中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)智能控制技術(shù)的探析*

許 可,李東明

(湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)智能控制技術(shù)的探析*

許 可,李東明

(湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

根據(jù)當(dāng)今地下礦山的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)代化的智能技術(shù)，闡述了智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的基本原理，以及智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的一些重要智能控制技術(shù)，從而為地下礦山智能化和數(shù)字化提供基礎(chǔ)。

智能中深孔；鑿巖臺(tái)車(chē)；全液壓；智能控制

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步的影響下，國(guó)際采礦裝置業(yè)已步入智能化，國(guó)際地下采礦的趨勢(shì)是智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，國(guó)外一些先進(jìn)的礦山企業(yè)已在實(shí)際的采礦生產(chǎn)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了智能化和數(shù)字化，智能化和數(shù)字化礦山開(kāi)采具備環(huán)保、節(jié)能、高效、安全等特點(diǎn)，而礦山的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化作業(yè)務(wù)必配備智能礦山裝置。

1 智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的基本原理

作為一種無(wú)人操作、高度智能化、自主鑿巖、自主定位、自主行走的鉆機(jī),智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)可以滿足井下中深孔鉆孔的全自動(dòng)化。鉸接輪行走底盤(pán)為承載體，其借助靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，基于智能導(dǎo)航系統(tǒng)、裝置環(huán)境感知系統(tǒng)、井下定位系統(tǒng)的引導(dǎo)，能夠根據(jù)要求的軌跡自動(dòng)化行駛在礦山巷道里；通過(guò)精度較高的布孔定位控制程序?qū)ψ兾粰C(jī)構(gòu)與臺(tái)車(chē)機(jī)體按指令定位炮孔；通過(guò)液壓鑿巖智能控制系統(tǒng)對(duì)液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)最為理想的鑿巖；全自動(dòng)鉆桿庫(kù)的配備有著多鉆桿的輸送以及自動(dòng)化存儲(chǔ)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)中深孔接桿鑿巖的實(shí)際要求；通過(guò)收集環(huán)境參數(shù)、鑿巖礦石信息，鑿巖臺(tái)車(chē)信息采集系統(tǒng)提供一系列的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為分析和處理車(chē)載計(jì)算機(jī)服務(wù)，且借助井下無(wú)線網(wǎng)向地面控制系統(tǒng)傳輸，結(jié)合地下金屬礦智能開(kāi)采的需要對(duì)有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并分類儲(chǔ)存、處理和顯示，為優(yōu)化爆破參數(shù)和其它決策提供根據(jù)。

作為智能采礦系統(tǒng)的重要工作環(huán)節(jié)，智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)通過(guò)裝置智能控制系統(tǒng)體現(xiàn)智能接卸桿、智能鑿巖、智能定位以及智能行走等智能化控制作用。其運(yùn)行在智能采礦系統(tǒng)的情況下，臺(tái)車(chē)借助井下無(wú)線網(wǎng)對(duì)有關(guān)的環(huán)境信息與中央控制室的指令進(jìn)行接收，然后自主運(yùn)行，然而在智能定位以及智能行走的情況下，要求井下導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供地理位置信息。為此，將導(dǎo)航接收以及無(wú)線通訊模塊配備在智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)上，從而解決智能采礦系統(tǒng)地理位置信息以及通訊的問(wèn)題。

2 智能控制技術(shù)

2.1 液壓鑿巖智能控制技術(shù)

在進(jìn)行液壓鑿巖的時(shí)候，推進(jìn)力、回轉(zhuǎn)速度和壓力、沖擊頻率和壓力等都是制約鑿巖效率的關(guān)鍵性指標(biāo)，異樣的巖石狀況要求異樣的動(dòng)作參數(shù)，這樣才可以實(shí)現(xiàn)最為理想的鑿巖成效。從理論上講，在軟質(zhì)巖層鑿巖的情況下，借助快轉(zhuǎn)、低能、高頻的手段能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的成效，而在硬質(zhì)巖層鑿巖的情況下，借助慢轉(zhuǎn)、高能、低頻的手段能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的成效。一個(gè)最為理想的軸推力會(huì)形成于一系列巖層的鑿巖過(guò)程中，這樣能夠保障在巖面與鉆頭之間傳遞應(yīng)力波，以及確保鉆頭不會(huì)太早地磨損。以上的推進(jìn)力、回轉(zhuǎn)速度和壓力、沖擊頻率和壓力等一系列的指標(biāo)都會(huì)直接性地制約鑿巖效率，一系列的指標(biāo)間也存在匹配的需要。為此，組合匹配一系列的指標(biāo)能夠確保最理想鑿巖效率的實(shí)現(xiàn)。

