馮 博

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)運(yùn)部， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)為當(dāng)前廣泛應(yīng)用于巷道掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備類(lèi)型。傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際巷道掘進(jìn)任務(wù)中主要由作業(yè)人員通過(guò)肉眼對(duì)設(shè)備的行走方向進(jìn)行糾正。在作業(yè)人員人為因素以及周?chē)h(huán)境因素的影響下，常導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)路徑走偏，不僅影響巷道的成型質(zhì)量，而且增加了巷道的掘進(jìn)成本，降低了巷道推進(jìn)的速度[1]。因此，在綜掘設(shè)備自動(dòng)化、智能化的要求下，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)跟蹤技術(shù)是十分有必要的。

1 掘進(jìn)機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

懸臂式掘進(jìn)機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向的主要控制分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其智能化、提升其自動(dòng)化水平的基礎(chǔ)。

1.1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的組成

懸臂式掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)組成如圖1所示。

如圖1所示，行走機(jī)構(gòu)主要由拖輪、履帶、導(dǎo)向輪、支重輪以及驅(qū)動(dòng)輪組成。行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源為定量液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)所輸出的動(dòng)力通過(guò)減速器傳遞至驅(qū)動(dòng)輪，從而帶動(dòng)履帶達(dá)到行走的目的。導(dǎo)向輪主要控制掘進(jìn)機(jī)的行走方向，在行走過(guò)程中拖輪、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪以及支重輪處于一條直線上。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)兩邊液壓馬達(dá)以相同速度驅(qū)動(dòng)履帶時(shí)，掘進(jìn)機(jī)可完成前進(jìn)和后退的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)兩邊液壓馬達(dá)以不同速度驅(qū)動(dòng)履帶時(shí)，掘進(jìn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)向左或向右的運(yùn)動(dòng)[2]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 行走機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)由液壓馬達(dá)、比例方向閥、單向閥、溢流閥、電動(dòng)機(jī)和定量泵等組成。其中，比例換向閥為行走機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的核心，通過(guò)比例換向閥可控制液壓油的流向從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備前進(jìn)、后退的控制；通過(guò)控制比例換向閥的開(kāi)口大小實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)速度的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)向的控制。因此，通過(guò)掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)及掘進(jìn)機(jī)巷道的現(xiàn)狀實(shí)現(xiàn)對(duì)比例方向閥的控制是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤功能的關(guān)鍵。

2 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤控制

2.1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤理論分析

掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的自動(dòng)跟蹤控制主要保證掘進(jìn)機(jī)行走的中心線按照巷道的中心線推進(jìn)，從而保證掘進(jìn)機(jī)截割距離巷道兩側(cè)的距離一致，盡可能地避免掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)超挖和欠挖的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單地說(shuō)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤控制的核心在于保證設(shè)備在直線前進(jìn)、后退以及左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎工況下均能夠確保其行走的中心線與巷道中心線的偏差不大于0.05 m[3]。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)行走中心線與巷道中心線的偏差大于0.05 m時(shí)，通過(guò)控制掘進(jìn)機(jī)兩邊液壓馬達(dá)的速度差實(shí)現(xiàn)設(shè)備的左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，從而保證行走中心線與巷道中心線的偏差保持在一定范圍內(nèi)。因此，掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤控制的核心在于對(duì)兩邊行走機(jī)構(gòu)速度的控制。為此，設(shè)計(jì)如圖3所示的速度模糊控制系統(tǒng)。

圖3 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)速度模糊控制器

如圖3所示，全站儀對(duì)掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并將所測(cè)量的數(shù)據(jù)與預(yù)定路徑的坐標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)，基于通過(guò)比對(duì)得到的偏差值得出當(dāng)前設(shè)備存在的橫縱坐標(biāo)以及方位的偏差，并在軌跡跟蹤模糊控制器的作用下得出所需兩邊履帶（液壓馬達(dá)）的速度差值。結(jié)合當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)兩邊履帶的速度差值與其所需偏差通過(guò)速度換算對(duì)兩邊履帶的速度進(jìn)行控制，從而保證其行走中心線與巷道中心線一致。

