基于截割軌跡的懸臂式掘進機防干涉問題研究

劉 濤

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 臨縣 033200）

引言

懸臂式掘進機以其靈活、適應性強、欠挖和超挖少特性得到了快速發展，廣泛應用在巷道掘進中。但是，懸臂式掘進機也存在一定的不足，主要表現在智能判斷能力不足，自動化程度不高。為此，相關學者先后總結了掘進機智能截割控制技術難題[1]；對于單一軸懸臂式掘進機進行了截割臂互換設計的研究[2]；分析了懸臂式掘進機截割運動軌跡[3]和截割過程的空間位姿運動模型[4]；從截割控制系統角度對機構振動特性進行分析[5]；并從智能化、自適應角度對截割系統進行了優化[6]。這些研究已經將懸臂式掘進機截割運動過程和截割控制系統方面的主要技術原理分析清楚，但并沒有將機械干涉、截割軌跡和可視化監測聯合在一起。因此，本文從機械干涉原理出發，深入探究截割軌跡的規律，設計有效的控制、監測系統，為操作人員提供清晰的實時畫面，將機械干涉發生的概率降到最低。

1 懸臂式掘進機機械干涉原理

懸臂式掘進機結構緊湊、對巷道適應能力強，可進行靈活調整。其前端分為鏟板裝載機構、懸臂工作結構，其底部分為履帶行走機構、中介運輸裝載機構，其中部和后部為泵站、電控系統，其結構示意圖如圖1所示。

到目前為止，懸臂式掘進機截割頭懸臂水平、垂直方向的運動由人手動操控，而懸臂工作結構中的懸臂與鏟板裝載結構的鏟板會因為施工時間長、人員注意力不集中等因素產生干涉碰撞。其干涉碰撞的原理如下：如圖2所示，l1是截割臂的總長度，l3是截割臂可能發生干涉碰撞的長度，l2是鏟板的長度，l4是鏟板可能發生干涉碰撞的長度；B1、B2分別是截割臂、鏟板的厚度；H1、H2分別是截割臂、裝載機構的安裝高度；φ1、φ2分別是截割臂、鏟板的最大運動角度。從圖2看，當截割臂向下運動到極限位置，鏟板向上運動到最高位置，便會在A''處發生碰撞。

圖1 掘進機結構示意圖

根據已有的干涉碰撞公式：φt，max=arcsin[（H1-ΔH）/l1]；Δ=H1-（l2sinφ1+B1/2）-[H2-（l2cosφ1-B2）]，確定不發生干涉碰撞的鏟板與懸臂最小距離[7]。得到如下結論：增加截割臂、鏟板的安裝高度，延長截割臂長度，最小距離會擴大。但是，增加截割臂安裝高度或延長截割臂長度，就會造成掘進機高度的增加，不利于適應不同高度的巷道。

懸臂式掘進機機身的調整已經沒有提升空間，對截割臂、鏟板的干涉碰撞研究轉向了防干涉方向。單靠操作員目視觀察的人工操作控制法會因施工場合、施工時間等受到影響；死擋板隔離法會將懸臂與鏟板碰撞的作用力轉移到其他零件上；液壓控制法依靠傳感油缸控制驅動力，避免發生碰撞，但需要為液壓控制系統補油提供動力。這對環境要求比較高，不容易實現。

2 基于截割軌跡的液壓限位防控系統

截割軌跡是指截割頭在截割斷面形成的運動軌跡[8]。液壓限位防控系統通過電磁換向閥門通斷油路，控制截割臂、鏟板的運動角度和方向，減少截割頭的無用量，確保獲得規整的截割斷面，從根本上避免出現機械干涉。在此基礎上進行可視化監測，進一步增強對截割頭運動的控制。

2.1 記憶程控截割技術

記憶程控截割技術是記錄截割軌跡的核心技術[9]。其原理是：由掘進機操作員根據巷道斷面尺寸，完成一個有效的斷面截割，形成截割樣本，如圖3所示，其中（xi,yj）系列左邊表示截割頭的位置。在實際應用中，在截割臂上安裝角位移傳感器，分截割頭位置、截割頭擺動速度、截割頭轉換方向等參數對截割臂的運動情況進行記錄?？紤]到巷道工程實際情況，一般選擇人工控制4～5次，形成截割樣板記錄群，確定好工作過程各參數的波動范圍。

圖3 截割樣本

2.2 液壓限位防控設計

液壓限位是在記憶程控截割技術提供的角位移數據基礎上實現的。其原理為：在液壓控制系統內安裝電磁換向閥，從多個參數的實測數值與預測數值進行比較，當超過安全限定值時，便停止供能，限制截割臂、鏟板的運動[10]。經過多次試驗，將控制命令分為安全警報、不限制、切割臂不動鏟板下降、鏟板不動切割臂下降、切割臂上升和鏟板下降切割臂和鏟板同時上升或下降六項。這五項內容將截割臂、鏟板可能發生機械干涉的情況全部包括在內，能夠有區別地進行動能控制，將發生機械干涉的幾率降到最低水平。液壓限位的防控判斷結構如圖4所示。

