王振華

摘 要：目前，懸臂式掘進(jìn)機(jī)廣泛應(yīng)用于我國(guó)煤礦井下生產(chǎn)，是大型煤炭生產(chǎn)的重要設(shè)備，主要用于采掘工作面布置。在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)的工程中不可避免的出現(xiàn)偏離巷道中心線，造成切割斷面的超挖和欠挖，井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏技術(shù)的應(yīng)用可有效避免此類問(wèn)題。本文在全面掌握井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏技術(shù)相關(guān)概述和意義的前提下，對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)位姿信息的檢測(cè)和控制要點(diǎn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī);自動(dòng)糾偏;控制要點(diǎn);應(yīng)用意義

地下采煤作業(yè)是在一個(gè)十分狹小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行的，由于井下巷道施工過(guò)程粉塵大、工期長(zhǎng)、不穩(wěn)定因素多，因此，客觀環(huán)境條件極大地限制了人工作業(yè)。為提高巷道掘進(jìn)的速度和質(zhì)量，確保煤礦開采作業(yè)的正常進(jìn)行，就必須加強(qiáng)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，加快掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化改造，用機(jī)械自動(dòng)化操作來(lái)替代人工操作，從而充分發(fā)揮采煤機(jī)電設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是井下綜掘工作面的核心設(shè)備之一，主要用于巷道成形。面對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外煤炭領(lǐng)域無(wú)人采掘裝備機(jī)器人化的發(fā)展趨勢(shì)，掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的少人化和智能化發(fā)展受到各生產(chǎn)研發(fā)、應(yīng)用和研究單位的普遍重視。機(jī)器人化掘進(jìn)的實(shí)現(xiàn)需落實(shí)掘進(jìn)機(jī)的位姿檢測(cè)、自主糾偏、遠(yuǎn)程控制與自主截割等環(huán)節(jié)。其中，基于位姿信息的行進(jìn)糾偏是保證巷道截割質(zhì)量的重要前提。

1 井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏技術(shù)的概述

掘進(jìn)機(jī)相對(duì)巷道中心自動(dòng)糾偏就是掘進(jìn)機(jī)在截割落煤、裝煤、運(yùn)煤后進(jìn)行下一自動(dòng)截割之前依靠掘進(jìn)機(jī)的左右履帶行走速度的變化及向前、向后的調(diào)整進(jìn)行調(diào)整掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中心線的相對(duì)位置，保證掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)截割時(shí)掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中心線接近一致，從而保證掘進(jìn)機(jī)截割頭在截割時(shí)左右截割的距離一致，控制掘進(jìn)機(jī)沿著巷道中心線沿直線前進(jìn)，保證巷道的走向。

2 井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏技術(shù)的應(yīng)用意義

傳統(tǒng)上，掘進(jìn)機(jī)行走作業(yè)主要利用手動(dòng)方式進(jìn)行糾偏操作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)操作人員均是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)掘進(jìn)機(jī)左右行走液壓馬達(dá)的方式實(shí)現(xiàn)糾偏作業(yè)，將掘進(jìn)機(jī)的位姿調(diào)整為預(yù)定值。手動(dòng)糾偏作業(yè)存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣以及地質(zhì)構(gòu)造差異與作業(yè)人員技術(shù)水平不同導(dǎo)致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自動(dòng)糾偏技術(shù)能夠讓操作人員實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)糾偏作業(yè)的遠(yuǎn)程操作，不需要在進(jìn)入到工作環(huán)境惡劣的第一線。掘進(jìn)機(jī)采用自動(dòng)糾偏技術(shù)具有三點(diǎn)重要意義：

1）自動(dòng)化糾偏技術(shù)實(shí)現(xiàn)了操作人員對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程化操控，有利于實(shí)現(xiàn)少人/無(wú)人化的掘進(jìn)機(jī)操作模式;借助于計(jì)算機(jī)的高速邏輯處理能力，掘進(jìn)機(jī)的工作效率也獲得了大幅度的提升，防止了因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造問(wèn)題、操作人員水平因素造成的巷道成型不規(guī)范的問(wèn)題。

2）我國(guó)的采煤作業(yè)主要是在井下進(jìn)行的，因此，掘進(jìn)機(jī)在采煤作業(yè)的巷道掘進(jìn)方面有著重要的、不可替代的作用。自動(dòng)化糾偏技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)煤炭掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化水平具有重要意義;

3）自動(dòng)化糾偏技術(shù)能夠有效改善工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別在煤與瓦斯突出的礦井，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)安全快速高效掘進(jìn)具有重要意義。

