掘进机控制系统研究

（霍州煤电集团回坡底煤矿，山西 洪洞041600）

0 引言

掘进机是巷道掘进过程中重要的机械设备，其系统的运行及控制直接影响到掘进效果[1，2]。目前，掘进机截割部位运行速度的控制、巷道断面成形、机身位置的监测以及系统的监控已经成为研究热点，研究掘进机控制系统对巷道成形具有重要意义[3-6]。

本文旨在解决巷道成形问题，对回坡底矿井悬臂式掘进机控制系统进行了力学建模计算和系统优化，实现了煤岩体的识别和巷道断面自动成形，应用效果良好。

1 掘进机控制系统

1.1 掘进机控制系统需求

掘进机是巷道掘进过程中重要的机械设备，巷道断面的形成依赖于掘进机截割头的姿态，只有掘进机截割头处于正常姿态时，巷道断面才会达到要求，掘进机的控制系统需具备以下条件。

（1）掘进机机头需具有煤岩体动态感知的能力。通过掘进头多传感的监测功能，实现煤岩体的区分，有利于稳定截割电机的电流、油缸压力以及速度等，保障自动截割的顺利进行。

（2）掘进机系统需具备截割头位姿监测的功能。实现截割头位姿的检测便于系统进行精确控制，有利于伸缩液压缸、垂直液压缸和水平液压缸的协同运作。

（3）掘进机需具备断面自动成形的功能。当截割头处于正常位姿时，因为受力不均，截割头位置容易出现偏差，造成断面参数的偏差，因此需要对掘进机进行机身偏移量的测量，通过数学关系式进行补偿计算。当机身位置符合掘进要求时，系统自动启动断面成形程序，设备运行过程中

截割头的运行速度以及液压缸油压等参数都基于控制算法进行控制，以确保断面成形的实现。

由此可见，对掘进机截割部位进行力学建模

分析对于巷道断面成形具有重要意义。

1.2 截割部动力学建模

根据掘进机控制系统需求，对掘进机截割部进行动力学研究，掘进机截割部位运动学模型如图1所示，图中，连杆长度分别为a1、a2、b3、0,对应

的连杆扭矩角分别为0°、-90°、90°和0°，对应的

偏置量分别为b2、0、a3+Δl、l4，对应的关节角度

为-32°—32°、-26°—42°、0°、0°，捷联惯导坐标系用OXYZ表示。

图中O4代表截割部位的中心，则掘进机机身相对截割中心的坐标可用以下关系式表示

图1 掘进机截割部位运动学模型

因此可知，掘进机机身在捷联惯导坐标系中相对截割中心的坐标用以下关系式表示：

公式中，回转台绕坐标X 的旋转角度为θ1，回转台绕坐标Z 的旋转角度为θ2，截割头伸缩量用Δl表示，值为正，截割头的安全位置以及参数分别用a1、a2、a3、b1、b2、b3表示，具体位置如图1所示。

利用变换法求解得到截割部的运动学方程如下

由公式可知，掘进机截割部位的位置以及速度直接受到旋转角度θ1、θ2的影响，因此可对不同角度下掘进机运行状态进行分析。

2 巷道断面自动成形应用控制

回坡底矿井的巷道断面多为矩形断面，因此本文对旋转角度为θ1和θ2下标准角度进行误差分析，其中θ1分别取值-20°、0°和20°，θ2分别取值-20°、0°和20°，角度按照从正到负的顺序进行实验，得到图2所示的结果。

从图2中可以看出，当θ1角度为-20°时，θ2的控制误差最大值达到0.72°，θ1角度为20°时，θ2的控制误差最大值达到0.7°，θ1角度为0°时，θ2的控制误差最大值达到0.68°。当θ2角度为-20°时，θ1的控制误差最大值达到0.74°，θ2角度为20°时，θ1的控制误差最大值达到0.71°，θ2角度为0°时，θ1的控制误差最大值达到0.68°；根据误差值可以看出，当截割壁角度的绝对值越小，控制误差值越小，回坡底煤矿目前采用的掘进机型号为EBZ160，根据现场掘进经验以及计算可以得出，当掘进机的回转角度和升降角度的误差值小于0.8°时，可以实现精确控制，达到断面自动成形控制的目的。

图2 截割部位误差控制分析图

图3 断面自动成形控制程序流程图

截割部运行数据经过数据传感器采集获得，传送至DSP，经过DSP 的计算处理后传送至DA模块中，该模块通过对数据信号的放大实现了截割部的控制功能，当掘进机和巷道的相对位置满足截割需求时，系统自动进行误差补偿，随后进行断面截割系统的运行。断面自动控制程序：当系统开始运用后，传感器首先监测到截割头的运行速度和液压缸的压力等参数，当截割部位接近巷道边界时，截割臂的摆幅以及速度降低，控制系统自动监测掘进机的空间位置，根据矿井掘进需求，系统计算出合适的摆动角度，通过合理控制液压缸的位移，实现截割臂摆幅的控制，从而实现了断面自动成形的控制功能。根据上述讨论，当掘进机的回转角度和升降角度的误差值小于0.8°时，可以实现截割臂精确控制，矿井可根据掘进岩层强度等参数进行适当的调整。

图4为巷道断面自动成形控制系统应用效果图。可以看出，掘进机控制系统基本实现了断面自动成形的目的。实际截割轨迹呈现多波形，这是因为巷道围岩强度不一致导致设备运行过程中受力不稳定造成，这一现象在巷道拐角处更为明显，但截割误差较小，已经满足巷道掘进的要求，证明了断面自动成形控制程序的可行性。

图4 巷道断面自动成形控制系统应用效果

3 结论

（1）通过截割部动力学建模，得到掘进机截割部位的位置以及速度直接受到旋转角度为θ1和θ2的影响。

（2）巷道断面自动成形程序显示，当掘进机的回转角度和升降角度的误差值小于0.8°时，可以实现精确控制，达到断面自动成形控制的目的。

（3）巷道断面自动控制系统应用效果良好，实现了巷道断面自动成形控制的目的，满足巷道掘进的要求。