基于磁流變的巷道掘進(jìn)機(jī)高效運(yùn)行分析探討

李茂林

(西山煤電集團(tuán)公司 杜兒坪礦， 山西 太原 030022)

巷道掘進(jìn)機(jī)是集截割、裝運(yùn)、行走、支護(hù)等功能于一體的巷道聯(lián)合掘進(jìn)系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于煤礦的煤巷、半煤巷及一定地質(zhì)條件的巖巷掘進(jìn)作業(yè)，在煤炭工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。

目前，巷道掘進(jìn)機(jī)行走作業(yè)主要采用手動(dòng)方式，通過控制截割頭的旋轉(zhuǎn)和懸臂的上下、左右擺動(dòng)，帶動(dòng)截割頭截割出所需形狀的斷面。煤層賦存及頂?shù)装鍘r性，巖石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，司機(jī)個(gè)人體力、精力及環(huán)境中的粉塵濃度等因素嚴(yán)重影響著巷道成形的效率、質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中由于地質(zhì)條件的復(fù)雜及操作者的經(jīng)驗(yàn)差異導(dǎo)致如下問題：1) 掘進(jìn)機(jī)經(jīng)常處于欠載、過載的狀態(tài)，而經(jīng)常的超載操作不僅會(huì)加速掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)老化而頻繁發(fā)生故障，而且也會(huì)因截齒超負(fù)荷截割而快速磨損，不能發(fā)揮其應(yīng)用的效能。2) 經(jīng)常存在巷道下山時(shí)，割不到底板，留有底煤，造成巷道返工，重新拉底；巷道上山時(shí)，人為割破底板等現(xiàn)象，致使斷面施工超挖量一般在10%～25%，造成巷道支護(hù)和回填工作量增大，增加了后續(xù)施工強(qiáng)度與成本，影響了巷道掘進(jìn)效率。

近年來，基于煤巖識(shí)別、自動(dòng)導(dǎo)航定位、仿形截割等掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割研究，實(shí)現(xiàn)采掘工作面自動(dòng)化等高效煤炭開采技術(shù)已列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》能源科技重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先主題。許多學(xué)者通過深入研究，已取得了一些成果，實(shí)現(xiàn)了基本的自動(dòng)截割成形控制，但是由于缺乏適用的煤巖識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)糾偏及相關(guān)的控制協(xié)同策略，都存在適用特定礦區(qū)、可靠性低、穩(wěn)定性差等局限。

依據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境感知數(shù)據(jù)，基于識(shí)別出的不同煤巖截割特性，針對(duì)巷道不同區(qū)域施工要求，采取相應(yīng)的巷道掘進(jìn)機(jī)多運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)同控制(行走速度、姿態(tài)、截割頭擺動(dòng)速度等參數(shù))，既能保證掘進(jìn)機(jī)截割部處于恒功率高效運(yùn)行，又能克服掘進(jìn)機(jī)截割臂的慣性對(duì)截割成形質(zhì)量影響，以高效的截割工藝路徑控制掘進(jìn)機(jī)完成斷面自動(dòng)截割作業(yè)。建立合適的統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建及求解算法，保證巷道掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割的魯棒性。

1 研究方案

1.1 三維截割力傳感器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

由于不同礦井和同一礦井不同煤層的煤炭賦存條件、性質(zhì)不同，且煤炭在截割過程中的破碎是隨機(jī)的，因此掘進(jìn)機(jī)在截割過程中所受的力也不同。只有準(zhǔn)確地測(cè)量截割力，獲得截齒在截割過程中的大量力學(xué)特征，才能為定量評(píng)價(jià)掘進(jìn)截割特性、深入研究截割機(jī)理、合理選擇截齒等提供重要依據(jù)。

1) 獲得滿足載荷需求的磁流變彈性體壓電結(jié)構(gòu)參數(shù)?；谒淼佬?yīng)理論，依據(jù)薛定諤方程、截割阻力載荷量程等約束條件，推導(dǎo)磁流變彈性體磁性顆粒的貫穿系數(shù)，構(gòu)建磁流變彈性體壓電特性電阻率理論模型，據(jù)此計(jì)算滿足載荷量程需求的磁流變彈性體的顆粒體積比含量、顆粒間距等參數(shù)選取范圍。