除沖擊頻率之外，智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的其它指標(biāo)都是通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)借助電液比例控制技術(shù)實(shí)施無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，借助對(duì)出現(xiàn)卡桿的頻率與穿孔鑿巖的速度評(píng)價(jià)調(diào)節(jié)的成效，實(shí)施動(dòng)態(tài)性地調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最為理想的鑿巖效率。車(chē)載計(jì)算機(jī)劃分成為以下2種情形進(jìn)行智能化控制。

在明確巖石狀況的條件下，對(duì)內(nèi)置的專家系統(tǒng)以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行調(diào)用，以及對(duì)一系列的鑿巖指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最為理想的鑿巖成效。因?yàn)榻柚鷮?shí)驗(yàn)創(chuàng)建的專家數(shù)據(jù)庫(kù)非常有限，根據(jù)異樣巖石狀況的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在鑿巖的過(guò)程中進(jìn)行完善。為此，專家數(shù)據(jù)庫(kù)有著能夠不間斷更新與完善的能力，通過(guò)以上的鑿巖成效進(jìn)行自主評(píng)價(jià)和分析，持續(xù)歸納且對(duì)一系列獨(dú)特巖石狀況下最為理想的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，確保臺(tái)車(chē)可以持續(xù)地累積經(jīng)驗(yàn)，從而使評(píng)判的時(shí)間減少。

在不明確的巖石狀況下，對(duì)鑿巖效率實(shí)施自主評(píng)判與研究，從而實(shí)現(xiàn)最為理想的鑿巖指標(biāo)。因此，臺(tái)車(chē)推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)速度和壓力、沖擊壓力等關(guān)鍵性的鑿巖指標(biāo)都有著比較大的變幅，在不明確的巖石狀況下運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)將指令發(fā)出，組合改變一系列的指標(biāo)和匹配聯(lián)系，且對(duì)鑿巖的成效進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，在實(shí)現(xiàn)最為理想的鑿巖指標(biāo)之后，自主性地回歸且選用最為理想的匹配方程與鑿巖指標(biāo)。

2.2 智能鉆桿技術(shù)

基于中深孔接桿鉆進(jìn)的實(shí)際需要，中深孔鑿巖自動(dòng)化鉆桿得以實(shí)現(xiàn)的必要設(shè)備是鉆桿庫(kù)的隨機(jī)設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)24 m的鉆深目標(biāo)，借助16根1.525 m的快換鉆桿，通過(guò)有機(jī)材料制作成為有著自?shī)A緊作用的盤(pán)式鉆桿庫(kù)，通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)鉆桿庫(kù)進(jìn)行逆時(shí)針以及順時(shí)針的雙向步進(jìn)送桿，在鉆桿庫(kù)上通過(guò)推進(jìn)器的機(jī)械手實(shí)施抓取鉆桿的策略。

液壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于機(jī)械手與鉆桿庫(kù)，具備位置傳感器，通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)控制根據(jù)需要對(duì)一系列的動(dòng)作進(jìn)行完成。車(chē)載計(jì)算機(jī)可以對(duì)鉆桿庫(kù)的實(shí)際工作現(xiàn)狀進(jìn)行及時(shí)性的監(jiān)測(cè)，以及鑿巖時(shí)接卸鉆桿的自動(dòng)化工作，并對(duì)危險(xiǎn)的情況進(jìn)行判斷，智能研究運(yùn)動(dòng)干涉等。并且，鉆桿庫(kù)姿態(tài)數(shù)據(jù)能夠借助網(wǎng)絡(luò)向控制中心傳輸，將鉆桿庫(kù)的姿態(tài)及時(shí)性地顯示在虛擬模型中。

2.3 軟特性智能防卡桿技術(shù)

地下中深孔鑿巖經(jīng)常碰到卡桿的問(wèn)題，因此，對(duì)先進(jìn)性的軟特性智能防卡桿控制系統(tǒng)進(jìn)行探究,將液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩及時(shí)檢測(cè)作為斷定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)液壓鑿巖機(jī)的推進(jìn)以及沖擊壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保鑿巖機(jī)扭矩向正常值回歸，進(jìn)而防止惡性增加扭矩而出現(xiàn)卡桿的問(wèn)題。

智能控制技術(shù)的中心環(huán)節(jié)是如何結(jié)合改變的回轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)而通過(guò)最為理想的動(dòng)作曲線不間斷地對(duì)推進(jìn)以及沖擊壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在試驗(yàn)以及液壓鑿巖防卡桿機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建科學(xué)的防卡桿動(dòng)作方程以及數(shù)學(xué)模型，通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)借助比例控制技術(shù)不間斷地調(diào)節(jié)防卡桿過(guò)程。借助智能研究程序?qū)κ欠癯霈F(xiàn)卡桿的情況進(jìn)行斷定，且結(jié)合出現(xiàn)卡桿的頻率與強(qiáng)度自主地對(duì)動(dòng)作力度以及處理策略進(jìn)行決定，有效地減少卡桿故障所影響的鑿巖效率。

