掘进机自动掘进的研究

掘进机自动掘进的研究

机自07-1班

03070972

掘进机自动掘进的研究

（中国矿业大学机电工程学院机自07-1班）

摘要：掘进机是煤矿巷道机械化掘进中最重要的设备，目前仍由司机手动操作。由于掘进环境恶劣，工作条件差，粉尘、水雾等影响司机的视野，造成掘进巷道断面成形质量差、劳动强度大。针对上述问题，文章介绍了一种掘进机智能型自动成形、自动导向、恒功率截割控制系统，详细介绍了智能型自动控制系统中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和掘进机自动导向定位技术的设计与实现。该系统实现了远程在线监视、诊断与控制功能，使操作人员远离工作面迎头，减少了人员伤害事故,，对实现安全、高效自动化巷道掘进具有一定的现实意义。

关键词：煤矿巷道；掘进机；断面自动成形；恒功率调速截割；自动定位1 前言

煤矿巷道掘进机虽是机械化施工，但目前掘进机仍以手动操作为主，存在环境恶劣、司机目视条件差、工作安全性低、人身健康和施工安全得不到切实有效保障、人工操作巷道断面成形施工质量差、无法准确控制掘进机的运行状态等问题。因此，掘进工作面的安全与截割效率成为煤炭行业关注的焦点。

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。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。鉴于此，国家设立了863 重点项目：煤矿井下采掘装备遥控关键技术，其中课题：掘进机远程控制技术及监测系统的研究目标：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，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满足煤矿井下掘进作业和煤矿安全规程的要求，完成样机的试制、性能实验和工业性试验。

掘进机的自动掘进包括掘进机的巷道断面的自动成形、截割头自动牵引调速控制和掘进机自动导向和定位技术。本文将就以上三个方面浅谈掘进机的自动掘进。

2 掘进机的巷道断面自动成形

2.1 截割头摆动自动成形控制的运动学分析

掘进机截割头在空间的行走轨迹决定了截割断面形状，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两个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，也可以实现复合运动，从而完成任意断面形状的截割。因此，该系统可根据断面形状和巷道高、宽尺寸控制截割臂不同位置摆动角，通过一定工艺过程循环作业，截割出所需断面。[1]

2.1.1 截割头垂直摆动自动成形控制的运动学分析

（1）截割头垂直摆动位置运动学分析。悬臂带动截割头在垂直面内上下摆动是由一对同步对称布置的升降油缸伸缩完成，设升降油缸伸缩量为l1，悬臂垂直摆角为α。将截割头上下摆动简化为如图1所示刚性摆杆机构,以悬臂单独向上摆动为例进行运动学分析。

图1 垂直平面内沿悬臂轴向截割状态示意

图1中A点为升降油缸与机架的铰接点，B 点为悬臂处于水平位置时升降油缸与悬臂的铰接点，O1为悬臂垂直回转中心，O2为水平回转工作台中心轴线与O1X1轴的交点，O3为悬臂处于水平位置时截割头中心在巷道断面上的投影，O′3为升降油缸AB伸长为AB′时掘进头在巷道断面上的投影。

设：悬臂长O1O3=O1O′3=L，O1B=L2，∠O3O1B=∠O′3O1B′=θ0。悬臂处于水

平位置时AB=L0，∠AO1X1=Φ0，悬臂轴线与O1X1之间的垂直距离为m。悬臂处于O′3位置时的坐标为(x1,z)，∠X1O1O′3=α，升降油缸从B位置变换到B′位置时伸长量为l1。

z=L sinα，x1=L cosα①

AB′=L0+l1②

在△AO1B′中，由余弦定理：

α=arccos L12+L22−(L0+l1)2

2L1L2

−ϕ0−θ0③

则推导出悬臂垂直摆动的度坐标如下：

z=L sin[arccos L12+L22−(L0+l1)2

2L1L2

−ϕ0−θ0] ④

x1=L cos[arccos L12+L22−(L0+l1)2

2L1L2

−ϕ0−θ0]⑤

（2）截割头垂直摆动自动成形控制。

截割头垂直面内上、下摆动位置对应截割实体Z坐标。等式④、式⑤右侧除l1外均已知，当l1变化时(x1,z)坐标值也随之对应变化。

若巷道高度为h，通过行程传感器检测l1输入可编程控制器PLC进行数据处理，得出计算坐标值(x1,z)与理想值进行比较，PLC发出控制信号控制升降截割油缸伸缩量从而控制截割头在高度限定值范围内摆动。根据煤矿规程要求高度误差允许范围为0~+350mm。因此通过控制升降截割油缸伸缩量l1,可确定截割头在垂直平面内的摆动位置。同理向下摆动分析类似,只需将坐标表达式中α变为−α, l1变为−l1计算即可。

2.1.2截割头水平摆动自动成形控制的运动学分析

（1）截割头水平摆动位置运动学分析。参考截割头垂直摆动建系方式。回转台由对称布置的水平回转油缸推动。工作时一侧油缸伸长，另一侧油缸由于刚性连接相应缩短,推动回转台带动悬臂绕水平摆动中心O2摆动。设回转油缸伸缩量为l2，将水平摆动简化为如图2所示的刚性摆动机构,以悬臂单独向左摆动为例进行运动学分析。

图2 水平面内截割状态示意

图2中O′′3为截割头在轴线O2X2上方时在其上的投影（考虑悬臂垂直方向摆动角为α），O′′′3为回转台沿图示转动β角时截割头在水平面上的投影，O4，O5分别是两回转油缸与掘进机机身的铰接点，O6，O7分别是两油缸与水平回转工作台的铰接点，O′7为回转台转动β角时油缸的工作铰接点。回转油缸从O7位置变换到O′7位置时伸缩量为l2。

设回转台半径为r，O2O5=O2O4=n，∠O5O2O7=∠O4O2O6=θ，O4O6= O5O7=L′0。

则：

O5O′7=L′0−l2⑥

O1O′3=L cosα，O2O′′′3=O2O′′3=d+L cosα

在△O5O2O′7中，由余弦定理：

β=θ−arc cos n2+r2−(L′0−l2)2

2nr

⑦

则推导出悬臂水平摆动的坐标如下：

y={d+L cos[arccos L12+L22−(L0+l1)2

2L1L2

−ϕ0−θ0]}sin[θ

−arc cos n2+r2−(L′0−l2)2

2nr

] ⑧

x2=(d+L cosα)cosβ=y cotβ⑨

（2）截割头水平摆动自动成形控制。截割头水平面内左右摆动位置对应截