懸臂式掘進機截割控制系統(tǒng)的研究

柴懷玉

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

現(xiàn)有的懸臂式掘進機截割機構(gòu)在工作時的截割動作和路徑主要是依靠人工控制操作臺上的各種控制手柄，實現(xiàn)控制油缸的升降，進而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)機構(gòu)工作狀態(tài)的控制，但該控制方式對操作人員的技能水平要求較高，而且截割斷面的質(zhì)量難以保證，同時操作人員勞動強度大、易疲勞、截割斷面質(zhì)量差、工作效率低下，難以滿足煤礦井下機械設(shè)備自動化、智能化的發(fā)展趨勢和要求，因此需開發(fā)一種新的懸臂式掘進機截割控制系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進機截割機構(gòu)工作時的自動化、智能化。

1 掘進機截割機構(gòu)工作原理

掘進機的截割機構(gòu)是掘進機用于切割巖壁的執(zhí)行機構(gòu)，其主要用于將巖石或者煤塊從巖壁或者煤層中分離。截割機構(gòu)工作時的路徑?jīng)Q定了截割面的形狀和是否需要重復(fù)截割。掘進機的截割機構(gòu)主要包括液壓驅(qū)動裝置、驅(qū)動電機、截割臂及截割頭，整個截割機構(gòu)通過執(zhí)行油缸安裝在掘進機的機身上，在工作時利用兩個相獨立的液壓控制系統(tǒng)控制截割機構(gòu)進行上下、左右的擺動作業(yè)，同時也可以同時利用兩套執(zhí)行油缸控制掘進機的截割機構(gòu)進行復(fù)合運動，從而使掘進機的截割機構(gòu)能夠適應(yīng)各類型巷道和復(fù)雜斷面的截割作業(yè)[1]。

掘進機截割臂在垂直方向上的運動主要是通過液壓系統(tǒng)控制一對同步升降的執(zhí)行油缸來完成的，當執(zhí)行油缸的行程改變時，可以使截割臂圍繞著截割臂和機身的銷接點進行旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)在垂直方向上的擺動。掘進機截割臂在水平方向上的運動主要由兩組對稱布置的液壓油缸控制，執(zhí)行油缸的活塞桿與機身的回轉(zhuǎn)機構(gòu)相連，執(zhí)行油缸的缸體與機身相連。通過液壓系統(tǒng)控制兩側(cè)油缸的伸出和縮回，實現(xiàn)在水平方向上的擺動。

2 掘進機截割控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)掘進機截割機構(gòu)的工作原理，設(shè)計新的掘進機截割控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制模塊、檢測模塊、比例放大器、敏感式比例控制閥及執(zhí)行單元。

圖1 截割控制系統(tǒng)的控制流程圖

檢測模塊是該控制系統(tǒng)的“耳目”，主要是指布置在掘進機不同部位的各類傳感器設(shè)備，包括活塞桿位移傳感器（分別布置在升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸上）、電流傳感器（布置在截割驅(qū)動電機處），用于監(jiān)測各執(zhí)行油缸活塞桿的位移情況和截割機構(gòu)工作時的電流變化情況。系統(tǒng)依據(jù)截割機構(gòu)在巷道內(nèi)的空間位置與升降及回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的伸出情況的數(shù)學模型，自動計算出截割機構(gòu)需要移動的方向和位移量，系統(tǒng)再根據(jù)截割電機的電流傳感器監(jiān)測到的執(zhí)行電機的電流情況即可自動生成掘進機截割機構(gòu)在執(zhí)行截割作業(yè)時的運動軌跡。其中截割機構(gòu)控制電機的電流值可以直觀表示出井下巷道內(nèi)截割時所受到的截割阻力的大小，根據(jù)所記憶的截割電流大小即可用于對掘進機執(zhí)行自動截割作業(yè)時對掘進機截割機構(gòu)運動軌跡和速度的控制，例如，當執(zhí)行自動記憶截割時，在某個位置截割電流大于正常工作電流，則說明在該處截割機構(gòu)是處于過載工作狀態(tài)的，此時就可以根據(jù)記憶情況使系統(tǒng)自動控制截割機構(gòu)進行路徑上的一個調(diào)整，避開該處，從而在確保維持截割效率的情況下保持截割機構(gòu)截齒和電機安全的工作安全和使用壽命。

3 截割機構(gòu)自動截割成形控制方法

根據(jù)前文所述，掘進機截割機構(gòu)的工作路徑是通過控制掘進機的四組執(zhí)行油缸來實現(xiàn)的，因此在掘進機執(zhí)行自動截割作業(yè)時，可利用PLC編程，實現(xiàn)對各執(zhí)行油缸動作順序、動作幅度及節(jié)流閥閥口流量的精確控制，從而實現(xiàn)對截割機構(gòu)工作路徑的精確規(guī)劃，獲得合理的巷道截割斷面，截割機構(gòu)的自動截割成形控制方法控制邏輯如圖2所示。

圖2 截割機構(gòu)自動截割成形控制框圖

在該自動截割成形控制[2]系統(tǒng)中，需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的巷道截割路徑，通過電流信號對掘進機的升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸的動作順序進行控制，同時通過比例放大器對各比例溢流閥的開口大小實現(xiàn)精確控制，進而對各油缸的進、出液壓油的量進行控制，用于精確控制各油缸在空間各方向上的動作。位于各油缸上內(nèi)置的位移傳感器對各活塞桿的伸出量進行實時監(jiān)測，并以截割機構(gòu)中心為參照點，計算出截割機構(gòu)的空間坐標位置，將計算出的結(jié)果與設(shè)定好的井下巷道的邊界坐標進行對比分析，當截割機構(gòu)的輪廓邊界達到巷道坐標邊界時控制關(guān)閉相應(yīng)執(zhí)行油缸的溢流閥，從而控制結(jié)構(gòu)機構(gòu)進行進一步的截割運動。

為了確保截割機構(gòu)對巷道截割的精確性，針對常見的巷道結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)實際截割流程，設(shè)置了自動截割控制工藝流程，實現(xiàn)了對截割順序的簡化，同時根據(jù)掘進機的截割動作順序流程，設(shè)計的截割工藝路徑為由上到下的截割順序，針對不同巷道結(jié)構(gòu)的自動截割路徑如圖3所示[3]。

圖3 截割機構(gòu)自動截割路徑示意圖

在該自動截割控制路徑中，可以根據(jù)截割機構(gòu)在巷道中的相對位置實現(xiàn)從任意一點開始截割，不用特意設(shè)定某個工藝截割路徑的起始端，從而避免了在執(zhí)行截割作業(yè)時截割機構(gòu)每次截割時必須回到系統(tǒng)標定的起始端進行截割。當完成整個截割作業(yè)后再控制截割機構(gòu)回到起始點，從而提高了懸臂式掘進機的整體截割效率。

4 結(jié)語

懸臂式掘進機是一種集截割、自走、裝載、運輸及噴霧降塵于一體的聯(lián)合機組，是煤礦井下綜采面掘進工作的核心裝備，具有靈活性高、機動性能好、施工準備周期短、可截割任意斷面等優(yōu)點，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦井下巷道的掘進速度。新的自動截割控制技術(shù)可極大提高掘進機工作時的可靠性和穩(wěn)定性，同時克服了現(xiàn)有截割控制技術(shù)的缺點，對掘進效率的提高具有重大意義。