張 磊 周開平 張寧波 孫紅杰 王利欣

(1.中煤華晉集團有限公司,山西 河津 043300;2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司,山西 太原 030006;3.中煤華晉集團有限公司王家?guī)X礦,山西 河津 043300;4.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司,天津 300120)

隨著煤礦綜合機械化水平的不斷提高,新理論、新技術(shù)及新材料逐漸應用到掘進機的研制及應用中,自動化、智能化及無人化是懸臂式掘進機未來發(fā)展的方向,國外掘進機的研發(fā)重點是操作簡便化、自動化及人員安全化,實現(xiàn)電機功率自適應調(diào)節(jié)、記憶截割路徑控制、遙控控制及工作面工況監(jiān)控等功能,我國懸臂式掘進機整體配套性好、設(shè)備可靠性高,國內(nèi)煤機企業(yè)和高校也在掘進機位姿檢測、定位定向掘進、工況視頻監(jiān)控、超視距操作及自動截割控制等方面進行理論研究和實踐應用[1-2]。但懸臂式掘進機在巷道掘進過程中仍然存在一些問題和不便,一是掘進工作面環(huán)境差、粉塵大、光線暗、勞動強度大,安全性低、主要依靠人工進行本機操作,易出現(xiàn)超挖、欠挖現(xiàn)象,影響掘進工作面進尺速度和巷道斷面成形質(zhì)量;二是掘進機自動化程度低、適應性差,掘進工作面速度和效率還達不到煤礦安全高產(chǎn)高效要求;三是掘進工作面設(shè)備自動化截割一直落后于全自動無人值守的綜采工作面設(shè)備,采掘失衡、采掘接續(xù)的矛盾更加突出。

因此,本研究通過懸臂式掘進機懸臂機構(gòu)運動數(shù)學模型融合位移傳感器、動態(tài)傾角傳感器及角度傳感器等多種傳感器融合使用,由控制單元控制升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸的伸縮長度及懸臂機構(gòu)的擺動角度,按照巷道工藝循環(huán)作業(yè),控制截割頭在巷道煤壁的運動軌跡,實現(xiàn)掘進工作面巷道斷面自動截割,保證巷道成形標準化。

1 懸臂運動數(shù)學模型

掘進機工作時通過對稱布置的升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)懸臂機構(gòu)垂直上下擺動、水平左右擺動及復合運動來完成巷道截割斷面,巷道截割斷面成形的尺寸大小與懸臂機構(gòu)及其擺動的角度有關(guān),根據(jù)這一特性建立懸臂機構(gòu)的數(shù)學模型,確定截割頭在巷道斷面投影的位置坐標與驅(qū)動油缸伸縮長度及擺動角度之間的數(shù)學關(guān)系,通過控制升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸的長度即可控制截割頭的運動軌跡[3-4]。

以EBZ220型懸臂式掘進機為例,掘進機懸臂機構(gòu)垂直擺動和水平擺動分別如圖1、圖2所示,建立以水平回轉(zhuǎn)臺中心O1為原點的坐標系(O1X1Y1Z1)及截割臂與機架鉸接點O2為原點的坐標系(O2X2Y2Z2),懸臂水平擺動回轉(zhuǎn)中心O1和垂直擺動旋轉(zhuǎn)中心O2并不重合,掘進機在垂直上下擺動時,以截割臂與機架鉸接點O2為圓點,通過升降油缸驅(qū)動完成,掘進機在水平左右擺動時,以水平回轉(zhuǎn)臺中心O1為圓點,通過回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動完成。

圖1 懸臂式掘進機懸臂機構(gòu)垂直擺動Fig.1 Vertical swing of cantilever mechanism of cantilever roadheader

圖2 懸臂式掘進機懸臂機構(gòu)水平擺動Fig.2 Horizontal swing of cantilever mechanism of cantilever roadheader

懸臂垂直平面內(nèi)上下擺動時,懸臂機構(gòu)垂直平面內(nèi)截割投影如圖3所示。

圖3 懸臂機構(gòu)垂直平面內(nèi)截割投影Fig.3 Cutting projection in vertical p lane of cantilever mechanism

