煤礦用懸臂式掘進機斷面成形與控制技術研究

0 引言

懸臂式掘進機作為煤礦井下掘進作業的重要設備，在提高開采效率、保障安全生產方面發揮著不可替代的作用。懸臂式掘進機自1949年在匈牙利誕生以來，技術不斷革新，已被廣泛應用于世界各地的煤礦開采中。特別在短距離掘進作業以及軟煤層開采等領域，懸臂式掘進機具有廣泛的應用前景。

然而，隨著煤礦開采環境的日益復雜和開采難度的不斷提高，人們對懸臂式掘進機的斷面成形與控制技術提出更高的要求。基于此，相關學者與專家對懸臂式掘進機斷面成形與控制技術展開了很多研究。向曉丹等[1]人提出斷面自動截割成形控制技術，通過智能算法計算調整截割路徑與速度，實現截割優化，控制巷道斷面成形符合設計要求。楊晉玲[2提出基于CAN總線通信的斷面成形智能控制技術，通過CAN總線實現傳感器與控制器的高速通信，實時監測掘進狀態并智能調整截割參數，確保巷道斷面精準成形。

雖然目前在掘進機斷面成形控制技術方面取得了一定的研究成果，但現有技術仍具有較大的提升空間，在實際應用中控制效果不佳，懸臂式掘進機斷面成形偏差較大。基于此，本文對煤礦用懸臂式掘進機斷面成形與控制技術展開進一步研究。

1懸臂式掘進機斷面成形原理及構成

1.1懸臂式掘進機結構與工作原理

煤礦用懸臂式掘進機主要由截割臂、截割頭、回轉臺及驅動液壓油缸等核心部件構成。截割臂的一端固定在水平回轉臺上，液壓缸的伸縮驅動截割臂在垂直與水平方向擺動，同時截割頭在電機的驅動下旋轉，共同實現對煤巖的有效截割。控制系統用于調節改變截割頭的速度和方向，以滿足不同煤巖硬度和斷面形狀的需求。在工作過程中，截割頭會受到煤巖產生的截割阻力[3]，這些阻力會傳遞到掘進機的各個部件，產生相應的力和力矩。

1.2建立斷面成形運動學模型

為精確描述煤礦用懸臂式掘進機的工作狀態，建立動力學模型及斷面成形運動學模型。該模型著重分析截割臂的關節角變量，包括水平擺角和垂直擺角，并與截割頭位置及姿態之間存在復雜的關系。為此，運用坐標變換原理，通過計算截割頭中心點相對于機體坐標系的位姿，來推導截割機構的運動學模型。

在推導過程中，首先確定截割機構每個轉動關節間的轉換矩陣，用于描述關節間的相對位置和姿態[4]。隨后，通過數學運算最終得到截割頭中心坐標系相對于機體坐標系的轉換矩陣，即煤礦用懸臂式掘進機截割斷面成形運動學方程，用公式表示如下：

式中： T 表示煤礦用懸臂式掘進機截割斷面成形運動學模型， R 表示旋轉矩陣， P 表示平移向量， V 表示懸臂式掘進機截割頭伸縮量， C 表示截割頭中心坐標系中運動向量的坐標， α 表示截割頭水平轉角， s 表示截割頭機體坐標系中運動向量的坐標， β 表示截割頭垂直擺角[5]。利用以上運動學方程即可，描述煤礦用懸臂式掘進機斷面成形過程。

2煤礦用懸臂式掘進機斷面成形控制2.1輔助控制參數計算

2.1.1空間坐標系統與參數設定

針對上述運動分析與煤礦用懸臂式掘進機斷面成形流程的具體細節，構建空間坐標系統，并在此基礎上通過輔助控制參數設置，對截割臂的擺動角度進行限制與實踐性調整。

具體而言，設定掘進機橫斷面截割臂在上、下方向上的擺動角度為變量 β ，同時，確定截割臂的初始位置角度為 α [6]。基于這些設定，確定截割頭在空間坐標中的具體位置，并據此計算出截割過程可能出現的重疊區域，其計算公式表示為：