2.3 液壓限位防控系統的可視化監測

在記憶程控截割技術和液壓限位防控設計的研究基礎上，對懸臂式掘進機的操作系統進行改造，添加可視化監測功能，將掘進機向智能化方向進一步推進?？梢暬O測的原理是：根據巷道截割斷面的大小、形狀和要求，通過處理角位移傳感器傳回的數據，對切割臂的位移、實時位置進行跟蹤，實現截割頭的移動軌跡。操作員可以從顯示屏上看到圖形軌跡，并可以根據實際情況進行人工處理和報警。可視化監測解決了目視“死角”的問題，實現了防控相結合的一體化智能管理?？梢暬O測的流程如圖5所示。

圖4 液壓限位防控判斷結構

圖5 可視化監測流程

在可視化監測系統中，對角位移傳入數據的分析是核心內容，發揮著判斷懸臂式掘進機切割臂具體運動過程的作用。為了防止發生機械干涉，使截割面保持平整，避免欠挖、超挖情況出現，通過巷道參數、切割臂參數等進行了智能分析。首先，建立截割面位移運動坐標系，應用升降油缸控制上下方向的位移變化，應用水平對稱的油缸來決定左右方向的位移變化。通過分解截割頭的運動軌跡過程，確定在上下、左右方向的最大擺動角度；然后，設計不同巷道的截割工藝。不同形狀（梯形、矩形、拱形）、不同煤層（軟煤層、中等硬度、硬煤層）、不同工藝（由上而下、由下而上、由中間到兩邊）會給截割工藝帶來一些限制，因此，根據不同巷道參數，限制不合適的截割工藝；最后，建立極限報警函數。根據斷面形狀的不同。例如：梯形的極限報警公式為式中：H為梯形高；B1為梯形上底長；B2為梯形下底長，如圖6所示。這可以有效地避免在梯形下底左右邊緣位置發生機械干涉，將切割臂的活動范圍進行了有效地控制。矩形和拱形的極限報警公式也是限制其在邊緣位置上水平、垂直方向的移動。這便可以實現對截割臂運動方向、運動速度的控制，大大增強了懸臂式掘進機的智能化程度。

圖6 梯形巷道結構示意圖

2.4 液壓限位防控系統的軟件設計

在軟件的設計方面采用了比較流行的PC核心控制技術。首先，將角位移傳感器上的數據傳輸到PCL-1711L數據收集卡中，然后，在PC核心進行數據處理，最后，將數據以具體的方式顯示在屏幕上，實現可視化監督的目的。其主要窗體和控件的屬性如表1所示。

表1 主要窗體和空間的屬性表

表1只列舉了整個系統中具有特色的部分。軟件在每個功能上都附加了程序，部分添加了代碼塊，以確保能夠及時地發布報警信息。從表1中可以看出，巷道截面大小、樣本截割大小和斷面具體形狀是可以進行人工調整的，不同的掘進條件會對應著不同的計算操作方法和模型。通過這樣的動態設置，最大強度地增強其靈活性、智能性，以便達到提高軟件適應性的目的。

3 液壓限位防控系統的應用分析

液壓限位防控系統在原有系統上進行改進，采用普及的CAN總線通訊方式進行設備信號連接和控制。為了滿足懸臂式掘進機高速、中速、低速、手動和自動的需求，設置運動狀態與油缸供能對應關系，在建立好樣本后，形成自動的擋位調節。液壓限位防控系統在懸臂式掘進機EBZ200Z上進行改造使用，在呂臨能化公司龐龐塔煤礦進行現場試驗。在試驗過程中，截割頭按照有效的記憶程控截割樣本進行移動，其運動速度、相對位置表現出良好狀態，減少了欠挖、超挖等情況，鏟板與截割臂之間沒有發生機械干涉，實現了防干涉目的。

4 結論

本次研究進一步豐富了截割軌跡在掘進機防干涉問題中的應用。與前人相比，本文從截割軌跡角度出發，融合液壓限位技術、記憶樣本和可視化監測技術，搭建出一套完整的、可控的智能化防干涉系統。經過本次試驗探究，得到了以下幾點：

1）不同形狀、不同硬度的煤層需要采用不同的極限報警公式，避免在邊界位置出現監測漏洞，進而失去智能監測效果。

2）記憶程控截割樣本應以樣本群的形式存在，為防控系統提供有效的范圍，避免過多報警，無法有效識別正常操作情況，引起不必要的人工操作。

3）本文對多項技術的融合和使用，為懸臂式掘進機的智能化發展提供了更多的思考方向。這有利于在惡劣條件下幫助操作工人安全、合理、快速地展開掘進工作。