2) 借鑒斯坦福研究所提出的筒形六維力傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)磁流變彈性體截割阻力三維力傳感器。依據(jù)獲得磁流變彈性體的顆粒體積比含量、顆粒間距參數(shù)選取范圍，制備磁流變彈性體材料，借鑒斯坦福研究所筒形六維力傳感器結(jié)構(gòu)，將磁流變彈性體圓環(huán)上開8個(gè)形狀相同的孔，同層槽孔間的薄壁區(qū)為剪切應(yīng)力敏感區(qū)，不同的剪切應(yīng)變區(qū)對(duì)應(yīng)測(cè)量由不同方向力產(chǎn)生的應(yīng)變。針對(duì)載荷波動(dòng)響應(yīng)需求，利用Davis磁偶極子模型修正模型描述磁流變彈性體處于屈服前狀態(tài)、屈服狀態(tài)和屈服后狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性，構(gòu)建磁流變彈性體截割阻力三維力傳感器載荷波動(dòng)響應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，進(jìn)行相關(guān)的ANSYS數(shù)值仿真，將仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行載荷波動(dòng)響應(yīng)模型修正，進(jìn)而優(yōu)化磁流變彈性體截割阻力三維力傳感器相應(yīng)參數(shù)。磁力線分布圖見圖1，動(dòng)態(tài)黏彈譜儀見圖2.

圖1 磁力線分布圖

圖2 動(dòng)態(tài)黏彈譜儀圖

3) 通過靜態(tài)加載試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，進(jìn)行傳感器標(biāo)定。通過磁流變彈性體三維力傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，進(jìn)行載荷量程、載荷波動(dòng)響應(yīng)、非線性度、維間藕合、回程誤差等性能評(píng)估，調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)提高磁流變彈性體三維力傳感器性能。

1.2 構(gòu)建巷道掘進(jìn)機(jī)基準(zhǔn)載荷模型

掘進(jìn)工程實(shí)測(cè)給出的是海量龐雜的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，包含眾多的相關(guān)參量，將該系統(tǒng)特征用一系列的物理和力學(xué)以及工程參量進(jìn)行描述，其目的是尋求內(nèi)在規(guī)律。 由于相關(guān)的參量眾多，首先需要對(duì)這些參量進(jìn)行分類與歸納。選取其中對(duì)識(shí)別目標(biāo)敏感度最高的、最有效的特征參量參與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征識(shí)別，而將敏感度相對(duì)較低的各類參量的影響融合到模型系數(shù)中。由此，在掘進(jìn)載荷總推力與總扭矩的分析建模中，掘進(jìn)載荷總推力可由前述的磁流變彈性體截割阻力傳感器結(jié)合截割電機(jī)電流等參數(shù)融合獲得。選取表征操作狀態(tài)的掘進(jìn)進(jìn)尺、截割頭擺動(dòng)速度以及截齒幾何特征等參量作為高敏度特征參量參與模型的結(jié)構(gòu)特征識(shí)別，而將敏感度相對(duì)較低的各類參量的影響融合到模型系數(shù)中。利用工程數(shù)據(jù)反演識(shí)別分析，獲得表征地質(zhì)環(huán)境條件等截割環(huán)境的基準(zhǔn)載荷模型。

構(gòu)建基于工程數(shù)據(jù)反演識(shí)別分析的巷道掘進(jìn)機(jī)基準(zhǔn)載荷模型后，結(jié)合實(shí)際的煤礦巷道施工，通過布置勘探孔，利用探孔勘察該點(diǎn)地質(zhì)狀況，修正巷道掘進(jìn)機(jī)基準(zhǔn)載荷模型，從而獲得準(zhǔn)確的掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境的感知數(shù)據(jù)，為掘進(jìn)機(jī)基于截割環(huán)境采取適當(dāng)?shù)慕馗畈呗缘於ū匾A(chǔ)。巷道掘進(jìn)機(jī)基準(zhǔn)載荷模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)表見表1.

表1 巷道掘進(jìn)機(jī)基準(zhǔn)載荷模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)表

1.3 構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的精確的操控耦合模型

f(s)最高是n-1階的。若p(s)無重零點(diǎn)，將f(s)/p(s)展成部分分式：

考慮Diophantine方程：

k(s)p(s)+h(s)r(s)=q(s)fτ(s)

其中，q(s)是任意n-1階Hurwiz多項(xiàng)式。 由方程可以得到階次不高于n-2的多項(xiàng)式k(s)和階次不高于n-1的多項(xiàng)式h(s). 擬建立的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的精確模型匹配的操控耦合模型應(yīng)達(dá)到僅存在閉環(huán)外純延時(shí)的精確跟隨性能，以解決閉環(huán)內(nèi)操控固有延時(shí)對(duì)跟隨性能的影響，依據(jù)Diophantine 方程所蘊(yùn)涵的對(duì)輸出響應(yīng)的預(yù)測(cè)意義，獲得只含有純延時(shí)的對(duì)指標(biāo)軌跡的精確跟隨的約束條件，并能夠保證對(duì)操縱動(dòng)作執(zhí)行裝置和被控對(duì)象的建模誤差以及設(shè)計(jì)計(jì)算誤差的魯棒性。

1.4 基于控制協(xié)同的巷道掘進(jìn)機(jī)高效運(yùn)行研究

1.4.1兩幫邊界區(qū)域協(xié)同控制策略研究

針對(duì)巷道兩幫邊界區(qū)域，由于掘進(jìn)機(jī)是大質(zhì)量體，采取截割臂慢停策略，避免截割過程中截割臂的慣性對(duì)于自動(dòng)截割成形的精度影響。

設(shè)s為截割頭距離兩幫位置，f為根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境感知數(shù)據(jù)識(shí)別出的不同煤巖普氏系數(shù)，v為截割頭擺動(dòng)速度，w1、w2為比例系數(shù)，可結(jié)合仿真數(shù)據(jù)與工程試驗(yàn)完善。則：s=w1f+w2v.

