纵轴式掘进机截割臂升降运动的仿真分析

冯君玲，田慕琴，贺 颖，王 茜

(太原理工大学电气与动力工程学院, 山西太原 030024)

引言

纵轴式掘进机以其安全、高效、灵活性高、适应性强等特点，在半煤岩巷道掘进中得到普遍应用[1-4]。掘进机工况包括水平截割、垂直截割与纵向钻进[5]。垂直截割是掘进机的重要工况之一，当掘进机垂直升降截割过程中运动方向发生变化时，作用在液压系统执行元件的工作负载会发生突然变化，导致液压缸两腔压力出现强烈波动。这种压力波动一方面会对液压元件造成冲击，从而引起液压元件故障，引发生产事故，另一方面会使活塞运动速度产生波动，造成截割臂运行轨迹偏差，进而影响巷道成形质量和掘进效率[6]。

汪胜陆等[7]通过对EBZ160型掘进机截割头垂直摆动液压控制系统的分析，提出了利用电液比例方向阀代替手动换向阀的改进控制方案，建立了系统的数学模型，并采用MATLAB软件对系统进行闭环PID控制仿真；毛清华等[8]针对煤矿悬臂式掘进机截割断面自动成形控制问题，建立了截割头控制系统传递函数模型，并提出了一种基于PID控制的悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法；李阁强等[9]为解决盾构机在复杂地层施工时推进速度和压力难以控制的问题，在压力流量控制的基础上提出BP神经网络控制策略，并对系统进行联合仿真分析；刘春生等[10]建立了悬臂水平摆动机构液压系统的静态和动态数学模型，采用计算机模拟的方法，分析了系统的动态特性，为实现掘进机自动控制提供了实用的简化模型。

现有研究主要针对掘进机截割臂摆动截割过程进行建模和控制，而针对截割臂摆动换向瞬间液压系统的性能研究却鲜有报道。因此，本研究基于AMESim仿真平台，建立了纵轴式掘进机升降截割系统物理模型，对截割臂升降运动过程中运动方向变化瞬间的液压缸压力和速度响应进行分析，通过加入PID控制，保证了截割臂垂直升降换向的平稳性和可靠性，从而提高掘进机的施工精度和工作稳定性，对实现掘进机自动控制具有重要意义。

1 掘进机截割臂升降液压系统工作原理

掘进机升降液压回路采用负载敏感控制方法，其液压原理如图1所示，系统主要由电动机、具有负载敏感和压力切断功能的变量泵、溢流阀、压力补偿阀、负载敏感伺服阀、平衡阀和1对升降液压缸组成。变量泵在电动机驱动下为液压回路提供压力油源，经过负载敏感伺服阀驱动1对升降液压缸工作，控制液压缸的方向和速度，从而实现截割臂上下摆动。溢流阀控制系统最高压力；压力补偿阀保持伺服阀前后压差为恒定值，确保流经伺服阀的流量不受负载变化的影响，仅与阀口开度呈正比[11]；平衡阀组可以防止截割臂在不工作或者油管爆裂时由于较大的自重而自动下落产生的危险[12]，将截割臂按照工作要求锁定在某一位置，当液压缸负载方向发生变化时在回油路形成背压，平衡负载[13]，保持截割臂平稳运动。

2 掘进机升降液压系统仿真模型搭建

参照图1，在AMESim中搭建基于PID的掘进机截割部升降液压控制系统仿真模型，如图2所示。仿真模型主要包括电动机、负载敏感变量泵、压力补偿器、负载敏感伺服阀、平衡阀组、液压缸、截割部、位移传感器及PID控制模块等重要系统部件。其中压力补偿器利用HCD库原件建立，平衡阀组由2个偏心阀组成，PID控制模块由AMESim信号库中自带的PID元件、信号放大器、信号限位器组成，由于截割部升降运动轨迹在同一平面内，因此采用平面机械库建立截割部模型。截割部用1个三端口的PLMDBOD模块表示，其中1个端口与PLMPIVOT模块连接，表示与回转台的铰接点；1个端口与PLMJACK模块连接，表示与升降液压缸铰接点；另外1个端口位于截割部末端，表示截割头，由1个PLMFOR模块及信号库共同模拟外载荷施加于该端口。根据某型号掘进机截割部几何尺寸，设置截割部与回转台铰点坐标、截割部与升降油缸铰点坐标及升降油缸与回转台铰点坐标，得到截割部平面机构仿真装配图[14]，如图3所示。

图1 截割部升降系统液压原理图

图2 基于PID的截割部升降液压系统仿真模型

图3 截割部平面机构仿真装配图

设置截割部运动轨迹为：由平行于地面的水平位置向上摆动至截割头上极限位置，再由上极限位置向下摆动至下极限位置，最后由下极限位置向上摆动至上极限位置。为了验证截割部模型参数设置正确与否，将截割头垂直运动距离及截割臂垂直摆动角度仿真值与计算值进行比较，结果如图4所示。由图4a、图4b可知，截割臂垂直摆动上极限位置与下极限位置仿真值分别为3.086 m与-1.629 m,与计算值3.047 m和-1.629 m基本吻合；由图4c可知，截割臂摆动角度上下极限仿真值分别为43.16°和-20.49°，与该型号掘进机上下摆动极限角度43.6°和-21.27°非常接近，因此截割部模型参数设置正确，保证后续仿真分析的准确性。

