懸臂式掘進機巷道斷面自動成形方案研究與應用

邢勇鋒

（西山煤電集團，山西 太原030053）

引言

掘進機是煤礦井下綜掘工作面重要的采煤設備，集機械、液壓、電氣以及通信技術于一體，具備截割、裝載、轉運以及履帶式行走功能，具有掘進效率高、勞動強度低等優點。掘進機自動截割是指通過智能工作面板，設置并輸入掘進機截割參數、巷道邊界參數，掘進機截割頭即可按照預定參數和程序自動控制截割臂的回轉油缸、升降油缸，進而控制截割頭在巷道中的空間位置和截割軌跡，自動截割出滿足設計期望的巷道斷面。整個截割過程經人工設定參數后，由掘進機智能截割控制系統自動完成[1-2]。掘進機智能截割控制系統不但可降低工人勞動強度，改善工人勞動環境，而且可提升綜掘工作面的智能化水平。圍繞掘進機智能截割控制系統，國內外學者展開一系列的研究，如針對矩形、梯形以及拱形道斷面巷，建立數學模型，并利用仿真軟件完成各巷道斷面成形的模擬仿真[3]；建立智能截割運動學模型，進行三維動態仿真并驗證所建模型的正確性[4]；利用高精度位移傳感器以及PLC控制器實現截割頭軌跡精確控制，并在EBH360型掘進機完成工業試驗[5]。研究巷道斷面輪廓成形、自動截割以及自動刷幫問題，以解決綜掘工作面掘進機自動截割系統存在的控制精度低、成形巷道邊界粗糙度大的問題。

1 掘進機智能截割系統設計

懸臂式掘進機智能截割系統控制方案見圖1所示，由檢測單元、控制單元以及執行單元三部分組成。檢測單元中的回轉油缸位移傳感器、升降油缸位移傳感器用于檢測各油缸位移；截割電機電流傳感器用于檢測截割電機電流，為控制單元的控制方案提供理論依據。控制單元由PCC、比例放大板、智能工控面板、遙控器、操作手柄等組成，為該系統的核心部分，通過智能工控面板控制自動截割模塊、自動刷幫模塊，使得掘進機截割頭按照控制方案智能運行。執行單元由負載敏感多路比例換向閥組驅動回轉油缸以及升降油缸，直接控制截割頭在水平以及垂直方向運動。

圖1 掘進機自動截割控制系統設計框圖

2 巷道斷面自動成形方案設計

2.1 巷道斷面輪廓成形

巷道斷面輪廓成形是指掘進機截割頭做截割運動時，所有邊界坐標點的集合形成矩形、拱形、梯形等巷道斷面。為保證形成的巷道斷面的控制精度，采用曲線擬合算法將不同的巷道邊界特征點進行擬合，形成精確的巷道斷面邊界，選取的特征點越密集，形成巷道斷面邊界越精確[6-7]。

2.2 自動截割控制方法

懸臂式掘進機工作時，PCC通過控制回轉油缸、升降油缸使得掘進機截割頭在水平、垂直方向運動。PCC通過傳感器數據以及設定的巷道斷面數據精確控制截割頭水平、垂直運動軌跡，形成期望的巷道斷面。

懸臂式掘進機巷道斷面自動截割控制框圖見圖2所示。PCC控制系統以20 ms的頻率采集位于油缸內的位移傳感器數據，并與設定的巷道斷面截割輪廓水平邊界以及垂直邊界位置點坐標進行比較。根據比較結果控制油缸控制信號的啟動/關閉并設置油缸閥口流量。油缸控制信號經比例放大板后作用于負載敏感式多路比例換向閥組，完成對油缸本體的控制。以懸臂式掘進機截割頭初始位置位于巷道斷面左下方為例說明自動截割流程：PCC控制系統采集回轉油缸傳感器數據，計算截割頭當前位置坐標為J（x，y），與巷道斷面截割輪廓水平邊界位置坐標L（x，y）進行比較，根據截割頭距離水平邊界的距離dl，設定回轉油缸閥口流量，即控制截割頭水平運動的速度v，dl的大小與截割頭運行速度v為正相關關系。當截割頭實時坐標J（x，y）的水平值Jx與Lx相等時，PCC控制系統開啟升降油缸并設定閥口流量，控制截割臂升降油缸動作將截割頭垂直向上抬升一個步距S。計算截割頭坐標Jnew（x，y），與巷道斷面截割輪廓垂直邊界坐標進行比較，若截割頭更新位置后坐標Jnew（x，y）位于巷道斷面邊界，則PCC控制系統控制截割頭做水平截割運動。PCC控制系統通過采集回轉、升降油缸傳感器數據，確定截割頭實時位置坐標，與巷道斷面邊界進行比較，進而控制截割頭在邊界內做類S曲線往復運動，如圖3所示。

