薛力猛,馬宏偉,王川偉,張 恒

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué) 陜西省礦山機(jī)電裝備智能檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

0 引 言

煤礦巷道快速掘進(jìn)面臨兩大挑戰(zhàn)[1-3],一是快速截割,二是快速支護(hù),尤其是面對(duì)夾矸厚度大、硬度高、片幫嚴(yán)重等復(fù)雜地質(zhì)條件的大斷面巷道截割問題,亟待探究截割理論和方法[4],研發(fā)新型截割裝備[5-7],實(shí)現(xiàn)智能截割。

在巷道截割方法研究方面,馬宏偉等針對(duì)小保當(dāng)煤礦夾矸與片幫共存的掘進(jìn)難題,研發(fā)護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng),創(chuàng)新了大斷面全寬橫軸截割的新模式,探索煤巖截割控制新策略[8-11]。李旭等基于微分幾何理論建立了EBZ160型掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,用牛頓迭代法求解出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,并進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明橫擺時(shí)的截齒運(yùn)動(dòng)與實(shí)際路徑相吻合,截割部回轉(zhuǎn)中心速度和回轉(zhuǎn)臺(tái)角速度有較強(qiáng)的相關(guān)性,截齒的加速度只在掘進(jìn)截割方向有較大的變化[12]。李曉豁等建立橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)的截齒運(yùn)動(dòng)軌跡的幾何模型及運(yùn)動(dòng)方程,并進(jìn)行截割頭運(yùn)動(dòng)特性仿真分析和研究[13-14]。黃建農(nóng)等針對(duì)EBH300A型煤礦橫軸掘進(jìn)機(jī)建立實(shí)體模型和坐標(biāo)系,并進(jìn)行截割部運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到了掘進(jìn)頭截齒速度、位移和加速度的運(yùn)動(dòng)變化過程[15]。劉旭南等用三維設(shè)計(jì)軟件、仿真分析軟件等工具建立采煤機(jī)截割滾筒受力力學(xué)模型,并進(jìn)行仿真分析,研究滾筒的可靠性,得出輸出軸、殼及行星架等的可靠度,發(fā)現(xiàn)行星架和殼體的應(yīng)力集中過程,得到了最大應(yīng)力值所處位置[16]。尹力等研究采煤機(jī)滾筒的載荷情況,分析不同截割工況下截割參數(shù)的關(guān)系,得出所用方法準(zhǔn)確有效[17]。年魁等對(duì)連續(xù)采煤機(jī)滾筒載荷進(jìn)行仿真分析,為裝載、行走和整機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考[18]。針對(duì)護(hù)盾式大斷面半煤巖全寬橫軸滾筒截割能力、滾筒截割力與煤礦巷道煤巖硬度之間的相互關(guān)系及變化規(guī)律的研究較少,無(wú)法為快速掘進(jìn)系統(tǒng)掘進(jìn)截割的控制提供強(qiáng)有力的支撐。

針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦巷道智能截割難題,以西安科技大學(xué)等[10]研發(fā)的護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的截割機(jī)器人為研究對(duì)象,分析其截割特點(diǎn),建立運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型[19],通過截割仿真分析,獲得截割機(jī)器人截割力與滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒截割速度、截割深度、煤巖硬度之間的變化關(guān)系,可為截割機(jī)器人定形截割的智能控制提供理論依據(jù)。

1 截割機(jī)器人基本構(gòu)成與工作原理

護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)(圖1),主要包括截割機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、電液控平臺(tái)等。其中截割機(jī)器人集成于臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人底座平臺(tái)之上,通過臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人上盾體、下盾體2部分與圍巖的相互作用,可為截割機(jī)器人提供一個(gè)穩(wěn)定的滑移平臺(tái)(圖2)。截割機(jī)器人由截割滾筒、截割臂、滑臺(tái)、液壓油缸等部件構(gòu)成(圖3)。通過滑臺(tái)推移油缸的伸縮控制可實(shí)現(xiàn)截割部前后滑移運(yùn)動(dòng),通過2個(gè)截割臂油缸的伸縮量控制可實(shí)現(xiàn)截割滾筒的上下擺動(dòng),利用滑臺(tái)推移油缸和2個(gè)截割臂油缸的復(fù)合運(yùn)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)巷道斷面的成形截割,截割機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)(表1)。

