□ 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)需要橫向移設的移置式連續(xù)輸送機械,常與斗輪挖掘機配合應用于開采面或與排土機配合應用于排土場,也可應用于輸煤系統(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。當履帶車移動時,慣性測量單元導航系統(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)矩陣計算導航參數(shù)時,將慣性測量單元導航系統(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)行導航解決方案,得到履帶車慣性測量單元導航系統(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檢測履帶車在水平移動時兩臺履帶車的位置偏差,當位置發(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檢測當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計理念,提高了移置式帶式輸送機的設計水平,對提高產(chǎn)品自主設計質(zhì)量、增強產(chǎn)品的市場競爭力具有重要意義。