淺析自動控制掘進機采用的防碰撞結構

（1.北方重工集團有限公司煤礦機械分公司，遼寧 沈陽 110141；2.北方重工集團有限公司電控液壓設備分公司，遼寧 沈陽 110141）

淺析自動控制掘進機采用的防碰撞結構

李 博1陳 欣2

（1.北方重工集團有限公司煤礦機械分公司，遼寧 沈陽 110141；2.北方重工集團有限公司電控液壓設備分公司，遼寧 沈陽 110141）

本文主要描述掘進機在采煤機械電控領域中的應用，闡述了系統背景、項目需求、解決方案構成等并給出了系統的計算公式。

自動控制；掘進機；防碰撞結構

1 系統概述

本發明涉及掘進機自動控制領域中防止截割臂和鏟板發生碰撞的一種防碰撞結構。橫軸自動截割掘進機是一種新概念掘進機，較傳統的掘進機相比，從操作人員安全方面和截割速度方面都有了本質的變化。控制工藝也非常復雜，這種新工藝的出現解決了普通掘進機截割速度慢，需手動修形，操作人員危險等問題。以前在我們普通的掘進機截割過程中，各家工藝也都基本一樣，都是人為手動控制，無自動切割修形。這樣就造成了巷道形狀不規則，效率低，掘進速度慢。進而我們拓展思維采用了新的控制工藝，改善截割效率，提高性能參數從而達到安全、高效開掘巷道的掘進工作。因此，研制開發一種采用自動修型的橫軸掘進機一直是急待解決的新課題，而在自動控制中防止截割臂和鏟板發生碰撞又是其中的重要課題。

2 .系統結構及目的

目的在于研發一種掘進機自動控制過程中的防碰撞結構，用于防止自動工作狀態下截割臂和鏟板發生碰撞，該防碰撞結構針對自動控制掘進機，可以提高掘進過程中的效率、操作人員的安全，避免因誤動作造成截割臂和鏟板發生碰撞，節省了維修的費用，同時也延長了整機的使用壽命。

目的是這樣實現的：通過礦內變壓器給開關箱供電，再由開關箱內控制變壓器變成相應的電壓等級，主要由交流220V電源電壓和直流24V驅動電壓組成。當整機采用自動截割控制后，由位移傳感器檢測到截割臂和鏟板的工作位置，將位置信號以模擬量的型式反饋到主控制器中，由主控制器計算，通過比例放大器驅動電磁閥，控制截割臂和鏟板的液壓缸的伸出或縮回，從而形成閉環控制系統，防止截割臂和鏟板碰撞。

3 原理概述

其工作原理及操作方法是：通過礦內變壓器給開關箱供電，再由開關箱內控制變壓器變成相應的電壓等級，主要由交流220V電源電壓和直流24V驅動電壓組成。當整機采用自動截割控制后，由位移傳感器檢測到截割臂和鏟板的工作位置，將位置信號以模擬量的型式反饋到主控制器中，由主控制器計算，通過比例放大器驅動電磁閥，控制截割臂和鏟板的液壓缸的伸出或縮回，從而形成閉環控制系統，防止截割臂和鏟板碰撞。

采用防碰撞的新型橫軸掘進機電氣控制功能與現有技術相比，實時監測液壓缸的位置，通過比例電磁閥可以調節液壓缸的動作速度，提高動作的精確度和截割的效率。進行巷道斷面切割成形時，鏟板和截割臂的動作采用自動控制，即自動抬起截割臂、自動升起鏟板。根據切割工藝的要求，進行下一次的進刀，同時落下鏟板和調整好截割臂的位置。當鏟板和截割臂出現相向運動的時候，主控制器將會根據實時監測的位置信號控制比例電磁閥防止鏟板和截割臂碰撞的優點，將廣泛的應用于掘進機采煤機械電控領域中。

（1）防碰撞結構，由控制變壓器、直流24V電源、直流24V本安電源、主控制器、隔離式安全柵、位移傳感器、比例放大板和比例電磁閥等硬件組成，其特征在于位移傳感器裝在油缸中，位移傳感器信號和隔離安全柵、本安電源連接，此連接是達到本安要求。

（2）根據權利要求1所述的橫軸掘進機防碰撞結構，其特征在于：所述結構的工作原理及操作方法是，截割臂在斷面上的運行軌跡為“S”型，鏟板的運行軌跡為上下往復運動，截割臂升降液壓缸的行程為760mm，鏟板升降液壓缸的行程為150mm，均由液壓缸驅動，做伸縮運動，得到截割臂和鏟板之間構成的不同角度的夾角，根據主控制器算法，防止截割臂和鏟板發生碰撞。

（3）根據權利要求1所述的橫軸掘進機防碰撞結構，其特征在于：所述結構的控制系統算法是，控制系統連鎖，無論截割臂還是鏟板在動作之前都要監測另一機構相應的位置； 動作過程中要監測兩個機構之間的夾角并且在角度小于10度時要根據運動的方向降低其中一個機構的速度，如：同時向上運動應該降低鏟板的速度，同時向下運動應該降低截割臂的速度，相向運動時應同時降低兩個機構的速度。

根據三角形余弦公式可以得到：

其中AO是截割臂的長度為已知參數，BO是鏟板的長度為已知參數，AM是截割頭到地面的距離為可變參數，BN是鏟板前端到地面的距離為可變參數，θ1是截割臂與地面的夾角，θ2是鏟板與地面的夾角，兩個夾角θ1、θ2在地面以上為正，地面以下為負，θ1-θ2是截割臂與鏟板之間的夾角；θ1-θ2當的值大于0度時截割臂和鏟板不會發生平碰撞。

由于截割臂、鏟板距離地面的長度可以通過安裝在油缸內部的位移傳感器檢測到的位置信號反饋給主控制器，通過主控制器的模擬量數值轉換實時監測，其中截割臂距離地面的長度AM和鏟板距離地面的長度BN可由圖2和圖3以及通過公式（2）和公式（3）的算法獲得，

其中L1、L2分別為截割臂液壓缸、鏟板液壓缸中位移傳感器檢測的位置數值。

4 系統優點

本發明的優點在于結構簡單，效果顯著，成本低廉，工作穩定、可靠。應用在煤礦自動控制掘進機上可提高操作的安全性、截割的效率。

[1]金江.我國煤礦掘進機電氣控制的發展趨勢[A]，2007.

[2]短臂機械化開采專業委員會學術研討會論文集[C]，2007.

[3]黎波.螺旋式微型隧道掘進機控制系統的設計[D].華北電力大學（北京），2005.

TM92 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

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