圖1 護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)Fig.1 Shield intelligent tunneling system

圖2 截割機(jī)器人與臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和ⅡFig.2 Cutting robot and temporary support robot Ⅰ&Ⅱ

圖3 截割機(jī)器人構(gòu)成Fig.3 Composition of cutting robot

表1 截割機(jī)器人技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of cutting robot

2 截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與平面力學(xué)模型

2.1 截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)截割機(jī)器人結(jié)構(gòu)及組成原理,把截割機(jī)器人簡(jiǎn)化為多連桿機(jī)構(gòu)。建立截割機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)位姿坐標(biāo)系(圖4,表2)。

圖4 截割機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)位姿坐標(biāo)系Fig.4 Spatial motion coordinate system of the cutting robot

表2 截割機(jī)器人D-H參數(shù)Table 2 D-H parameters of cutting robot

設(shè)定掘進(jìn)截割總坐標(biāo)系為(O0,X0,Y0,Z0),滑臺(tái)局部坐標(biāo)系為(O1,X1,Y1,Z1),截割臂局部坐標(biāo)系(O2,X2,Y2,Z2),截割滾筒軸心局部坐系(O3,X3,Y3,Z3)。

截割機(jī)器人齊次變換矩陣為[20]

T=T1T2T3T4

式中T為截割機(jī)器人滾筒相對(duì)于總體坐標(biāo)系的齊次變換矩陣;T1為截割機(jī)器人滑臺(tái)相對(duì)于總坐標(biāo)系的齊次變換矩陣;T2為截割機(jī)器人截割臂相對(duì)于滑臺(tái)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣;T3為截割機(jī)器人截割滾筒軸心相結(jié)于截割臂坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。

(1)

式中θ1,θ2為截割臂和截齒轉(zhuǎn)角;H1為滑臺(tái)高度;L1為滑臺(tái)到原點(diǎn)長(zhǎng)度;L2為截割臂長(zhǎng)度;R為截割滾筒半徑。

滾筒上截齒的軌跡運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中zi,yi分別為截齒在Z和Y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡。

對(duì)任意截割時(shí)刻的截齒軌跡方程求導(dǎo)數(shù)可得截齒速度。

(3)

則截齒速度大小[18]

(4)

2.2 截割機(jī)器人平面力學(xué)模型

掘進(jìn)機(jī)器人所受截割阻力是滾筒上的截齒截割煤巖所產(chǎn)生的,滾筒和截齒力學(xué)分析是掘進(jìn)機(jī)器人力學(xué)分析的基礎(chǔ),截割一段時(shí)間后截齒會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象,對(duì)于磨鈍截齒的截割力有[21-22]

(5)

(6)

截齒的截割阻力和牽引阻力按坐標(biāo)系進(jìn)行分解,巷道軸線方向?yàn)閆向,牽引方向?yàn)閅向,則每條截線上Z向合力為[23-25]

(7)

每條截線上Y向合力為

(8)

式中Yij,Zij分別為第i條截線上第j個(gè)截齒在Y,Z方向的分力。

作用在滾筒Y方向的合力,Z方向的合力分別為

(9)

(10)

式中i為第i條截線;j為任一條截線上第j個(gè)截齒;z為任一條截線上截齒數(shù);N為截線數(shù)量。

根據(jù)截割臂受力析(圖5)及截齒及滾筒受力計(jì)算得,在截割機(jī)器人穩(wěn)定截割時(shí)滿足

(11)