2.2 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)

基于2.1中的控制思路，本文擬采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)兩邊液壓馬達(dá)（履帶）的速度控制。掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟蹤模糊控制器的控制規(guī)則為：

1）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的中心線與巷道中心線的偏差很大，但是其行走方向是按照其預(yù)定路徑行走時(shí)，不對(duì)行走機(jī)構(gòu)兩邊履帶的速度進(jìn)行調(diào)整，確保兩邊履帶的速度偏差為零，保證行走機(jī)構(gòu)直線行走[4]。

2）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的中心線與巷道中心線的偏差很大，且其行走方向偏離其預(yù)定路徑行走時(shí)，及時(shí)對(duì)行走機(jī)構(gòu)兩邊履帶的速度進(jìn)行調(diào)整，保證行走機(jī)構(gòu)按照預(yù)定路徑方向行走，此時(shí)兩邊履帶的速度差較大。

3）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)行走中心線與預(yù)定路徑的位置偏差和方位偏差之一很大時(shí)，及時(shí)對(duì)兩邊履帶的速度進(jìn)行調(diào)整，且需要以中等或者較小速度差控制設(shè)備平穩(wěn)進(jìn)入預(yù)定軌道路徑。

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)電液比例閥、液壓馬達(dá)等參數(shù)，結(jié)合行走機(jī)構(gòu)履帶速度模糊控制規(guī)則，并基于Simulink建立模糊控制器的仿真模型，如圖4所示。

圖4 速度模糊控制器的Simulink仿真模型

如圖4所示，根據(jù)模糊控制規(guī)則所得對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)控制的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)模糊控制規(guī)則所得對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)比例方向閥控制的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)速度模糊控制器對(duì)其在不同工況下掘進(jìn)機(jī)實(shí)際行走路徑與預(yù)定路徑的偏差（位置偏差和方位偏差）進(jìn)行仿真分析，得出如表1所示的結(jié)果。

表1 不同工況下掘進(jìn)機(jī)實(shí)際行走偏差

如表1所示，基于本文所設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)速度模糊控制器，在直線行走工況下的最大位置偏差量為0.04 m，最小位置偏差量為-0.01 m，滿(mǎn)足位置偏差絕對(duì)值不超過(guò)0.05 m的要求；在轉(zhuǎn)向行走工況下，最大位置偏差量為0.04 m，最小位置偏差量為-0.04 m，滿(mǎn)足位置偏差絕對(duì)值不超過(guò)0.05 m的要求[5]。

對(duì)于方位偏差而言，在直線行走工況下的最大方位偏差量為0.022 rad，最小方位偏差量為-0.017 rad，滿(mǎn)足位置偏差絕對(duì)值不超過(guò)0.05 rad的要求；在轉(zhuǎn)向行走工況下，最大方位偏差量為0.026 rad，最小方位偏差量為0.012 rad，滿(mǎn)足位置偏差絕對(duì)值不超過(guò)0.05 rad的要求。

綜上所述，基于速度模糊控制器能夠保證掘進(jìn)機(jī)行走中心線與預(yù)定路徑中心線位置偏差不超過(guò)0.05 m和方位偏差不超過(guò)0.05 rad的要求。

3 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)任務(wù)中其行走軌跡與預(yù)定軌跡的偏差量將直接決定巷道的成型質(zhì)量和掘進(jìn)成本。因此，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)兩邊履帶（液壓馬達(dá)）速度差值的控制以實(shí)現(xiàn)設(shè)備按照預(yù)定路徑中心線推進(jìn)。經(jīng)仿真分析可得：在速度模糊控制器的作用下可保證掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)在直線和轉(zhuǎn)彎工況下的位置偏差不超過(guò)0.04 m，方位偏差不超過(guò)0.03 rad，完全滿(mǎn)足位置偏差不超過(guò)0.05 m和方位偏差不超過(guò)0.05 rad的要求。