柴懷玉

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

現(xiàn)有的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的截割動(dòng)作和路徑主要是依靠人工控制操作臺(tái)上的各種控制手柄，實(shí)現(xiàn)控制油缸的升降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)的控制，但該控制方式對操作人員的技能水平要求較高，而且截割斷面的質(zhì)量難以保證，同時(shí)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、易疲勞、截割斷面質(zhì)量差、工作效率低下，難以滿足煤礦井下機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢和要求，因此需開發(fā)一種新的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的自動(dòng)化、智能化。

1 掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作原理

掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)是掘進(jìn)機(jī)用于切割巖壁的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要用于將巖石或者煤塊從巖壁或者煤層中分離。截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的路徑?jīng)Q定了截割面的形狀和是否需要重復(fù)截割。掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)主要包括液壓驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、截割臂及截割頭，整個(gè)截割機(jī)構(gòu)通過執(zhí)行油缸安裝在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身上，在工作時(shí)利用兩個(gè)相獨(dú)立的液壓控制系統(tǒng)控制截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行上下、左右的擺動(dòng)作業(yè)，同時(shí)也可以同時(shí)利用兩套執(zhí)行油缸控制掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而使掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)各類型巷道和復(fù)雜斷面的截割作業(yè)[1]。

掘進(jìn)機(jī)截割臂在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)主要是通過液壓系統(tǒng)控制一對同步升降的執(zhí)行油缸來完成的，當(dāng)執(zhí)行油缸的行程改變時(shí)，可以使截割臂圍繞著截割臂和機(jī)身的銷接點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)在垂直方向上的擺動(dòng)。掘進(jìn)機(jī)截割臂在水平方向上的運(yùn)動(dòng)主要由兩組對稱布置的液壓油缸控制，執(zhí)行油缸的活塞桿與機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連，執(zhí)行油缸的缸體與機(jī)身相連。通過液壓系統(tǒng)控制兩側(cè)油缸的伸出和縮回，實(shí)現(xiàn)在水平方向上的擺動(dòng)。

2 掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的工作原理，設(shè)計(jì)新的掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制模塊、檢測模塊、比例放大器、敏感式比例控制閥及執(zhí)行單元。

圖1 截割控制系統(tǒng)的控制流程圖

檢測模塊是該控制系統(tǒng)的“耳目”，主要是指布置在掘進(jìn)機(jī)不同部位的各類傳感器設(shè)備，包括活塞桿位移傳感器（分別布置在升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸上）、電流傳感器（布置在截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)處），用于監(jiān)測各執(zhí)行油缸活塞桿的位移情況和截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的電流變化情況。系統(tǒng)依據(jù)截割機(jī)構(gòu)在巷道內(nèi)的空間位置與升降及回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的伸出情況的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)計(jì)算出截割機(jī)構(gòu)需要移動(dòng)的方向和位移量，系統(tǒng)再根據(jù)截割電機(jī)的電流傳感器監(jiān)測到的執(zhí)行電機(jī)的電流情況即可自動(dòng)生成掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)在執(zhí)行截割作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中截割機(jī)構(gòu)控制電機(jī)的電流值可以直觀表示出井下巷道內(nèi)截割時(shí)所受到的截割阻力的大小，根據(jù)所記憶的截割電流大小即可用于對掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行自動(dòng)截割作業(yè)時(shí)對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡和速度的控制，例如，當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)記憶截割時(shí)，在某個(gè)位置截割電流大于正常工作電流，則說明在該處截割機(jī)構(gòu)是處于過載工作狀態(tài)的，此時(shí)就可以根據(jù)記憶情況使系統(tǒng)自動(dòng)控制截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行路徑上的一個(gè)調(diào)整，避開該處，從而在確保維持截割效率的情況下保持截割機(jī)構(gòu)截齒和電機(jī)安全的工作安全和使用壽命。

3 截割機(jī)構(gòu)自動(dòng)截割成形控制方法

根據(jù)前文所述，掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的工作路徑是通過控制掘進(jìn)機(jī)的四組執(zhí)行油缸來實(shí)現(xiàn)的，因此在掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行自動(dòng)截割作業(yè)時(shí)，可利用PLC編程，實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行油缸動(dòng)作順序、動(dòng)作幅度及節(jié)流閥閥口流量的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對截割機(jī)構(gòu)工作路徑的精確規(guī)劃，獲得合理的巷道截割斷面，截割機(jī)構(gòu)的自動(dòng)截割成形控制方法控制邏輯如圖2所示。

圖2 截割機(jī)構(gòu)自動(dòng)截割成形控制框圖

在該自動(dòng)截割成形控制[2]系統(tǒng)中，需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的巷道截割路徑，通過電流信號(hào)對掘進(jìn)機(jī)的升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸的動(dòng)作順序進(jìn)行控制，同時(shí)通過比例放大器對各比例溢流閥的開口大小實(shí)現(xiàn)精確控制，進(jìn)而對各油缸的進(jìn)、出液壓油的量進(jìn)行控制，用于精確控制各油缸在空間各方向上的動(dòng)作。位于各油缸上內(nèi)置的位移傳感器對各活塞桿的伸出量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并以截割機(jī)構(gòu)中心為參照點(diǎn)，計(jì)算出截割機(jī)構(gòu)的空間坐標(biāo)位置，將計(jì)算出的結(jié)果與設(shè)定好的井下巷道的邊界坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，當(dāng)截割機(jī)構(gòu)的輪廓邊界達(dá)到巷道坐標(biāo)邊界時(shí)控制關(guān)閉相應(yīng)執(zhí)行油缸的溢流閥，從而控制結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的截割運(yùn)動(dòng)。

為了確保截割機(jī)構(gòu)對巷道截割的精確性，針對常見的巷道結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)實(shí)際截割流程，設(shè)置了自動(dòng)截割控制工藝流程，實(shí)現(xiàn)了對截割順序的簡化，同時(shí)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的截割動(dòng)作順序流程，設(shè)計(jì)的截割工藝路徑為由上到下的截割順序，針對不同巷道結(jié)構(gòu)的自動(dòng)截割路徑如圖3所示[3]。

圖3 截割機(jī)構(gòu)自動(dòng)截割路徑示意圖

在該自動(dòng)截割控制路徑中，可以根據(jù)截割機(jī)構(gòu)在巷道中的相對位置實(shí)現(xiàn)從任意一點(diǎn)開始截割，不用特意設(shè)定某個(gè)工藝截割路徑的起始端，從而避免了在執(zhí)行截割作業(yè)時(shí)截割機(jī)構(gòu)每次截割時(shí)必須回到系統(tǒng)標(biāo)定的起始端進(jìn)行截割。當(dāng)完成整個(gè)截割作業(yè)后再控制截割機(jī)構(gòu)回到起始點(diǎn)，從而提高了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的整體截割效率。

4 結(jié)語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、自走、裝載、運(yùn)輸及噴霧降塵于一體的聯(lián)合機(jī)組，是煤礦井下綜采面掘進(jìn)工作的核心裝備，具有靈活性高、機(jī)動(dòng)性能好、施工準(zhǔn)備周期短、可截割任意斷面等優(yōu)點(diǎn)，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦井下巷道的掘進(jìn)速度。新的自動(dòng)截割控制技術(shù)可極大提高掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)克服了現(xiàn)有截割控制技術(shù)的缺點(diǎn)，對掘進(jìn)效率的提高具有重大意義。