掘进机摇臂智能控制系统的研究及应用

周小铜

（太原煤气化（集团）有限责任公司炉峪口煤矿， 山西 太原 030203）

引言

随着综采技术的不断提高，煤矿井下掘进机截割效率和截割稳定性成为了限制综采效率进一步提升的瓶颈。掘进机在截割作业过程中依靠人工控制摇臂上截割机构的截割状态，同时根据经验判断掘进机的进给作业速度，由于井下能见度较低，工人在长时间进机工作后极易出现判断失误，影响掘进作业的质量，而且还极易出现截割机构的触顶损坏事故、截割成型质量差等，给煤矿井下的综采作业安全和效率均造成了较大的影响[1]。因此，本文研究一种新的掘进机截割机构自动控制系统。

1 掘进机摇臂智能控制系统结构

针对现有掘进机摇臂控制系统所存在的缺陷，本文提出了一种新的掘进机摇臂智能控制系统，该控制系统采用了上位机和下位机联动通信控制模式，实现了对掘进机截割作业的智能控制，该掘进机摇臂智能控制系统整体结构如图1 所示[2]。

该掘进机摇臂控制系统主要包括监测模块、控制模块和执行模块，监测模块主要包括系统内的各类位移传感器、电流传感器、速度传感器、电压传感器、压力传感器等，用于对掘进机掘进作业过程中摇臂偏转角度、执行油缸伸缩量、驱动电机工作电流、截割滚筒的截割转速等进行实时监测，然后根据系统内所设定的截割机构空间位置与回转角度、油缸伸缩量，驱动电机电流与截割阻力等之间的关系[3]计算出掘进机摇臂截割作业时的截割路径、截割阻力，根据截割路径判断掘进机的巷道截割质量是否满足系统的预设要求，结合监测结果和实际测量结果不断地对截割路径进行修正，从而确保巷道的截割质量。通过对截割阻力的判断，系统自动对掘进机的截割转速和进给速度进行调整，在确保截割稳定性的情况下提升巷道的掘进速度。该智能控制系统的突出优点还在于具有记忆截割功能，可以满足在较复杂地形条件下的截割作业需求，降低人工工作量，提高掘进作业的质量和效率。

图1 掘进机摇臂截割控制系统结构示意图

2 掘进机摇臂智能截割控制逻辑

该掘进机摇臂控制系统利用液压机构驱动控制摇臂升降和回转台旋转的执行油缸来实现对掘进机摇臂工作状态的控制，当掘进机的摇臂执行自主智能控制截割时，重点是对掘进过程中摇臂回转时机、回转角度、摇臂的升降高度、流量控制等进行调整，最终实现对摇臂掘进机构截割路径的精确控制，满足巷道掘进质量要求，该自动截割控制逻辑如下页图2 所示[4]。

图2 掘进机自动截割控制逻辑示意图

在该自动截割控制系统中，系统根据预设逻辑，判断出截割机构接下来的运行轨迹后，将摇臂回转机构、摇臂升降机构、流量情况等数据信息通过比例放大器转换为控制电信号，实现对各控制数据量的实时控制，同时当监测系统将监测结果反馈给控制中心后，控制中心自动对各监测参数的偏差情况进行计算，并输出模拟量调节信号，经过比例放大后实现对控制机构的闭环调节，满足在不同情况下的动态调节控制要求，根据实际测算，采用该控制逻辑后对巷道截割精度小于10 mm，比优化前的90 mm 的掘进精度有了显著的提升。

3 摇臂智能控制系统应用效果

为了对该摇臂控制系统作用下，掘进机截割机构的截割性能进行分析，本文建立了掘进机摇臂智能控制系统模拟实验平台[5]，对掘进机摇臂在智能截割控制模式和传统人工截割控制模式下的效果进行分析，将巷道成型精度、掘进机的掘进截割效率进行对比分析，掘进作业时的巷道宽度为5 500 mm，高度为6 300 mm，巷道界面为近似拱形截面。

由实际对比分析可知，采用人工调节控制模式下，人工的每一次调节均会对掘进机截割机构的截割路径产生较大的影响，使其出现明显的偏离和波动，当采用智能截割控制模式时，掘进机的截割机构基本上是沿着设定的抛物线的截割轨迹进行截割作业，整个截割作业过程中表现出了极高的稳定性。同时根据对完成一次截割作业所需时间对比，人工截割控制耗时约25 min，采用智能控制截割时，时间约为14.6 min，比优化前降低了41.6%，极大地提升了巷道掘进质量和效率。

4 结论

1）新的掘进机摇臂智能控制系统，采用了上位机和下位机联动通信控制模式，分为监测模块、控制模块和执行模块；

2）新的控制系统，能够将巷道成型精度由最初的90 mm，提升到10 mm，显著提升巷道成型精度；

3）采用新的控制系统，巷道截割作业过程中稳定性高，巷道成型质量好，而且成型时间比人工控制提升了41.6%。