煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形與控制技術(shù)研究

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)的重要設(shè)備，在提高開(kāi)采效率、保障安全生產(chǎn)方面發(fā)揮著不可替代的作用。懸臂式掘進(jìn)機(jī)自1949年在匈牙利誕生以來(lái)，技術(shù)不斷革新，已被廣泛應(yīng)用于世界各地的煤礦開(kāi)采中。特別在短距離掘進(jìn)作業(yè)以及軟煤層開(kāi)采等領(lǐng)域，懸臂式掘進(jìn)機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而，隨著煤礦開(kāi)采環(huán)境的日益復(fù)雜和開(kāi)采難度的不斷提高，人們對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的斷面成形與控制技術(shù)提出更高的要求?；诖?，相關(guān)學(xué)者與專(zhuān)家對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形與控制技術(shù)展開(kāi)了很多研究。向曉丹等[1]人提出斷面自動(dòng)截割成形控制技術(shù)，通過(guò)智能算法計(jì)算調(diào)整截割路徑與速度，實(shí)現(xiàn)截割優(yōu)化，控制巷道斷面成形符合設(shè)計(jì)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(shù)，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器的高速通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)狀態(tài)并智能調(diào)整截割參數(shù)，確保巷道斷面精準(zhǔn)成形。

雖然目前在掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制技術(shù)方面取得了一定的研究成果，但現(xiàn)有技術(shù)仍具有較大的提升空間，在實(shí)際應(yīng)用中控制效果不佳，懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形偏差較大。基于此，本文對(duì)煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形與控制技術(shù)展開(kāi)進(jìn)一步研究。

1懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形原理及構(gòu)成

1.1懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要由截割臂、截割頭、回轉(zhuǎn)臺(tái)及驅(qū)動(dòng)液壓油缸等核心部件構(gòu)成。截割臂的一端固定在水平回轉(zhuǎn)臺(tái)上，液壓缸的伸縮驅(qū)動(dòng)截割臂在垂直與水平方向擺動(dòng)，同時(shí)截割頭在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖的有效截割。控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)改變截割頭的速度和方向，以滿(mǎn)足不同煤巖硬度和斷面形狀的需求。在工作過(guò)程中，截割頭會(huì)受到煤巖產(chǎn)生的截割阻力[3]，這些阻力會(huì)傳遞到掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)部件，產(chǎn)生相應(yīng)的力和力矩。

1.2建立斷面成形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為精確描述煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，建立動(dòng)力學(xué)模型及斷面成形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該模型著重分析截割臂的關(guān)節(jié)角變量，包括水平擺角和垂直擺角，并與截割頭位置及姿態(tài)之間存在復(fù)雜的關(guān)系。為此，運(yùn)用坐標(biāo)變換原理，通過(guò)計(jì)算截割頭中心點(diǎn)相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的位姿，來(lái)推導(dǎo)截割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

在推導(dǎo)過(guò)程中，首先確定截割機(jī)構(gòu)每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)間的轉(zhuǎn)換矩陣，用于描述關(guān)節(jié)間的相對(duì)位置和姿態(tài)[4]。隨后，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算最終得到截割頭中心坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，即煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割斷面成形運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，用公式表示如下：

式中： T 表示煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割斷面成形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型， R 表示旋轉(zhuǎn)矩陣， P 表示平移向量， V 表示懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭伸縮量， C 表示截割頭中心坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)向量的坐標(biāo)， α 表示截割頭水平轉(zhuǎn)角， s 表示截割頭機(jī)體坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)向量的坐標(biāo)， β 表示截割頭垂直擺角[5]。利用以上運(yùn)動(dòng)學(xué)方程即可，描述煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形過(guò)程。

2煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制2.1輔助控制參數(shù)計(jì)算

2.1.1空間坐標(biāo)系統(tǒng)與參數(shù)設(shè)定

針對(duì)上述運(yùn)動(dòng)分析與煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形流程的具體細(xì)節(jié)，構(gòu)建空間坐標(biāo)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)輔助控制參數(shù)設(shè)置，對(duì)截割臂的擺動(dòng)角度進(jìn)行限制與實(shí)踐性調(diào)整。

