不同傾角巷道下掘進機的防滑控制方法探索

胡玉峰

（晉城宏圣建筑工程有限公司，山西晉城 048006）

0 引言

履帶型機構行走由于具有獨特的構成及較強適應環境的能力，能夠在軍事及礦業等復雜底板環境下廣泛采用。該設備是礦業行業中重要的行走設備，在工作面路況復雜的情況下行駛履帶速度會受輪轉矩的變化而改變，其轉矩加大，履帶的速度也隨之提高，可底板產生的剪切力不能超過最大范圍，如果轉矩超過最大值，就會出現履帶打滑，對掘進機工作行走的功能造成直接影響，降低巷道掘進工作質量。為了保證掘進機穩定可靠的動力性，就要有效控制履帶打滑的問題。

BEKKER設計了確定履帶型車輛有關剪切的應力及位移的關系方法，WONG設計了各種情況下履帶底板壓力原理研究及打滑現象分析。有研究人員對采煤機連續履帶機構行走動力學原理展開研究，并重點研究了驅動履帶動力與打滑相互間的關系。本文對非水平環境下掘進機行駛打滑的情況做了深入研究，根據掘進機底板的行駛力學分析，將各種計算剪切的應力辦法結合起來，可以得到各種路況下掘進機打滑率與牽引力之間相互作用的關系，根據對傾斜的巷道內掘進機動力學研究，設計提出防滑安全控制功能系統，以達到防滑的控制效果，同時進行了模擬仿真效果分析。

1 掘進機行駛底板特性分析

掘進機在行駛中，應用履帶式驅動輪相對驅動底板進行剪切性運動[1]，同時對底板生成后作用力，致使底板出現剪切性變形，以達到給掘進機提供行駛動力的作用。底板所表現出剪切的應力及位移之間關系影響履帶掘進機驅動力大小，其剪切的應力與位移之間相互作用的關系包括以下方面：

（1）針對HANAMATO與JANOSI設計提出對大多數干沙擾動的土壤；

（2）針對凍雪、淤沙、緊沙等土壤特征；

（3）根據試驗得到高含水量海泥模擬剪切的應力及位移關系。

根據掘進機工作行駛的基本特點，履帶導致底板發生位移，隨之產生剪切的應力。掘進機由于不能將履帶進行拉伸，履帶同接觸地面每一點上打滑的速度是一致的，接地段剪切各點位移則表現出線性增長[2]。

掘進機打滑率及牽引力計算的前提條件是：掘進機驅動接地時產生壓力隨底板向周圍擴散，履帶齒垂直兩側所產生的驅動力無需計入。把底板相關參數按公式代入，可以求得底板在此種情況下實現安全行駛需要的打滑率。

2 掘進機動力分析

（1）掘進機運行阻力

因為巷道地質的復雜性，巷道底板會經常出現存水現象，所以，泥濘的道路情況在巷道中較為常見，因為巷道底板松軟的原因，其掘進機行駛在表面上會發生沉陷現象，進而產生壓實阻力和推土阻力。本文建立巷道底板不同情況掘進機沉陷和壓力關系，從而可計算掘進機工作過程中的推土阻力和壓實阻力[3]。

（2）轉向阻力

針對掘進機工作而言，掘進機在工作時要不斷進行調整姿態，所以，掘進機要不斷左右轉向從而達到調整姿態的目的。掘進機左右轉向過程里會產生阻力，其轉向阻力分析如圖1所示。

圖1 掘進機運行時受力的分析

為了簡化其計算過程，首先要假設掘進機履帶橫向的阻力在履帶上是平均進行分配的，這只適合非黏性的土壤巷道，但是因為掘進機工作行駛的巷道復雜，只有底板路況好的時候才能進行這一簡化，掘進機在巷道轉彎的過程里，履帶的末端比其他履帶的部位受到路面擠壓的作用力要大，產生分解出的橫向力也很大，離掘進機重心越近其受到的作用力就越小，所以，掘進機轉向分解阻力顯現三角形受力分布[4]。因為掘進機運行速度慢，所以，向心力為0，因此計算時向心力可以定為0。