3 井下掘進(jìn)機(jī)位姿信息的檢測(cè)分析

掘進(jìn)機(jī)不論是行走過(guò)程中還是在斷面截割作業(yè)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)的中心軸線均不可避免地與巷道中心線出現(xiàn)相互偏離的問(wèn)題。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的位姿信息除了包括三維空間坐標(biāo)之外，還應(yīng)該包括掘進(jìn)機(jī)的位姿信息。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境的照明嚴(yán)重不足、作業(yè)環(huán)境十分惡劣，如果想要對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位姿信息進(jìn)行精確地檢測(cè)，則具有很大的難度。并且在航道內(nèi)部，不能夠使用GPS（全球定位系統(tǒng)），并作業(yè)環(huán)境的粉塵數(shù)量巨大，無(wú)法直接運(yùn)用視覺(jué)導(dǎo)航設(shè)備，所以激光指向儀便成為掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)方向指引的重要的設(shè)備。有效的測(cè)量方案是自動(dòng)化掘進(jìn)作業(yè)的關(guān)鍵保障，利用該測(cè)量方案測(cè)算獲得掘進(jìn)機(jī)的位姿信息。掘進(jìn)機(jī)在采用激光指向儀時(shí)常常根據(jù)激光指向儀的指定方向沿著頂板或者底板向前進(jìn)，所以，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化糾偏不需要控制其三圍空間信息坐標(biāo)。由此我們知道，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的位姿信息是進(jìn)行自動(dòng)化糾偏的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由于掘進(jìn)機(jī)的位姿檢測(cè)直接決定了自動(dòng)化糾偏效果和巷道成型質(zhì)量，為了獲得更加精確的位姿參數(shù)，本文以綜合采用超聲波測(cè)距傳感器（三個(gè)）和雙軸傾角傳感器（一個(gè)）并結(jié)合相應(yīng)的解算方法來(lái)獲取掘進(jìn)機(jī)的位姿信息。其中，超聲波測(cè)距傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的方位角ɑ和中心偏距a;雙軸傾角傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的俯仰角β以及懸臂式掘進(jìn)機(jī)的橫滾角γ;而后結(jié)合解算獲得相應(yīng)信息。獲得所需信息之后，便能夠掌握參考位姿與實(shí)際位姿之間的偏差問(wèn)題，而后利用糾偏控制器依照特定的控制策略，將其轉(zhuǎn)變成為懸臂式掘進(jìn)機(jī)能夠識(shí)別的電磁閥開關(guān)信息與控制脈沖信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)位姿的自動(dòng)化糾正。

巷道兩邊的距離特點(diǎn)以及懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均告訴我們，綜合采用超聲波測(cè)距傳感器（三個(gè)）和雙軸傾角傳感器（一個(gè)）能夠準(zhǔn)確地獲得掘進(jìn)機(jī)的位姿參數(shù)，該參數(shù)成為掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化糾偏的關(guān)鍵參考。但是同樣需要指出的是，上述控制方法要求航道的兩幫具有良好的平整度，不能夠出現(xiàn)超挖或者欠挖的問(wèn)題，所以，在實(shí)際的使用過(guò)程中需要注意該問(wèn)題。

4 井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏技術(shù)控制要點(diǎn)

通過(guò)機(jī)載工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC可實(shí)現(xiàn)井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏控制，PLC產(chǎn)生的控制指令經(jīng)PLVC、電液比例閥控制行走部的左右液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)糾偏功能。糾偏控制策略主要由掘進(jìn)機(jī)糾偏程序、角度范圍調(diào)整子程序、掘進(jìn)機(jī)中心調(diào)整子程序、方位角糾偏子程序等實(shí)現(xiàn)。

PLC采集超聲波測(cè)距儀測(cè)量值計(jì)算掘進(jìn)機(jī)位姿信息中的方位角ɑ和中心偏距a，依據(jù)不同方位角ɑ和中心偏距a，采用不同的控制策略。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)方位角a超過(guò)該限定值時(shí)，如果調(diào)用掘進(jìn)機(jī)中心調(diào)整子程序，則掘進(jìn)機(jī)可能碰撞巷道煤幫，因此需要首先把掘進(jìn)的方位角調(diào)整到一定的范圍之內(nèi)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)方位角調(diào)整到限定值內(nèi)后，依據(jù)中心偏距的不同情況調(diào)用不同子程序完成掘進(jìn)機(jī)的糾偏。當(dāng)巷道地質(zhì)條件較為復(fù)雜時(shí)，調(diào)整掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中心軸線與巷道中心線重合將會(huì)出現(xiàn)較大的難度，且用時(shí)較長(zhǎng)，影響掘進(jìn)速度，因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)允許有一定的距離偏差。當(dāng)掘進(jìn)出現(xiàn)距離偏差時(shí)，根據(jù)機(jī)身與巷道的相對(duì)位置情況，可以分為機(jī)身位于巷道中心左側(cè)左偏、機(jī)身位于巷道中心左側(cè)右偏、機(jī)身位于巷道中心線右側(cè)右偏、機(jī)身位于巷道中心線右側(cè)左偏。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，掘進(jìn)機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械化掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備。掘進(jìn)技術(shù)、裝備和工藝水平，直接關(guān)系到煤礦開采的生產(chǎn)能力、經(jīng)濟(jì)效益。正因如此，我國(guó)綜合機(jī)械化掘進(jìn)程度正逐步提高，自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了掘進(jìn)機(jī)的工作效率和掘進(jìn)作業(yè)的安全性，促進(jìn)了采煤作業(yè)的快速推進(jìn)、安全高效和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在掘進(jìn)過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)偏離巷道中心線，造成切割斷面的超挖和欠挖等問(wèn)題，自動(dòng)糾偏技術(shù)的應(yīng)用，可有效解決此類問(wèn)題，進(jìn)一步鞏固和完善自動(dòng)化掘進(jìn)技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]王國(guó)法，杜毅博.智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，（1）：1-10.

[2]陳慎金，成龍，王鵬江，等.基于掘進(jìn)機(jī)位姿測(cè)量系統(tǒng)的自主標(biāo)定方法誤差分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018，（9）：2647-2652.

[3]謝和平，王金華，王國(guó)法，等.煤炭革命新理念與煤炭科技發(fā)展構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018，（5）：1187-1197.

[4]符世琛，成龍，陳慎金，等.面向掘進(jìn)機(jī)的超寬帶位姿協(xié)同檢測(cè)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018，（10）：2918-2925.

[5]張敏駿，蔡岫航，呂馥言，等.受限巷道空間區(qū)域柵格化掘進(jìn)機(jī)自主糾偏研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，（3）：62-70.