具體而言，設(shè)定掘進(jìn)機(jī)橫斷面截割臂在上、下方向上的擺動(dòng)角度為變量 β ，同時(shí)，確定截割臂的初始位置角度為 α [6]?；谶@些設(shè)定，確定截割頭在空間坐標(biāo)中的具體位置，并據(jù)此計(jì)算出截割過(guò)程可能出現(xiàn)的重疊區(qū)域，其計(jì)算公式表示為：

式中： B 表示煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形重疊區(qū)域，單位為 m² ；W表示掘進(jìn)機(jī)斷面成形預(yù)留空間，單位為m； X 表示預(yù)留點(diǎn)，單位為m。

在實(shí)際操作中，利用傳感裝置對(duì)上述計(jì)算得出的截割重疊區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定[7]。同時(shí)，根據(jù)煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割最佳間距，對(duì)實(shí)際的鉸接點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，從而明確當(dāng)前的重疊范圍，并測(cè)定當(dāng)前坐標(biāo)下的可控區(qū)域。

2.1.2輔助控制參數(shù)設(shè)置

煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂擺動(dòng)角的控制，是基于預(yù)設(shè)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行的，因此設(shè)置輔助控制參數(shù)來(lái)限制煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂。具體參數(shù)包括截割頭移位差、鉸接點(diǎn)數(shù)量、截割距離以及垂直回轉(zhuǎn)均值等可控參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。輔助控制參數(shù)表如表1所示。

結(jié)合表1的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂擺動(dòng)角的輔助控制參數(shù)的設(shè)置。為滿(mǎn)足截割成形控制的具體要求，設(shè)定截割臂擺動(dòng)角的最大限制范圍，確保擺動(dòng)幅度始終符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。該限制范圍用公式表示為：

α+β?Bsinσ+Bcosσ

根據(jù)截割頭的運(yùn)動(dòng)速度及截割臂的運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)，對(duì)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)控制角度進(jìn)行調(diào)整，確保當(dāng)前截割成形的穩(wěn)定性和精確性，從而進(jìn)一步提升掘進(jìn)機(jī)的控制效果和作業(yè)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(jìn)機(jī)的截割臂擺動(dòng)角優(yōu)化上實(shí)現(xiàn)斷面成形控制，需在現(xiàn)有輔助控制基礎(chǔ)上建立控制模型。此模型融入視覺(jué)識(shí)別與力覺(jué)感知傳感器，以捕捉巷道斷面的空間位置信息及多維度數(shù)據(jù)，據(jù)此進(jìn)行路徑規(guī)劃。

在這一階段，首先在控制模型覆蓋范圍內(nèi)設(shè)定核心與邊緣感知截割點(diǎn)位。其次，測(cè)定節(jié)點(diǎn)間的可控距離，并將節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，形成一條截割優(yōu)化軌跡。截割軌跡能反映巷道斷面的形狀和尺寸，為后續(xù)的截割操作提供明確的指導(dǎo)。

在此基礎(chǔ)上，制定截割成形控制模型的執(zhí)行控制策略。該策略根據(jù)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的路徑規(guī)劃，控制截割設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡和力度，從而實(shí)現(xiàn)斷面成形控制。

2.2.2截割軌跡優(yōu)化與控制

根據(jù)上述的控制模型路徑，設(shè)定截割成形控制模型的執(zhí)行程序。在覆蓋范圍內(nèi)，依據(jù)實(shí)時(shí)感知到的數(shù)據(jù)和應(yīng)用需求，自動(dòng)調(diào)整生成的截割點(diǎn)位與截割軌跡。這一過(guò)程并非一成不變，而是根據(jù)具體情境進(jìn)行靈活調(diào)整，以確保截割操作的精準(zhǔn)性和高效性。

同時(shí)利用預(yù)設(shè)算法對(duì)截割路徑進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，在滿(mǎn)足成形精度的要求下，實(shí)現(xiàn)截割效率的最大化。優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)截割角度表示為：

