礦井掘進機掘進姿態的仿真分析

秦會軍

（晉城市無煙煤礦業集團有限責任公司成莊礦安檢部， 山西 晉城 048021）

引言

掘進機是煤礦生產建設過程中必不可少的重要裝備，提高其自動化水平能夠在很大程度上提升整個煤礦的自動化程度，這同時也符合其自身智能化與信息化的發展方向。本文對懸臂式掘進機的掘進姿態進行數學建模與軟件仿真，并試驗驗證了仿真分析理論值可滿足誤差要求。

1 掘進機姿態的數學建模分析

首先依據掘進機的運動特性將其行走部分、回轉部分、機身部分、懸臂部分與截割頭之間的運動關系簡化成多處轉動與平移兩種運動的復合運動[1]，再建立截割頭與其他部件的運動關系。將掘進機的運動分解為回轉臺在水平面的轉動、懸臂在豎直面的轉動與截割頭在懸臂方向的平移運動等。依據其運動關系建立圖1 所示的坐標系統，其中，OXYZ坐標是測繪的絕對坐標系，OcXcYcZc是用于巷道檢測與掘進機自身姿態的測量坐標系，OhXhYhZh是工作面坐標系，OiXiYiZi是掘進機各個相對運動節點處的坐標系。當坐標系OcXcYcZc中的Zc垂直于頂板，Xc軸垂直于工作面且與巷道中心線重合，平面XcOcYc與底板面重合時，掘進機的姿態為最優狀態。掘進機工作過程中的姿態可簡化為以下5 個參數：偏航角α 與偏航距離A共同反映了掘進機與中心線的偏移量，俯仰角β 決定了截割點與頂板、底板之間的距離，橫滾角γ 與車前距L[2]。進一步假定偏航角α 與俯仰角β 均為0，即掘進機中心線與巷道中心線重合。掘進機截割的自動化研究主要包含正向與逆向運動學兩個方面。其中正向運動學研究主要是指在連桿機構各個參數已知的情況下求解截割頭空間位置的研究，一般采取D-H 法來求解；逆向運動學研究對于截割頭空間位置的控制問題，即對于截割頭運動軌跡的規劃問題，一般采用解析法與逆解法進行求解。

圖1 掘進機坐標系統示意圖

2 掘進機姿態的仿真分析

掘進機在一定姿態下的截割位置變化是經由懸臂在水平與豎直方向的位移來確認的，同時，由其所采取的截割工藝所決定，其截割軌跡一般都是規則的圓弧運動。因此需要對掘進機的各個相對運動部件通過其相對運動的角度與速度進行控制，從而實現截割軌跡的規劃與自動控制。截割面的斷面形狀是由截割頭的外形與運動軌跡所形成，在對斷面形狀進行研究時必須特別注意運動軌跡在極限位置的拐點，該拐點坐標的精確度在很大程度上決定了斷面形狀的質量好壞[3]。

以EBZ260H 型懸臂式掘進機為仿真與試驗機型，先將其結構尺寸、運動等相關參數輸入Matlab中，再仿真其截割頭自底部向頂部沿S 形路徑進行截割作業，設定其理論截割斷面的投影區域為4 m×3.5 m，如下頁圖2-1 所示；仿真求得實際截割斷面的投影區域為4.473 m×4.267 m，如下頁圖2-2 所示；斷面實際形狀如下頁圖3 所示。上述結果將截割頭的路徑進行了直觀展示，對比實際截割面的數值可知，其與掘進機說明書所述參數相符，這就從理論上驗證了前述數學建模與控制方式的正確性。

3 試驗驗證

進一步進行試驗驗證，試驗工作面的截割斷面大小4.5 m×4 m，將EBZ260H 型懸臂式掘進機步距設置為0.6 m，路徑設置為自底部向頂部沿S 形進行截割作業。巷道中心線設置在截割面中心，與兩幫距離均為2.25 m，截割作業過程中始終保持掘進機鏟板的中心線與巷道中心線重合。最后，將重錘懸掛在截割頭的中心處用于測量每次截割頭運動到左右兩幫極限位置時截割面的寬度與高度尺寸。

將試驗過程中的數據記錄（見表1），其中截割斷面的左幫最大偏差為0.035 m，截割斷面的右幫最大偏差為0.034 m。上述誤差符合《煤礦井巷工程質量檢驗評定標準》《煤礦井巷工程質量驗收規范》等標準。

圖2 截割頭規劃運動軌跡與實際運動軌跡對比

4 結論

懸臂式掘進機在自動化、智能化發展趨勢中面臨諸多困難，本文首先建立了其姿態坐標系統；再對其進行數學建模與仿真分析，二者結果相符；最后以EBZ260H 型懸臂式掘進機為例進行實際掘進工作，獲取實踐數值。實際值與理論值對比，其兩幫的幫距誤差完全滿足煤礦礦井建設的相關法規與標準，證明本文所建立的姿態坐標系統應用于實際軌跡規劃是完全可行的。

圖3 掘進截割面極限位置仿真示意圖

表1 截割面斷面幫距數據對比表 m