升降油缸分別與機架和截割臂鉸接點于A和B,截割臂回轉(zhuǎn)中心O2,截割頭在巷道頂板時升降油缸位置為AB1,截割頭在巷道底板時升降油缸位置為AB2,截割頭在水平、最高點及底板上投影于O3、O31、O32,O2A=L1,O2B1=O2B=L2,AB=L0,∠O3O2O31=α,∠O3O2A=φ,∠B1O2O31=θ0,舉升油缸的伸長量為l1,截割頭在O31時空間位置坐標:

式中,L為截割臂與機架鉸接點到截割頭中心的距 離,mm;Δl為截割頭伸縮油缸的伸縮量,mm;L0為截割臂處于水平位置時升降油缸的長度,mm;L1為截割臂與機架鉸接點到升降油缸與機架鉸接點的距離,mm;L2為截割臂與機架鉸接點到升降油缸與截割臂鉸接點的距離,mm;φ為截割臂水平時O2A與O3O2的夾角,°; θ0為 B1O2與 O2O31的夾角,°。

懸臂進行水平平面內(nèi)左右擺動時,懸臂機構(gòu)水平面內(nèi)截割投影如圖4所示。

圖4 懸臂機構(gòu)水平平面內(nèi)截割投影Fig.4 Cutting projection in horizontal plane of cantilever mechanism

回轉(zhuǎn)油缸初始位置分別為O4O6和O5O7,回轉(zhuǎn)油缸與機架鉸接點為O4和O5,回轉(zhuǎn)油缸與回轉(zhuǎn)臺鉸接點為O6和O7,截割臂回轉(zhuǎn)中心為O1,截割臂處于巷道中間位置時截割頭在水平、巷道左邊及右邊投影為O3、O33、 O34,O1O4=O1O5=n,O4O6=O5O7=L3,∠O3O1O33=β,回轉(zhuǎn)油缸的伸長量為l2,截割頭處于O33空間位置時的坐標:

式中,r為回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)半徑,mm;n為回轉(zhuǎn)液壓缸與機架鉸接點到水平回轉(zhuǎn)中心的距離,mm;e為截割臂與機架鉸接點到水平回轉(zhuǎn)中心的距離,mm。

掘進機懸臂機構(gòu)進行擺動時,截割頭的空間位置只與升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸的伸縮量有關(guān),通過在油缸內(nèi)置安裝位移傳感器,檢測升降油缸伸縮量l1和回轉(zhuǎn)油缸伸縮量l2,經(jīng)過控制單元計算截割頭的位置坐標。

2 自動截割控制方案

懸臂式掘進機進行截割作業(yè)時,在上位機中輸入斷面形狀、尺寸大小、進刀排距及排數(shù)等參數(shù)。根據(jù)設(shè)定的截割軌跡,對升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸發(fā)出開啟信號,通過控制先導電液比例閥的開口大小及閥口流量,使懸臂做垂直上下運動和水平左右運動;通過油缸內(nèi)置位移傳感器監(jiān)測油缸的伸長量,動態(tài)傾角傳感器和角度傳感器檢測截割臂的俯仰角和偏向角。利用控制單元計算截割頭在巷道空間的坐標位置。根據(jù)巷道條件,操作人員通過遙控器和上位機進行巷道邊界標定、截割軌跡示教并存儲截割路徑及控制工藝,通過選擇記憶截割模式實現(xiàn)巷道掘進一個循環(huán)內(nèi)斷面截割自動成形,保證巷道成形標準化[5-6]。巷道斷面自動截割控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 巷道斷面自動截割控制系統(tǒng)Fig.5 Automatic cutting control system of roadway section

3 上位機參數(shù)設(shè)置

科學合理的施工工藝和截割路徑能提高巷道斷面成形質(zhì)量,避免出現(xiàn)超挖、欠挖情況[7-8],在上位機選擇巷道斷面形狀,選擇截割軌跡、尺寸大小、進到方式及排距等參數(shù),完成自動行走、自動進刀、自動截割。煤礦巷道斷面常見形狀有3種,矩形、梯形、半圓拱形,根據(jù)巷道截割工藝流程,通常截割工藝路徑為自下而上類似S形的斷面自動截割控制[9-10]。上位機參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 上位機參數(shù)設(shè)定界面Fig.6 Upper computer parameter setting interface