式中： α₀ 、 β_o 分別表示優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)截割擺動(dòng)距離，單位為 m ； c 表示可控距離，單位為 m ： X_i 表示第 i 個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，單位為m。

利用以上公式求出掘進(jìn)機(jī)截割角度，對(duì)該項(xiàng)參數(shù)調(diào)整。通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)斷面成形控制模型，即優(yōu)化后的斷面； s 表示煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)距離，單位為m。

利用以上模型優(yōu)化控制煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割路徑，從而實(shí)現(xiàn)煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形與控制。

3實(shí)驗(yàn)論證

3.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象與對(duì)照組設(shè)置

為了檢驗(yàn)煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制技術(shù)的性能，以某煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該掘進(jìn)機(jī)行走方式為單鏈單驅(qū)動(dòng)，挖掘最大寬度為 6000mm ，最大掘進(jìn)深度為 750mm ，最低裝載高度為 1200mm ，卸載高度為1900mm ，掘進(jìn)機(jī)尺寸規(guī)格為 8500mm×2500mm×1850mm. （204號(hào)利用本文設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)該掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制。

為了凸顯本文技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并使研究具有一定的參考性和學(xué)術(shù)性?xún)r(jià)值，將文獻(xiàn)[1]提出的斷面自動(dòng)截割成形控制技術(shù)和文獻(xiàn)提出的基于CAN總線通信的斷面成形智能控制技術(shù)設(shè)置為對(duì)照組，將其與本文技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2實(shí)驗(yàn)環(huán)境及準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用windowsCP1.52操作系統(tǒng)，處理器為InterCoeri8CPU，內(nèi)存容量為16GB，硬盤(pán)容量為8G，控制程序采用1.1版本Python編輯。

基于以上實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了2種傳感器，分別為IHFA-A4F8型視覺(jué)識(shí)別傳感器和GFAS-AS45T型力覺(jué)感知傳感器。傳感器采樣頻率設(shè)置為 2.62Hz ，采樣周期設(shè)置為0.05s，采樣精度設(shè)置為大于 99.99% ，采樣時(shí)間設(shè)置為 70s 。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，共采集到了1.52GB的數(shù)據(jù)樣本。按照樣本對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，進(jìn)而優(yōu)化控制掘進(jìn)機(jī)斷面成形。在對(duì)比控制效果評(píng)價(jià)時(shí)，采用超控量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。超控量可以表征出掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制精度，其計(jì)算公式為：超控量 Σ=Σ 斷面理想值-實(shí)際值/理想斷面值。超控量越大，則表示掘進(jìn)機(jī)斷面成形偏差越大，相應(yīng)的控制精度也就越低。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在控制期間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了3種技術(shù)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面超控量。懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)斷面成形控制場(chǎng)景中，本文所提技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，其超控量最低，不超過(guò) 0.3% ，實(shí)現(xiàn)了高精度斷面成形。相比之下，文獻(xiàn)[2所采用的技術(shù)超控量波動(dòng)較大，峰值明顯高于其他技術(shù)，表明其在斷面成形控制精度上存在較大提升空間。通過(guò)對(duì)比分析可知，本文所提技術(shù)更適用于煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制，可以有效保證斷面成形精度。

4結(jié)束語(yǔ)

煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面成形與控制技術(shù)的研究，是提升煤礦開(kāi)采效率、保障作業(yè)安全的關(guān)鍵所在。通過(guò)深入探索掘進(jìn)機(jī)的斷面成形機(jī)理與控制策略，不僅能夠優(yōu)化掘進(jìn)作業(yè)流程，提高巷道成形精度，還能有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升整體作業(yè)效率。

隨著智能化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)煤礦掘進(jìn)機(jī)將更加依賴(lài)于高精度傳感器、先進(jìn)控制算法以及高效通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、高效的斷面成形控制。這些技術(shù)不僅將推動(dòng)煤礦開(kāi)采行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，還將為構(gòu)建安全、綠色、高效的現(xiàn)代能源體系提供有力支撐。

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