图4 截割臂垂直运动轨迹

3 截割部升降运动液压系统控制的仿真分析

在AMESim中分别进行原有系统和加入PID控制的截割部升降运动仿真，图5所示为基于PID控制的液压缸位移跟踪曲线。仿真结果表明，实际位移与期望位移最大误差值为0.007 m，基本能够跟踪上期望值的变化。

图5 PID控制的液压缸位移跟踪曲线

图6和图7分别显示原有系统和采用PID控制的液压缸载荷、变量泵出口压力和出口流量的仿真曲线。

图6 液压缸载荷仿真曲线

图7 变量泵出口压力和流量仿真曲线

由图6a可知，液压缸载荷在下极限位置达到最大，与文献[15]中“油缸对截割臂推力的最大值出现在θ最小的位姿”结论一致，这是由于截割臂越向下，液压缸推力越大，才能越有效地平衡向下的截割力和重力，保证截割臂平稳下降；在截割臂升降运动过程中，除了换向点之外，液压缸载荷随截割臂的空间位置变化而平稳变化。如图6b～图6d所示，截割臂在水平位置启动阶段及上下极限位置变换运动方向瞬间，液压缸载荷均有不同程度的振荡，且振幅不一致，振荡时间也有区别。水平位置启动阶段，原有系统和PID控制系统振荡时间均较长，约为1.8 s,而PID控制系统最大振荡幅值降低至原有系统的79.9%；截割臂运动至上极限位置开始向下运动瞬间，原有系统经过0.65 s振荡后趋于稳定，其最大振荡峰峰值为稳定值的3倍，加入PID控制后，振荡时间缩短至0.55 s，振荡幅值明显减小；当截割臂运动至下极限位置开始向上运动瞬间，原有系统经历一个短暂的振荡后趋于稳定，但是在换向瞬间有一个高达稳定值大约3倍的振荡冲击，加入PID控制后，尽管振荡时间稍有延长，却极大地降低了换向瞬间的载荷冲击，保证了系统的安全性和稳定性。

由图7a、图7b可知，变量泵输出压力随液压缸载荷的变化而变化，在PID控制下基本消除了原有系统的超调现象，控制效果较好；图7c、图7d仿真结果显示，无论液压缸载荷如何变化，除了几个换向点外，变量泵输出流量恒定，约为47 L/min，PID控制下无超调现象。

图8所示为液压缸两腔压力仿真曲线，截割臂下降过程中，活塞杆腔进油，活塞腔回油，液压缸载荷为拉力，进油压力随截割臂位姿逐渐向下而减小，回油压力基本保持恒定；截割臂上升过程中，活塞腔进油，活塞杆腔回油，液压缸载荷为推力，进油压力随截割臂位姿逐渐向上而减小，回油压力基本保持恒定。由图8a、图8b对比来看，增加PID控制后液压缸两腔压力在截割臂运动换向瞬间的冲击大幅减小，换向更加平稳。

图8 液压缸两腔压力仿真曲线

图9分别显示液压缸与截割头运动速度仿真曲线。由图9a、图9b液压缸速度仿真曲线可以看出，在变量泵出口流量保持不变的情况下，由于平衡阀的作用，液压缸在截割臂上升和下降阶段均能平稳地做匀速运动，但下降阶段液压缸速度要大于上升阶段，且PID控制系统在换向瞬间基本没有出现大的波动。由图9c、图9d 截割头摆速仿真曲线可知，截割头垂直摆动在截割臂上升和下降阶段并非匀速运动，即截割头摆速与液压缸速度之间不是线性关系，而通过理论分析可知，截割头摆速由液压缸速度、截割臂长度及截割臂位姿角的正弦值共同确定，截割头摆速与液压缸速度之间呈非线性关系，仿真结果与理论分析一致。

图9 液压缸速度与截割臂摆速仿真曲线

4 结论

本研究通过在AMESim中建立纵轴式掘进机升降液压系统物理模型，对截割臂升降运动过程进行仿真分析，得到如下结论：

(1) 掘进机截割臂在升降运动过程中，除了几个换向点之外，液压缸载荷随着截割臂的空间位置变化而平稳变化，截割臂摆速也较平稳；

(2) 掘进机截割臂在升降运动过程的换向瞬间，作用在液压缸的工作负载会发生较大的冲击，加入PID控制后能够有效减小换向瞬间的载荷冲击，且系统稳定速度快，适应能力强；

(3) 液压缸在上升和下降过程中做匀速运动时，系统输出压力随液压缸载荷变化而变化，系统输出流量基本维持在47 L/min，且液压缸下降速度大于上升速度；

(4) 截割头摆动速度与液压缸速度之间呈非线性关系，与理论分析结果一致。