圖2 巷道斷面自動截割成制框圖

懸臂式掘進機智能截割控制流程見圖4所示。智能截割開始時，將截割頭的初始位置置于巷道底邊的左邊界，參考圖3中位置1所示。PCC控制系統啟動回轉油缸，使截割頭水平向右運動，當截割頭運動至當前高度的右邊界時，根據截割頭坐標J（x，y）判斷是否達到煤層頂部。如果達到煤層頂部，則控制截割頭返回起點。如果沒有達到煤層頂部，則同時啟動回轉、升降油缸，控制截割頭到達當前高度+步距S對應的右邊界；然后驅動截割頭在當前高度沿水平方向向左運動并達到左邊界。繼續判斷當前位置是否到達煤層頂部，如果沒有，則同時開啟回轉、升降油缸控制截割頭升至當前高度+步距對應的左邊界，繼續控制截割頭水平向右運動，直至截割頭到達煤層頂部后返回起點1。

圖3 自動截割類S路徑示意圖

圖4 自動截割控制流程

2.3 自動刷幫控制

掘進機截割巷道斷面時，垂直方向提升距離為步距S，截割頭直徑為D。若S＜D，則形成巷道斷面的平整性好，控制精度高，但截割步驟較多，影響截割效率；若S≥D，則形成巷道斷面平整性較差，粗糙度嚴重，控制精度低，但截割步驟較少，在一定程度上可提高截割效率[8]。巷道斷面邊界誤差a與步距S、直徑D的關系可表示為（1）：

其中R為截割頭半徑且有關系式D=2R。根據式（1）可知，若滿足巷道截割斷面邊界誤差≤10 cm，則自動截割時步距S需小于529 mm。以截割頭有A點到B點自動刷幫控制為例進行說明，如圖3所示，計算B點對應的升降油缸的伸長量，啟動升降油缸，并控制其伸長量達到計算出的目標值，然后關閉升降油缸。同時，計算A點的回轉油缸伸長量并開啟回轉油缸，控制截割頭垂直向下運動；為保證截割頭不偏離巷道斷面邊界，每隔500 ms采集回轉油缸伸長量，保證該值在設定誤差范圍之內，保持截割頭在水平方向移動。PCC系統控制截割頭由A點到B點做向下垂直運動，進行自動刷幫過程，改善成形的巷道斷面粗糙度。

3 應用情況

將設計的掘進機智能截割控制系統在西山煤電集團屯蘭煤礦進行工業試驗，將該控制系統應用于EBZ160型掘進機，綜掘工作面巷道寬3.2 m，高3 m，為拱形巷道。通過智能工控面板輸入EBZ160型掘進機運行參數以及巷道邊界參數，設定自動截割步距S為500 mm。按下自動截割啟動按鈕后，掘進機截割頭開始從巷道斷面左下方開始沿類S曲線自動截割，截割頭運行至巷道斷面右邊界后，由升降油缸控制截割頭向垂直方向行進500 mm后，向左水平運動。巷道斷面成形后，啟動自動刷幫控制模式對成形的巷道斷面的左、右以及拱形頂部邊界進行自動刷幫，保證巷道斷面的粗糙度。

4 結論

掘進機自動截割控制系統在西山煤電集團屯蘭煤礦的工業試驗結果表明，該自動截割控制系統能夠精確控制截割頭在設定的斷面巷道邊界內完成類S路徑控制以及自動刷幫控制，形成粗糙面較好的巷道斷面，杜絕超挖、欠挖現象。工業試驗結果還驗證了PCC控制技術以及傳感器技術在掘進機電氣控制系統中具有廣泛的適用性，解決了掘進機截割系統從手動控制向自動控制的轉變，提高了掘進機智能化水平，對綜掘工作面的少人化、無人化以及機器人化的發展具有較大的借鑒意義。