悬臂掘进机自动截割控制关键技术_刘建功

n 煤炭科技#机电与信息化n

悬臂掘进机自动截割控制关键技术

刘建功1 吴 淼2 魏景生2,3 田 劼2 杨 阳2 陈国强2 李 睿2

(11河北冀中能源集团,河北省邢台市中兴西大街191号,054021;21中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区学院路,100083;31石家庄煤矿机械有限责任公司,河北省石家庄市跃进路111号,050031

摘 要 阐述了悬臂掘进机巷道自动截割控制的4个关键技术,即掘进巷道断面自动成形控制、截割头恒功率自动牵引调速控制、掘进机位姿检测控制以及掘进机定向掘进控制。

其中前2个关键技术已在EBZ160、EBZ200和EBH 300机型上得到实施,试验效果很好。认为,该关键技术的研究为实现掘进工作面智能化、自动化、信息化和无人化奠定了基础。

关键词 悬臂掘进机 位姿检测 定向掘进 断面自动成形 恒功率调速中图分类号 T D42115 文献标识码 A

S tudy on the key technologies of automatic cutting control of boom -type roadheaders

Liu Jiang ong 1,Wu Miao 2,Tian Jie 2,Yang Yang 2,Chen Guoqiang 2,Li Rui 2

(11H eb ei Jizhong Energy Group,Xingtai,H eb ei plovince,054021,Ch ina;

21School of M echanical Electronic and Inform ation Engineering,Chin a University of M ining an d T echnology(Beijing),Beijing 100083,C hina)

Abstract Fo ur key techno log ies on automat ic cutting contro l of boom-ty pe r oadheaders w ere presented in this pa per,i 1e 1mine lanew ay sect ion automatic fo rming co nt ro l,cutting head const ant pow er speed regulation contr ol,po sitio n detection co nt ro l and directional ex cavatio n contr ol o f boo m-type roadheaders 1W here the anterio r tw o key technolog ies had been put in practice in EBZ160and EBZ200boom -type roadheaders,and effects o f ex periment wer e ver y well 1Wr iters think that the research on abov e fo ur key technolog ies laid a fo undatio n for realizing the in -telligentizatio n,automatizatio n,infor matio nization and unmanned operating at driv ing face 1

Key words boo m -type ro adheader;position detect ion;dir ect ional ex cavatio n;automatic form ing contr ol;constant pow er speed r eg ulation

*国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目(2008A A062201)

掘进机主要用于巷道的挖掘,是现代化矿井生

产不可缺少的设备,掘进机的发展方向是操作控制方式的智能化、自动化、信息化和无人化,未来的矿山机械将全面装备融合电子化、自动化、机器人化为一体的机电一体化技术,逐渐发展为掘进机器人。目前国内外已开始该方面的研究,但仍处于理论研究、试验调试阶段,都没有达到市场化水平。为此,国家设立863重点项目/煤矿井下采掘装备遥控关键技术0。其中课题一/掘进机远程控制技术及监测系统0研究目标为:以掘进机远程监测和控制的关键技术为核心,重点研究煤巷悬臂式掘进

装备可视化远程监控技术,开发出配装国产自主研发的悬臂式掘进机及远程监控系统,以满足我国煤矿井下采掘装备远距离遥控和安全作业的需要,研制的掘进机可视化遥控装备能满足煤矿井下掘进作业和煤矿安全规程的要求。总之,实现巷道掘进的自动化,需解决4个方面的关键理论和技术问题。1 掘进巷道断面自动成形控制

悬臂式掘进机截割头在空间的行走轨迹决定截割断面形状。由截割臂相对于掘进机机体的垂直摆动、水平摆动以及截割头的伸缩实现。垂直摆动与水平摆动是2个分别独立的液压控制系统,既可以单独实现截割头垂直或水平运动,也可以实现复合

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中国煤炭第34卷第12期2008年12月

运动,从而完成任意断面形状截割。

截割臂垂直摆动由一对同步升降油缸完成。一对同步升降油缸分别与掘进机的机架和截割臂进行铰接,在机器中心线对称布置。升降油缸行程改变时,截割臂将绕其与机架的铰接点在垂直面内摆动。当升降油缸伸长时,截割臂向巷道上方摆动;反之亦然,见图2

。

截割臂水平摆动依靠水平回转工作台回转实现,机架整体安装在水平回转工作台上,回转台由对称布置的水平回转油缸推动。活塞杆与回转台相连,缸筒与机架相连。工作时,一侧油缸伸长,另一侧由于刚性连接相应缩短,油缸一伸一缩,推动回转台带动截割臂绕水平摆动中心左右摆动,见图2。

建立截割臂与垂直摆动工作台铰接点O 1及水平回转工作台中心O 2为原点的2个直角坐标系(O 1-X 1Y 1Z 1)、(O 2-X 2Y 2Z 2),对截割头空间位置进行运动学分析。截割头中心在巷道断面投影上的位置坐标为(y ,z ),通过分析确定截割头空间位置坐标与油缸伸缩量之间及摆角之间的几何关系式,该控制系统传递函数关系式为:

y =f 1(l 1,l 2,$l),z =f 2(l 1,l 2,$l)或者:

y =f 3(A 1,B 1,$l),z =f 4(A 1,B 1,$l)

式中:l 1,l 2,$l )))控制系统所要控制的水平回

转油缸、升降油缸及截割头伸缩油缸的行

程;

A 1,

B 1)))控制系统所要控制的截割臂水平

及垂直摆角。

通过几何关系式比较得出:直接测截割臂的摆角更为简便。

因此确定断面自动成形控制策略为:倾角传感器测截割臂垂直倾角,测速传感器测截割臂水平摆角,行程传感器测截割头伸缩量,计算得到截割头空间位置坐标,可编程控制器对截割头空间位置检测装置采集的信号进行处理,控制截割头在巷道规定范围内按设定轨迹运动,截割出规整断面,避免超挖和欠挖现象。自动成形控制框图如图3

所示。

图3 自动成形控制框图

掘进断面通常为矩形、梯形或半圆拱形等3种标准形状。因截割对象(煤与岩石等)的软硬和分布的随机性,掘进机截割路径的选择原则是:利于钻进开切、装载转运和顶板维护,截割阻力小,截割比能耗低,工作效率高。一般正确的截割方式是:较均匀的中硬煤层,先扫底,自下而上横向截割;硬煤层,先扫底,自上而下横向截割;层理发

达的软煤层,采用中心开钻,四边刷帮等。本文采

取矩形自下而上截割,截割路径设定如图4所示,H 为截割断面高度值、B 为截割断面宽度值、d 为截割距,断面初始截割前要对这3个断面参数值进

行设定。

图4 截割路径设定示意图

巷道断面形状及尺寸不尽相同,但截割工艺具有相似性,对于不同机型改动相应参数即可实现断面自动控制,具有一定通用性。2 截割头恒功率自动牵引调速控制

根据断面煤岩硬度分布的不同自适应调节截割臂摆动速度,在不超过截割电机电流额定值的情况下,提高截割效率。

截割臂摆动速度取决于掘进机截割对象。这是

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