式中： B 表示煤礦用懸臂式掘進機斷面成形重疊區域，單位為 m² ；W表示掘進機斷面成形預留空間，單位為m； X 表示預留點，單位為m。

在實際操作中，利用傳感裝置對上述計算得出的截割重疊區域進行標定[7]。同時，根據煤礦用懸臂式掘進機截割最佳間距，對實際的鉸接點位置進行調整，從而明確當前的重疊范圍，并測定當前坐標下的可控區域。

2.1.2輔助控制參數設置

煤礦用懸臂式掘進機截割臂擺動角的控制，是基于預設的坐標系統進行的，因此設置輔助控制參數來限制煤礦用懸臂式掘進機截割臂。具體參數包括截割頭移位差、鉸接點數量、截割距離以及垂直回轉均值等可控參數的標準值。輔助控制參數表如表1所示。

結合表1的參數設置，實現對煤礦用懸臂式掘進機截割臂擺動角的輔助控制參數的設置。為滿足截割成形控制的具體要求，設定截割臂擺動角的最大限制范圍，確保擺動幅度始終符合規定標準。該限制范圍用公式表示為：

α+β?Bsinσ+Bcosσ

根據截割頭的運動速度及截割臂的運動變化狀態，對實際的運動控制角度進行調整，確保當前截割成形的穩定性和精確性，從而進一步提升掘進機的控制效果和作業效率。

2.2 斷面成形控制

2.2.1控制模型路徑

在煤礦用懸臂式掘進機的截割臂擺動角優化上實現斷面成形控制，需在現有輔助控制基礎上建立控制模型。此模型融入視覺識別與力覺感知傳感器，以捕捉巷道斷面的空間位置信息及多維度數據，據此進行路徑規劃。

在這一階段，首先在控制模型覆蓋范圍內設定核心與邊緣感知截割點位。其次，測定節點間的可控距離，并將節點關聯，形成一條截割優化軌跡。截割軌跡能反映巷道斷面的形狀和尺寸，為后續的截割操作提供明確的指導。

在此基礎上，制定截割成形控制模型的執行控制策略。該策略根據實時感知數據和預設的路徑規劃，控制截割設備的運動軌跡和力度，從而實現斷面成形控制。

2.2.2截割軌跡優化與控制

根據上述的控制模型路徑，設定截割成形控制模型的執行程序。在覆蓋范圍內，依據實時感知到的數據和應用需求，自動調整生成的截割點位與截割軌跡。這一過程并非一成不變，而是根據具體情境進行靈活調整，以確保截割操作的精準性和高效性。

同時利用預設算法對截割路徑進行持續優化，在滿足成形精度的要求下，實現截割效率的最大化。優化后的掘進機截割角度表示為：

式中： α₀ 、 β_o 分別表示優化后的掘進機截割水平角度和垂直角度； e 表示傳感器感知范圍，單位為m；h表示掘進機截割擺動距離，單位為 m ； c 表示可控距離，單位為 m ： X_i 表示第 i 個控制點坐標，單位為m。

利用以上公式求出掘進機截割角度，對該項參數調整。通過模型實現對其控制。煤礦用懸臂式掘進機斷面成形控制模型公式表示為：

式中： 表示煤礦用懸臂式掘進機斷面成形控制模型，即優化后的斷面； s 表示煤礦用懸臂式掘進機掘進距離，單位為m。

利用以上模型優化控制煤礦用懸臂式掘進機截割路徑，從而實現煤礦用懸臂式掘進機斷面成形與控制。

3實驗論證

3.1實驗對象與對照組設置

為了檢驗煤礦用懸臂式掘進機斷面成形控制技術的性能，以某煤礦用懸臂式掘進機為實驗對象。該掘進機行走方式為單鏈單驅動，挖掘最大寬度為 6000mm ，最大掘進深度為 750mm ，最低裝載高度為 1200mm ，卸載高度為1900mm ，掘進機尺寸規格為 8500mm×2500mm×1850mm. （204號利用本文設計技術對該掘進機斷面成形控制。

