□ 丁鵬飛

中煤科工集團上海有限公司 上海 200030

1 研究背景

移置式帶式輸送機是露天礦連續(xù)開采、半連續(xù)排巖、可根據(jù)作業(yè)需要橫向移設(shè)的移置式連續(xù)輸送機械,常與斗輪挖掘機配合應(yīng)用于開采面或與排土機配合應(yīng)用于排土場,也可應(yīng)用于輸煤系統(tǒng)中。與通用帶式輸送機相比,露天礦使用的移置式帶式輸送機具有大帶寬、大運量、高帶速、長運距的優(yōu)點。隨著露天礦采掘工程的不斷推進,露天礦的開采深度持續(xù)增大,我國主要露天煤礦平均開采深度已達182 m,最大深度超400 m。隨著開采深度的不斷增大,深部煤炭運輸問題日益顯現(xiàn)。因此,對于移置式帶式輸送機半連續(xù)開采新工藝,尤其是由履帶底座式來實現(xiàn)移動的移置式帶式輸送機,實現(xiàn)履帶車的同步可移置是至關(guān)重要且亟需研究的問題。

2 中間桁架結(jié)構(gòu)分析

為了適應(yīng)露天礦采煤工作面的實時變化,履帶底座式的橫向自移帶式輸送機開始得到應(yīng)用。筆者研究的移置式帶式輸送機如圖1所示。機身中間桁架與機頭架、機尾架采用鉸接結(jié)構(gòu)連接,機頭架、機尾架與履帶車M完全固定,中間桁架與履帶車N有X、Y、Zr三個自由度,用以釋放履帶車運行不同步而導(dǎo)致的機頭架、中間桁架及機尾架之間的相互作用力。

▲圖1 移置式帶式輸送機

為了確保中間桁架與履帶車N的連接穩(wěn)定性,兩者在三個自由度上并非無限制開放,而只能在一定范圍內(nèi)相對運動。因此,當(dāng)履帶車N與中間桁架在三個自由度上出現(xiàn)較大偏移時,通過慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng),控制履帶車N的運動,使其與中間桁架在三個自由度上的偏差重新歸零至關(guān)重要。履帶車的同步跟隨簡化控制如圖2所示。

圖2中,C0為履帶車N與中間桁架的連接點,C為履帶車N的中心點,B為履帶車N上兩條履帶的間距。以C0作為參照點,C在X、Y、Zr三個自由度上的偏移量依次為位移偏差L、W及偏航角θ。L和W由履帶車上的位移傳感器獲取,θ由偏角傳感器獲取。同步跟隨控制就是在兩臺履帶車M以速度v運行時,調(diào)節(jié)履帶車N兩條履帶的速度v1和v2,使L、W及θ趨于零,也就是說履帶車N在跟隨履帶車M的同時,還要消除三個自由度上的偏移,最終令履帶車N與履帶車M的運動狀態(tài)完全相同。獲得的位移偏差與通過有限元分析得到的能保持穩(wěn)定的最大偏差量相比,大于最大偏差量的80%時,控制履帶車調(diào)偏。消除三個自由度上的偏移,最終令履帶車的運動狀態(tài)完全相同。

▲圖2 履帶車同步跟隨簡化控制

3 慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)

在履帶車的底座加裝由高精度加速度計、陀螺儀及磁力儀組成的慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng),以實時獲得履帶車運動時的運動姿態(tài)角,即偏航角。當(dāng)履帶車移動時,慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)計算機可以準確獲得三維角速度信息和加速度信息,然后將這些測得的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至履帶車。對姿態(tài)矩陣進行求解,在通過姿態(tài)矩陣計算導(dǎo)航參數(shù)時,將慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)中的加速度計測得的三維加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為參考坐標系,然后執(zhí)行導(dǎo)航解決方案,得到履帶車慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)的位置姿態(tài)方程和系統(tǒng)的誤差方程。

履帶車頭部安裝激光雷達,履帶車邊走邊同步定位與建圖。履帶車機載計算機中還安裝有機器人操作系統(tǒng),系統(tǒng)中的Gmapping包和Navigation包,是履帶車導(dǎo)航定位的決策層。Gmapping包能獲取掃描的激光雷達信息、里程計數(shù)據(jù)和慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù),動態(tài)生成二維柵格地圖。Navigation包是一個二維平臺的導(dǎo)航包,能夠獲取里程計數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)。利用Gmapping包生成地圖,根據(jù)里程計數(shù)據(jù)和激光雷達數(shù)據(jù),制訂出適合的路徑規(guī)劃和定位。

相鄰的兩臺履帶車通過激光定位的方法,完成履帶車在移動過程中相鄰履帶車的相互對位。在一臺履帶車放置兩個激光發(fā)射器,另一臺放置兩個互相垂直的激光定位板,一個水平放置、一個豎直放置。兩個激光發(fā)射器分別發(fā)射激光至水平、豎直激光板。水平方向的激光板負責(zé)檢測履帶車在水平移動時兩臺履帶車的位置偏差,當(dāng)位置發(fā)生偏差時,將數(shù)據(jù)發(fā)送至兩個系統(tǒng),對履帶車的速度進行控制。豎直方向的激光板負責(zé)檢測當(dāng)履帶車路過不平路面時兩臺履帶車在豎直高度上的位置變化。當(dāng)偏移量過大,大于80%時,履帶車立即停車,規(guī)劃新的行走路線,確保兩臺履帶車的相對位置不發(fā)生改變。

通過在履帶車的底部安裝慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng),結(jié)合同步定位與建圖,實現(xiàn)對履帶車位置速度的監(jiān)控,同時通過激光雷達,完成履帶車行走過程中的路徑規(guī)劃及實時導(dǎo)航,相鄰的兩臺履帶車通過激光定位確定相對位置。

4 結(jié)束語

針對移置式帶式輸送機的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。對與履帶車連接的大跨度中間機架的結(jié)構(gòu)進行分析,得到中間機架與履帶車能保持穩(wěn)定的最大位移偏差。同時對履帶車的慣性測量單元導(dǎo)航系統(tǒng)進行研究。筆者的研究成果進一步完善了大型露天礦移置式帶式輸送機的設(shè)計理念,提高了移置式帶式輸送機的設(shè)計水平,對提高產(chǎn)品自主設(shè)計質(zhì)量、增強產(chǎn)品的市場競爭力具有重要意義。