式中MA為截割臂力合力矩;Fx,Fy分別為截割臂x和y方向合力。

3 截割機(jī)器人截割仿真

3.1 截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

截割機(jī)器人截割截割滾筒截割速度2.3 m/min,巷道斷面高度4.25 m,滾筒轉(zhuǎn)速25.6 r/min。對(duì)截割機(jī)器人截齒、截割滾筒、截割臂及滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真(圖6),曲線①②③④分別為滾筒上截齒、截割滾筒軸、滑臺(tái)、截割臂的運(yùn)動(dòng)軌跡?；_(tái)和截割臂的曲線運(yùn)動(dòng)合成截割滾筒的上下運(yùn)動(dòng),使截割滾筒上的截齒以滾筒軸為中心做周期運(yùn)動(dòng),完成巷道斷面的平面截割。

圖6 截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真Fig.6 Motion trajectory simulation of cutting robot

3.2 機(jī)器人截割力與截割硬度仿真

設(shè)定截割滾筒截割速度分別設(shè)置為3,2.3 m/min,巷道斷面高度為4.25 m,巷道斷面設(shè)定有f1～f7不同硬度的煤巖,煤巖單軸抗壓強(qiáng)度分別為10,20,30,40,50,60 MPa和70 MPa(大致相當(dāng)于煤巖硬度f(wàn)1～f7)。當(dāng)截割機(jī)器人截割深度為300 mm,對(duì)截割機(jī)器人進(jìn)行仿真,得到不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割硬度關(guān)系(圖7),其中曲線①表示滾筒截割速度為3 m/min時(shí)的截割力,曲線②表示滾筒截割速度為2.3 m/min時(shí)的截割力,曲線③表示截割機(jī)器人滾筒可提供的截割力。

圖7 不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割硬度關(guān)系Fig.7 Relationship between cutting force and cutting hardness under different roller lifting speeds

通過對(duì)截割機(jī)器人不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割硬度關(guān)系(圖7)。隨著滾筒截割速度的增加,截割機(jī)器人所需要的截割力也會(huì)隨之增加。當(dāng)截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到煤巖硬度為f1-f6時(shí),截割機(jī)器人所需要滾筒截割力均小于75 kN,說明此時(shí)截割機(jī)器人能夠完成巷道斷面的截割任務(wù)。當(dāng)截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到煤巖硬度為f7時(shí),需要滾筒截割力分別為78 kN和85 kN,其值大于75 kN,此時(shí)截割機(jī)器人不能完成巷道斷面的截割任務(wù)。

3.3 機(jī)器人截割力與截割深度仿真

設(shè)定截割滾筒截割速度分別設(shè)置為3,2.3 m/min,巷道斷面高度為4.25 m,截割深度設(shè)定有300,400,500,600 mm和700 mm。當(dāng)煤巖單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa(大致為硬度f(wàn)4),對(duì)截割機(jī)器人進(jìn)行仿真,得到截割機(jī)器人不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割深度關(guān)系(圖8)。

圖8 不同滾筒截割速度下機(jī)器人截割力與截割深度關(guān)系Fig.8 Relationship between cutting force and cutting depth under different roller lifting speeds

在截割速度為3,2.3 m/min時(shí)(圖8),隨著截割機(jī)器人截割深度的增加,截割機(jī)器人所需要的截割力也會(huì)隨之增加,截割力的大小與截割深度成正比。當(dāng)煤巖單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa時(shí),截割深度為700 mm時(shí),截割力為74 kN,此時(shí)截割機(jī)器人能夠完成巷道斷面的成形截割任務(wù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司護(hù)盾式智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)(圖9),為壓力傳感安裝位置和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。截割機(jī)器人截割硬度f(wàn)4,截割速度2.3 m/min,斷面高度4.25 m,截割深度分別為300,400,500,600,700 mm,位移/流量傳感器2個(gè)(表3)。

圖9 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及系統(tǒng)壓力監(jiān)控界面Fig.9 Experimental testing system and system pressure monitoring interface