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境感知數(shù)據(jù)識(shí)別出不同煤巖截割特性，據(jù)此確定截割頭距離兩幫位置為s時(shí)，控制閥口流量，使截割臂的擺動(dòng)速度逐漸降低，到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)速度降為0. 截割臂依據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境感知數(shù)據(jù)慢停策略很大程度上提高了截割臂定位控制精度，防止了超挖現(xiàn)象，達(dá)到較好的協(xié)同控制效果，提高了截割頭定位控制精度以減小兩幫邊界區(qū)域粗糙度誤差。

1.4.2巷道非兩幫邊界區(qū)域協(xié)同控制策略研究

1) 根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境感知數(shù)據(jù)，為了掘進(jìn)機(jī)截割部恒功率，總的截割載荷應(yīng)恒定，基于識(shí)別出的不同煤巖截割特性，實(shí)時(shí)制定掘進(jìn)機(jī)期望合力與力矩。2) 綜合考慮掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)期望、履帶附著極限和行走部特性，建立統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)計(jì)約束優(yōu)化和可行域規(guī)劃方法相結(jié)合的求解算法，將獲得的期望合力優(yōu)化分配為掘進(jìn)機(jī)最優(yōu)縱、橫、垂向力。3) 結(jié)合掘進(jìn)機(jī)位姿數(shù)據(jù)協(xié)同控制掘進(jìn)機(jī)行走速度、姿態(tài)，升降液壓缸驅(qū)動(dòng)和回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)等參數(shù)，依據(jù)前述構(gòu)建的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的精確模型匹配的操控耦合模型約束條件，將前述中分配好的力具體執(zhí)行。

上述掘進(jìn)機(jī)行走速度、姿態(tài)，截割頭擺動(dòng)速度等參數(shù)協(xié)同控制可實(shí)現(xiàn)任意起點(diǎn)截割，無需特意設(shè)定整個(gè)工藝路徑的起始點(diǎn)，避免截割起始時(shí)截割頭先回到標(biāo)定位置然后按照規(guī)定路徑進(jìn)行截割的步驟。在截割完成后，回轉(zhuǎn)和升降液壓缸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，使截割頭回到起始點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)在巷道非兩幫邊界區(qū)域基于多參數(shù)協(xié)同控制，截割部低振動(dòng)且恒功率高效運(yùn)行。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

以煤礦掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境感知及智能控制技術(shù)研究為背景，運(yùn)用煤巖識(shí)別、控制協(xié)同、操控信息耦合等多個(gè)領(lǐng)域的理論，將工程數(shù)據(jù)反演識(shí)別分析等方法引入到掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境判別中。

基于磁流變截割環(huán)境感知與協(xié)同控制的巷道掘進(jìn)機(jī)高效運(yùn)行方法不僅考慮幾何約束，還依據(jù)磁流變截割力傳感器結(jié)合工程數(shù)據(jù)反演分析獲得的截割環(huán)境感知數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判別煤巖特性的基礎(chǔ)上，依據(jù)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的精確模型匹配的操控耦合模型約束條件，采取較低的操控補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，綜合考慮掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)期望、履帶附著極限和行走部特性，建立統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，采取相應(yīng)的多運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)截割，保證自動(dòng)高效截割的魯棒性約束，優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)操控方式，保證掘進(jìn)機(jī)截割部處于恒功率高效運(yùn)行，從而提高斷面成形質(zhì)量及進(jìn)尺效率。

3 結(jié) 論

本文借鑒隧道效應(yīng)理論、多目標(biāo)優(yōu)化理論和精確模型匹配理論，利用磁流變彈性體的壓電特性及流變特性，結(jié)合掘進(jìn)工程數(shù)據(jù)反演分析感知掘進(jìn)機(jī)截割環(huán)境，同時(shí)深入研究掘進(jìn)機(jī)多運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制協(xié)同的多目標(biāo)優(yōu)化問題特點(diǎn)，重點(diǎn)研究磁流變彈性體截割力傳感器、基準(zhǔn)載荷模型分量及系數(shù)選擇以及截割切削力優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)機(jī)高效運(yùn)行提供一套先進(jìn)而有效的方法，改變采掘比例失調(diào)局面，滿足煤礦高效集約化生產(chǎn)需求，使煤炭實(shí)現(xiàn)安全、高效、低成本開采，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。