王 娟

（山西省陽(yáng)泉市大陽(yáng)泉煤炭有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下用于巷道掘進(jìn)的設(shè)備，其巷道掘進(jìn)速度及巷道斷面的形狀直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的效率，隨著掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提升，目前多數(shù)掘進(jìn)機(jī)均依靠自動(dòng)截割控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)截割，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)由于煤礦井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掘進(jìn)機(jī)的截割臂在進(jìn)行水平截割和垂直截割時(shí)均會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)掘進(jìn)機(jī)巷道斷面邊界的規(guī)整度和巷道的成形質(zhì)量造成了較大的影響，因此，本文利用Lagrange 方程建立了掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，利用Simulink 仿真分析軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的擺角跳動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，獲取其變化規(guī)律，為優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)控制邏輯、消除截割作業(yè)過(guò)程中擺臂跳動(dòng)、提高掘進(jìn)作業(yè)的精度和可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)機(jī)截割臂擺角跳動(dòng)模型

掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，實(shí)際上是一個(gè)全自由度工作狀態(tài)，為了降低對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截割臂擺角跳動(dòng)規(guī)律研究的難度，因此選擇一個(gè)相對(duì)典型的工況，將掘進(jìn)機(jī)的重心位置作為原點(diǎn)，建立OXYZ 分析坐標(biāo)系，同時(shí)建立其隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系O'X'Y'Z'，其空間分析模型如圖1 所示[1]。

圖1 中：λ 表示掘進(jìn)機(jī)的截割臂與掘進(jìn)機(jī)機(jī)體水平方向上的夾角；Δλ 表示掘進(jìn)機(jī)截割臂工作時(shí)的擺角跳動(dòng)量；θ2表示靜態(tài)分析坐標(biāo)系和動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系X 軸之間的夾角在靜態(tài)坐標(biāo)系內(nèi)的投影；SX表示原點(diǎn)O 與O' 間距在靜態(tài)坐標(biāo)系X 軸上的投影；SY表示原點(diǎn)O 與O' 間距在靜態(tài)坐標(biāo)系Y 軸上的投影；RX表示掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力在水平方向上的分量；RY表示掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力在垂直方向上的分量。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割比水平擺動(dòng)截割空間模型

2 掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)受力分析

在對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂擺角跳動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)以掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)作用在截割機(jī)構(gòu)上的截割載荷作為輸入量，假設(shè)工作時(shí)掘進(jìn)機(jī)水平向右進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其在進(jìn)行向右側(cè)的截割作業(yè)時(shí)，巖壁作用在截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力是水平向左的，掘進(jìn)截割臂左側(cè)的執(zhí)行油缸的無(wú)桿腔內(nèi)充入高壓油，將其回轉(zhuǎn)平臺(tái)向外側(cè)推，因此此時(shí)以掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身回轉(zhuǎn)平臺(tái)的原點(diǎn)O 為定位基點(diǎn)，系統(tǒng)執(zhí)行油缸側(cè)推時(shí)對(duì)于定位基點(diǎn)的力矩MT可表示為[2]：

右側(cè)的執(zhí)行油缸對(duì)截割臂的回拉力對(duì)于O 點(diǎn)的力矩值可表示為：

掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)相對(duì)于O 點(diǎn)的力矩值可表示為：

式中：P1為掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力；S1為掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑截面積；r 為掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)半徑；l1為原點(diǎn)O 到掘進(jìn)機(jī)左后側(cè)定位腳柱的距離；α 為原點(diǎn)O 到掘進(jìn)機(jī)左后側(cè)定位腳柱方向與到右后側(cè)定位柱腳的夾角；l2為掘進(jìn)機(jī)后側(cè)支撐點(diǎn)到前側(cè)轉(zhuǎn)角點(diǎn)的距離；S2為回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)活塞桿的橫截面積；l3為原點(diǎn)O 到掘進(jìn)機(jī)右后側(cè)定位腳柱的距離；γ 為掘進(jìn)機(jī)的截割臂與掘進(jìn)機(jī)機(jī)體垂直方向上的夾角。

掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)的時(shí)候，其回轉(zhuǎn)平臺(tái)將受到較大的側(cè)向壓力的作用，當(dāng)進(jìn)行側(cè)切時(shí)的受力較小，而且由于回轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)的滾筒軸承內(nèi)的滑動(dòng)摩擦極小，因此在進(jìn)行分析時(shí)，可忽略在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中回轉(zhuǎn)平臺(tái)的摩擦力矩的作用，因此當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)作用在截割機(jī)構(gòu)上的截割力可表示為：

由此分析可知，掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中作用在截割機(jī)構(gòu)上的截割力的變化如圖2 所示。

圖2 作用在截割機(jī)構(gòu)上的截割力分布示意圖

3 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

利用Simulink 仿真分析軟件并結(jié)合Matlab 力學(xué)分析軟件[3]建立如圖3 所示的掘進(jìn)機(jī)截割臂水平擺角跳動(dòng)的仿真分析模型。

圖3 截割臂水平擺角的仿真分析模型

本文以某型掘進(jìn)機(jī)為例，其工作時(shí)截割臂的最大水平擺角為27°，其最大垂直擺角約為37°，因此在對(duì)其跳動(dòng)量進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)γ 分別為20°、0°情況下的跳動(dòng)情況進(jìn)行分析。

為了同仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文選取在某礦井下以其實(shí)際應(yīng)用的某型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，建立實(shí)際跟蹤測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試設(shè)備實(shí)物布置如圖4所示，其中利用傾角傳感器來(lái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂的擺角進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)利用各種壓力變送器來(lái)對(duì)工作過(guò)程中驅(qū)動(dòng)油缸內(nèi)的工作壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂的水平擺動(dòng)角進(jìn)行測(cè)量時(shí)側(cè)在其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的弧長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)定一組角度測(cè)量?jī)x，由此對(duì)其水平方向上的擺動(dòng)角進(jìn)行測(cè)量。

圖4 測(cè)試設(shè)備實(shí)物布置圖

4 仿真結(jié)果分析

將Simulink 的仿真分析結(jié)果與井下實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[4]，進(jìn)行仿真分析與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果的實(shí)際對(duì)比，擬合后的對(duì)比曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖5 不同擺角下仿真分析結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果的對(duì)比

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割比在垂直擺動(dòng)的時(shí)候，其截割臂在水平方向上的跳動(dòng)量的仿真分析結(jié)果和實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)基本一致，且截割作業(yè)過(guò)程中截割載荷越大，其水平方向上的擺角跳動(dòng)量呈現(xiàn)了先降低后增加的趨勢(shì)，根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果可知，其擺角跳動(dòng)量最小約為0.5°，最大約為5.1°。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割臂在垂直方向上的擺角不同時(shí)，角度越大跳動(dòng)越大，當(dāng)截割載荷在70～80 kN 情況下掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截割臂的跳動(dòng)量最小。

5 結(jié)論

1）截割作業(yè)過(guò)程中截割載荷越大，其水平方向上的擺角跳動(dòng)量呈現(xiàn)了先降低后增加的趨勢(shì)；

2）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割臂在垂直方向上的擺角不同時(shí)，角度越大跳動(dòng)越大，當(dāng)截割載荷在70～80 kN 情況下掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截割臂的跳動(dòng)量最小；

3）以此為基礎(chǔ)，能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的截割臂的擺動(dòng)量進(jìn)行修正，大幅提升截割作業(yè)過(guò)程中截割作業(yè)的精確性，確保進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)效率和安全性。