息:電機(jī)電流、溫度、電壓、計(jì)時(shí)等，并能隨著傳感器參數(shù)的變化而修改。

2)巷道斷面自動(dòng)截割成形控制顯示菜單內(nèi)容。人機(jī)界面采用大屏幕液晶顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)地以圖像的形式顯示截割臂及截割頭的空間位置及斷面軌跡畫面，顯示非常直觀，操作者可以通過屏幕隨時(shí)了解到截割狀態(tài)及位置，還能夠顯示系統(tǒng)的故障和報(bào)警信息，并具有信息記錄和查詢功能。見圖14至圖16。

各個(gè)頁面的參數(shù)均可以通過操作箱或遙控器的按鍵進(jìn)行修改，參數(shù)修改設(shè)有各種權(quán)限，只有輸入密碼正確后才能取得相應(yīng)的操作權(quán)限，提高了系統(tǒng)的靈活性和安全性。

5.3 恒功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

該機(jī)還具有恒功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過傳感器采集截割電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，判斷出其運(yùn)行狀態(tài)，并將信息反饋到IPC，IPC經(jīng)過處理后輸出進(jìn)刀調(diào)整的信息，以保證在規(guī)定的功率下高效工作，既提高了效率，又保護(hù)了電機(jī)不會過載。

圖14 傳感器參數(shù)設(shè)定頁面Fig.14 Sensor parameter setting page

圖15 故障報(bào)警查詢頁面Fig.15 Fault alarm inquire page

圖16 輸入輸出信息顯示頁面Fig.16 Information of input and output display page

5.4 巷道斷面自動(dòng)截割成形控制系統(tǒng)試驗(yàn)

1)截割控制精度分析。為了充分認(rèn)識并減小或消除誤差，必須對誤差進(jìn)行理論分析，從而確定斷面自動(dòng)成形的控制精度。誤差可能產(chǎn)生于以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

a.截割臂空間位置檢測裝置測量誤差。分析油缸內(nèi)置行程傳感器的檢測靈敏度，確定行程傳感器檢測誤差與斷面邊界控制誤差之間的關(guān)系。從而，當(dāng)確定傳感器的檢測精度后，可計(jì)算出邊界控制誤差范圍。

b.控制方法誤差。自動(dòng)截割步距的設(shè)定會引起邊界的超挖或欠挖，步距值設(shè)定過小，誤差值會相對減小，但是截割效率會下降;步距值設(shè)定過大，引起的誤差將增大。確定截割步距與邊界誤差的關(guān)系式，從而選取能使截割效率相對較高、誤差相對較小的截割步距值。

c.掘進(jìn)機(jī)升降、回轉(zhuǎn)油缸慣性誤差。當(dāng)截割頭運(yùn)動(dòng)到邊界時(shí)，由于慣性的作用會產(chǎn)生一定的誤差。由于無法實(shí)驗(yàn)室模擬與計(jì)算，擬定進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，測量掘進(jìn)機(jī)升降、回轉(zhuǎn)油缸慣性誤差最大值。

2)調(diào)試效果及所獲結(jié)論。矩形斷面的自動(dòng)截割成形控制試驗(yàn)效果圖如圖17所示。

圖17 矩形斷面類S路徑截割圖Fig.17 Rectangle section quasi-S type route cutting

梯形斷面的自動(dòng)截割成形控制試驗(yàn)效果圖如圖18所示。

圖18 梯形斷面類S路徑截割圖Fig.18 Trapezium section quasi-S type route cutting

目前掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割運(yùn)行試驗(yàn)效果良好，截割過程中掘進(jìn)機(jī)機(jī)身無明顯晃動(dòng)，無累積偏差，截割斷面單邊定位精度＜40 mm，回轉(zhuǎn)重復(fù)精度＜20 mm，巷道斷面自動(dòng)截割成形完全符合煤巷質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語

EBH300(A)巖石掘進(jìn)機(jī)于2009年5月份在新汶礦務(wù)局新巨龍礦輔一大巷1#聯(lián)巷以北至2#聯(lián)巷段投入使用，長度約 600 m，巖石硬度 29～116.2 MPa，采用全斷面錨噴支護(hù)。巷道斷面為半圓拱，寬5.7 m，高 4.3 m，斷面面積 23.8 m2。井深810 m，頂板巖石不穩(wěn)固，易于掉落。2009年7月至10 月平均進(jìn)尺分別為:4.55、4.52、4.12、4.5 m/d。目前累計(jì)進(jìn)尺2 700 m，創(chuàng)造了巖巷掘進(jìn)零事故的驕人成績。目前已經(jīng)有近十臺在不同的巖巷掘進(jìn)中應(yīng)用，掘進(jìn)效率高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，得到了用戶的認(rèn)可。

實(shí)踐證明EBH300(A)巖石掘進(jìn)機(jī)的研制是成功的，它擁有多項(xiàng)專利技術(shù)和世界先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)，綜合性能達(dá)到了世界先進(jìn)水平，是我國巖巷掘進(jìn)最先進(jìn)、最實(shí)用的重型裝備，使我國大型煤礦裝備制造水平提高了一大步。

[1]王金喜.國外掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)概述[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(2):105-106.

[2]汪勝陸，孟國營，田 劼，等.懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢[J].煤礦機(jī)械，2007(6):1-3.

[3]邢印成，王鳳林，郭 濱.掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展[J].煤炭技術(shù)，2005(5):5-6.

[4]毛 君，吳常田，謝 苗.淺談懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展及趨勢[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007(2):240-242.

[5]王正華，吳翠艷.掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展[J].選煤技術(shù)，2006(s1):57-59.

[6]趙學(xué)社.煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007(4):1-10.

[7]馬 躍.談我國懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展及趨勢[J].煤，2006(2):29-30.