（3）動力模型

因為掘進機掘進工作面的井下巷道一般是不水平的巷道，其巷道不水平的傾斜形式有側向進行傾斜的巷道、向下進行傾斜的巷道、向上進行傾斜的巷道。現在以向上進行傾斜的巷道作為分析對象，首先設定巷道的傾斜角是β 為前提，建立動力模型。在模型中掘進機自身重量受力分析為：垂直作用于巷道的力Fx，平行巷道的力Fy，因為巷道存在的傾角造成掘進機受Fy作用[5]，是其法向壓力點向掘進機后部發生偏移，這就造成掘進機向下分力與掘進機自身中心不重合，而且傾斜巷道會使縱向Fy隨時指向不同的方向，從而造成掘進機工作過程中機體前后負荷發生變化，所以，將掘進機左右履帶和地面法向力集中在縱向軸加以考慮。

3 掘進機行走液壓系統建模

掘進機兩側的履帶能夠實現行走運轉，是通過兩套相同的液控馬達達到的，這一系統是由馬達、電液控制比例閥組、定量液壓泵組成，系統通過電液控制比例閥進行馬達的流量控制，最終實現控制馬達的旋轉方向、運轉的速度控制，達到控制掘進機的轉向、后退、前進的動作。根據液壓系統中的負載馬達平衡方程、馬達液壓流量方程、電液控制比例閥流量負載方程、電液控制比例閥位移閥芯和電壓方程，可以獲得電液控制比例閥輸入的電壓信號，以及履帶角速度和轉矩輸出函數[6]。可通過對電液控制比例閥輸入的電壓進行控制，來達到調整履帶行走輪轉矩的目的，最終達到控制掘進機行走防滑。

上述模型對馬達進行假設：掘進機液壓系統全部的管道內徑粗而且短，忽視液壓管道內壁產生的摩擦，忽視液壓管道的流動影響與流體流動產生質量的效應，馬達彈性與油溫設定常數，馬達內外的泄漏形式為流動的層流，馬達供油的壓力是常數，液壓油是存在可壓縮的特性。

4 掘進機系統控制設計

因為掘進機工作環境的復雜性和系統控制的非線性，以往的PID系統控制不能滿足路況環境相對復雜而防止掘進機發生打滑的控制。網絡神經能夠隨意達到非線性能力，能夠實時對系統進行學習，通過學習達到PID 最佳的控制，最終完成掘進機在復雜環境的防滑實時自動調整[7]。

（1）系統控制

掘進機行走系統液壓里，進行控制其運行速度的是比例閥元件，馬達運轉的速度是由編碼器將馬達轉速轉換成數字信號，并及時傳輸于系統控制電腦，電腦據此能夠計算出履帶打滑率和行駛速度，同時計算結果和輸入值進行比較，通過比較出的偏差值進行轉換為比例閥控制信號電流，最終確保履帶發生打滑與馬達轉速的精準控制。為了保證掘進機能夠正常運行，本文設計神經元網絡PID系統控制的掘進機如圖2所示。

圖2 掘進機PID系統控制圖

掘進機系統控制中，其控制的主要目的是打滑率，控制的形式是控制掘進機行走液壓比例閥控制電流，掘進機打滑率偏差根據計數器和編碼器所測量的結果進行計算得出，PID控制過程的微分、積分、比例參數，分別由神經元網絡進行計算獲得[8]。

（2）控制器設計

為了達到控制反應速度和精度，選擇BP神經元網絡。

PID在BP神經元網絡中運算，其速度是影響BP 性能與速度的主要數據，其學習速率自動適應能力的調整，能夠確保系統性能最佳。

5 結束語

懸臂掘進機在復雜底板上行走，其安全防滑的穩定及可靠性非常重要，通過對巷道工作面底板的獨特性進行分析，得出各種狀況下掘進機的履帶牽引力同打滑率的運算函數。通過掘進機工作環境和受力分析，從而獲得掘進機在不同的路況下打滑和牽引力之間的關系，并且同時建立模型、建立PID掘進機防滑系統控制。通過上述設計，掘進機在不同的路況下，其防滑的系統控制能夠使其適應路況，能夠及時、快速地根據路況進行調整，進而保證其行駛正常。