為了凸顯本文技術優勢，并使研究具有一定的參考性和學術性價值，將文獻[1]提出的斷面自動截割成形控制技術和文獻提出的基于CAN總線通信的斷面成形智能控制技術設置為對照組，將其與本文技術進行對比分析。

3.2實驗環境及準備

本次實驗環境采用windowsCP1.52操作系統，處理器為InterCoeri8CPU，內存容量為16GB，硬盤容量為8G，控制程序采用1.1版本Python編輯。

基于以上實驗環境，開展掘進機斷面成形控制的相關實驗。實驗準備了2種傳感器，分別為IHFA-A4F8型視覺識別傳感器和GFAS-AS45T型力覺感知傳感器。傳感器采樣頻率設置為 2.62Hz ，采樣周期設置為0.05s，采樣精度設置為大于 99.99% ，采樣時間設置為 70s 。

在實驗過程中，共采集到了1.52GB的數據樣本。按照樣本對數據進行處理和分析，進而優化控制掘進機斷面成形。在對比控制效果評價時，采用超控量作為評價指標。超控量可以表征出掘進機斷面成形控制精度，其計算公式為：超控量 Σ=Σ 斷面理想值-實際值/理想斷面值。超控量越大，則表示掘進機斷面成形偏差越大，相應的控制精度也就越低。

3.3實驗結果與討論

在控制期間內，實驗統計了3種技術對懸臂式掘進機斷面超控量。懸臂式掘進機斷面超控量如圖1所示。

從圖1可以看出，在煤礦用懸臂式掘進機斷面成形控制場景中，本文所提技術展現出顯著優勢，其超控量最低，不超過 0.3% ，實現了高精度斷面成形。相比之下，文獻[2所采用的技術超控量波動較大，峰值明顯高于其他技術，表明其在斷面成形控制精度上存在較大提升空間。通過對比分析可知，本文所提技術更適用于煤礦用懸臂式掘進機斷面成形控制，可以有效保證斷面成形精度。

4結束語

煤礦用懸臂式掘進機斷面成形與控制技術的研究，是提升煤礦開采效率、保障作業安全的關鍵所在。通過深入探索掘進機的斷面成形機理與控制策略，不僅能夠優化掘進作業流程，提高巷道成形精度，還能有效降低工人勞動強度，提升整體作業效率。

隨著智能化、自動化技術的不斷發展，未來煤礦掘進機將更加依賴于高精度傳感器、先進控制算法以及高效通信協議，實現更加精準、高效的斷面成形控制。這些技術不僅將推動煤礦開采行業的轉型升級，還將為構建安全、綠色、高效的現代能源體系提供有力支撐。

參考文獻

[1]玉米提·尼加提，向曉丹，張官禹.煤礦掘進機巷道斷面自動截割成形控制方法研究[J].自動化應用，2024，65（16）：4-7.

[2]楊晉玲.CAN總線通信在掘進機斷面成形智能控制系統的應用[J].機械管理開發，2023，38（3）：186-188.

[3]彭天好，儲安圓，何興川，等.懸臂式掘進機截割軌跡控制聯合仿真研究[J].機床與液壓，2023，51（8）：130-136.

[4]嚴良平，張金宇，潘月梁，等.全斷面豎井掘進機導向控制技術研究[J].建井技術，2023，44（2）：35-40.

[5]張國輝.曹家灘煤礦大斷面全煤巷道快速掘進圍巖控制技術[J].陜西煤炭，2022，41（2）：138-141.

[6]賀安民，原長鎖，盧熠昌，等.基于PLC的全斷面矩形快速掘進機電氣控制系統的設計[J].煤礦機械，2021，42（11）：180-183.

[7]馮宇.基于PLC的全斷面煤巷掘進機控制系統分析[J].機械管理開發，2021，36（3）：254-255+275.