2.4 智能定位炮孔的技術(shù)

通過(guò)人工離線或智能采礦系統(tǒng)在精度較高的三維數(shù)字地圖中編制炮孔的位置，能夠借助變位機(jī)構(gòu)與臺(tái)車(chē)的姿態(tài)以及臺(tái)車(chē)的位置的控制來(lái)確切地定位炮孔。其中，通過(guò)車(chē)載激光接收器對(duì)臺(tái)車(chē)的位置進(jìn)行感知；變位機(jī)構(gòu)姿態(tài)的組成部分是上下頂撐、補(bǔ)償、回轉(zhuǎn)、平移、仰俯；臺(tái)車(chē)姿態(tài)涵蓋高程信息、橫向角度，縱向角度。變位機(jī)構(gòu)與臺(tái)車(chē)車(chē)體的數(shù)字化模型的創(chuàng)建能夠給定位預(yù)判帶來(lái)計(jì)算基礎(chǔ)。在臺(tái)車(chē)向鑿巖位置接近的情況下，通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)提前計(jì)算且指引臺(tái)車(chē)到達(dá)炮孔組要求的臺(tái)車(chē)區(qū)域，然后借助閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)液壓閥實(shí)現(xiàn)變位機(jī)構(gòu)空間的定位進(jìn)行控制。

2.5 激光導(dǎo)航的智能行走控制技術(shù)

激光導(dǎo)航系統(tǒng)照射通過(guò)地下采場(chǎng)精度較高的三維數(shù)字地圖的臺(tái)車(chē)智能行走控制系統(tǒng)，結(jié)合中央控制室發(fā)出目標(biāo)指令，通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)結(jié)合三維數(shù)字地圖對(duì)路徑實(shí)施規(guī)劃，自主向目標(biāo)區(qū)域行駛。

該系統(tǒng)借助車(chē)載激光接收器的設(shè)置對(duì)臺(tái)車(chē)的縱向以及橫向偏差進(jìn)行感知，通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)計(jì)算糾偏要求的控制信號(hào)，由PLC放大之后將PWM電流輸出且朝控制電液比例閥轉(zhuǎn)向，這樣能夠逐步地降低臺(tái)車(chē)工作的偏差。這個(gè)控制過(guò)程屬于非靜止性和不間斷調(diào)節(jié)過(guò)程，務(wù)必分析控制系統(tǒng)的非靜止性特點(diǎn)，進(jìn)而在超調(diào)量與時(shí)間調(diào)整上獲取最為理想的平衡點(diǎn)。因?yàn)榕_(tái)車(chē)的重點(diǎn)工況并非行走工況，臺(tái)車(chē)緩慢地工作，為此，借助電液比例閥能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的非靜止性需要，而不需要借助電液伺服閥。

借助閉式靜液壓傳動(dòng)而行走的臺(tái)車(chē)通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)對(duì)臺(tái)車(chē)的閉式系統(tǒng)壓力和縱向傾角等進(jìn)行采集，結(jié)合規(guī)劃路徑的行駛要素，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者是馬達(dá)排量來(lái)調(diào)節(jié)臺(tái)車(chē)的速度。

將多個(gè)距離傳感器布置在臺(tái)車(chē)的周?chē)?，?duì)臺(tái)車(chē)處于的巷道橫向距離進(jìn)行及時(shí)性地感知，這有利于臺(tái)車(chē)行駛安全性的提高。在照射激光的范圍駛出臺(tái)車(chē)的情況下，能夠提供位置以方便臺(tái)車(chē)的歸位。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在科技持續(xù)發(fā)展的影響下，大大地解放了各個(gè)領(lǐng)域的勞動(dòng)力，礦山開(kāi)采發(fā)展的趨勢(shì)是無(wú)人化與智能化，這從本質(zhì)上影響了智能中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的發(fā)展前景，本文對(duì)中深孔全液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的智能控制技術(shù)進(jìn)行了探析，包括液壓鑿巖智能控制技術(shù)、智能鉆桿庫(kù)技術(shù)、智能定位炮孔技術(shù)、激光導(dǎo)航的智能行走控制技術(shù)，分析了其智能化的機(jī)理，為其更好的應(yīng)用于礦山提供基礎(chǔ)。

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"十二五"國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展技術(shù)(863計(jì)劃)項(xiàng)目.

2015￣04￣18)

許 可(1982-)，女，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化控制方向的研究,Email:13890299@qq.com。