為實現(xiàn)對截割頭空間位置的精準控制,在自動截割的截割工藝路徑階段可加入慢啟功能,在每一步停止階段加入慢停功能,達到減少機身振動、提高控制精度的效果。在掘進機開始截割時控制油缸的伸縮速度來控制截割臂擺速,在截割頭位置達到距離目標位置20cm時開始逐漸減緩擺速,直至達到目標位置擺速為零。通過控制每一步的動作進行慢停,用來保證巷道斷面的規(guī)整[11-12]。

4 實例應用

以EBZ220型懸臂式掘進機自動截割控制系統(tǒng)為例,EBZ220型懸臂式掘進機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 EBZ220型懸臂式掘進機的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of EBZ220 cantilever roadheade

EBZ220型掘進機自動截割成形控制系統(tǒng)主要由工控機、PLC控制器、位移傳感器、動態(tài)傾角傳感器、角度傳感器、測距傳感器、電液比例先導閥組、升降油缸及回轉(zhuǎn)油缸等組成。在升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)置位移傳感器,檢測升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸的伸縮量。在機身設(shè)置測距傳感器,檢測機身距迎頭和側(cè)幫的實時距離。在懸臂和機身上設(shè)置動態(tài)傾角傳感器用于檢測懸臂和機身的俯仰角。在回轉(zhuǎn)臺中心設(shè)置角度傳感器用于檢測截割臂的航向角[13]。電液比例先導閥組用于控制各閥組的開度大小。

根據(jù)巷道實際條件,操作人員通過遙控器和上位機進行巷道邊界標定、截割軌跡示教并存儲截割路徑及控制工藝,通過選擇記憶截割模式實現(xiàn)巷道掘進一個循環(huán)內(nèi)斷面截割自動成形,保證巷道成形標準化[14-15]。該系統(tǒng)具有記憶截割功能,設(shè)有5種截割軌跡路徑。巷道斷面自動截割界面如圖7所示。

圖7 巷道斷面自動截割界面Fig.7 Automatic cutting interface of roadway section

EBZ220型懸臂式掘進機進行地面和井下試驗表明,各項功能運行良好,可靠性高、實時性強,能滿足掘進巷道斷面自動截割作業(yè)要求,提高了斷面成形質(zhì)量和截割效率。該系統(tǒng)掘進巷道斷面自動成形控制精度≤15 cm/20 m,懸臂動態(tài)俯仰角和偏向角測量精度≤0.1°。掘進工作面上位機人機界面如圖8所示。

圖8 掘進工作面上位機人機界面Fig.8 Man machine interface of upper computer in heading face

5 結(jié) 論

(1)自動截割成形控制技術(shù)是實現(xiàn)掘進機自動化、智能化截割的新方向,該技術(shù)的發(fā)展大大減少了人工作業(yè),降低了能耗,避免人工手動操作掘進機出現(xiàn)的超挖和欠挖現(xiàn)象,顯著減輕了工人勞動強度,改善了工人作業(yè)環(huán)境,提高了斷面截割成形質(zhì)量,提高了掘進效率,也為實現(xiàn)掘進機的定向定位掘進和遠程控制奠定了基礎(chǔ)。

(2)結(jié)合巷道斷面和掘進工藝要求,通過位移傳感器、動態(tài)傾角傳感器和角度傳感器實現(xiàn)截割頭相對于機身的位姿檢測,經(jīng)控制單元計算截割頭在巷道空間下實時位置坐標。

(3)根據(jù)巷道地質(zhì)條件,制定科學合理的掘進工藝,通過操作遙控器和上位機進行巷道邊界標定、截割軌跡示教并存儲截割路徑及控制工藝,選擇記憶截割模式實現(xiàn)巷道掘進一個循環(huán)內(nèi)斷面截割自動成形,保證巷道成形標準化。