表3 截割機(jī)器人及圍巖參數(shù)Table.3 Parameters of cutting robot and surrounding rock

在測(cè)試截割機(jī)器人滑臺(tái)推移油缸及截割臂升降油缸的推拉力時(shí),油缸推拉力與液壓系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系式為

F推=πR2P,F拉=π(R2-r2)P

(12)

式中F推為油缸推力,kN;F拉為油缸拉力,kN;R為缸筒半徑,mm;r為活塞桿徑,mm;P為測(cè)得的油缸壓強(qiáng),kPa。

測(cè)試截割臂油缸壓力曲線及計(jì)算所得截割力比較數(shù)據(jù)(圖10,表4)。曲線①②③④⑤分別為300,400,500,600 mm和700 mm截割深度時(shí)油缸受力情況(圖10),截割臂油缸拉力在截割開始階段減小來平衡截割臂重力產(chǎn)生的油缸推力,然后迅速增大,截割臂趨水平時(shí),油缸拉力增大趨勢(shì)減緩,達(dá)到最大值,隨后油缸拉力逐漸減小,根據(jù)截割機(jī)器人力學(xué)模型及油缸參數(shù),得到速度為2.3 m/min時(shí),不同截割深度的截割力(表4),最大誤差在2%左右。誤差原因有仿真模型為簡(jiǎn)化模型,各參數(shù)的設(shè)定與實(shí)際還有一定的偏差,還需要通過多次模擬仿真與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析,調(diào)速各仿真參數(shù),使仿真試驗(yàn)盡可能與實(shí)際相一致。

圖10 不同截割深度截割臂油缸受力Fig.10 Stress diagram of cutting arm cylinder at different cutting depths

表4 不同截割深度截割力比較Table 4 Comparison of cutting forces at different cutting depths

為測(cè)試不同煤巖硬度斷面截割效果,設(shè)定截割速度為2.3 m/min,截割深度為300 mm,截割高度為4 250 mm,進(jìn)行了煤巖硬度分別為f4和f6的斷面截割試驗(yàn)。測(cè)試效果(圖11),為煤巖硬度為f4的斷面截割效果和煤巖硬度為f6的斷面截割效果。由圖可知,條件相同的情況下,煤巖硬度低的斷面較為平整,硬度高的斷面平整度較低。經(jīng)過對(duì)截割機(jī)器人截割力的仿真和試驗(yàn)測(cè)試分析,可知理論分析與試驗(yàn)結(jié)果相一致,可為截割機(jī)器人智能截割的截割參數(shù)優(yōu)化提供理論支持。

圖11 煤巖硬度f(wàn)4和f6斷面效果Fig.11 Cutting effect of coal rock hardness f4 &f6

5 結(jié) 論

1)根據(jù)截割機(jī)器人結(jié)構(gòu)及組成原理,將截割機(jī)器人簡(jiǎn)化為多連桿機(jī)構(gòu),建立護(hù)盾式截割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及平面力學(xué)模型,得到截割機(jī)器人滾筒位移量與各油缸伸縮量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及滾筒截割阻力、滑臺(tái)牽引力與煤巖接觸強(qiáng)度之間的變化關(guān)系。

2)建立截割機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型,完成不同截割速度、截割深度、煤巖硬度下截割能力仿真分析。當(dāng)截割速度一定時(shí),截割力隨煤巖硬度增大而增大,且機(jī)器人截割煤巖的最大硬度為f6。當(dāng)煤巖截割硬度不變時(shí),截割機(jī)器人的截割力隨截割深度的增加而增大,且截割速度、煤巖硬度一定時(shí),可確定截割機(jī)器人的最大截割深度。

3)試驗(yàn)表明建立的截割機(jī)器人的模型是正確的,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致,證明該方法可用于截割機(jī)器人真實(shí)截割作業(yè)控制的支撐,為煤礦巷道快速掘進(jìn)截割提供理論依據(jù)。