掘進機在巷道自動掘進中的應用思考

何佐英

（曲靖市富源縣煤炭工業(yè)局安全技術培訓中心，云南曲靖 655500）

0 引言

目前，掘進機技術高速發(fā)展，掘進機不但能夠滿足不同的實際需求，而且連續(xù)掘進能力大為提升，因此掘進機已被廣泛應用于各種工程中。如今，在生產(chǎn)過程中如何利用掘進機在巷道進行自動掘進已受到各界人士的高度關注。因此，有必要就其開展相關的應用研究。

1 掘進機組成及其工作原理

通常情況下，在巷道自動掘進的過程中經(jīng)常會使用掘進機。常用的掘進機一般由執(zhí)行、行走、裝運機構(gòu)以及轉(zhuǎn)載機及其液壓驅(qū)動和電氣控制等部分構(gòu)成。在實際開展掘進作業(yè)的時候，需要對部分操控前端截割機構(gòu)進行控制，讓截割頭可以在巷道中進行上、下、左、右移動，從而截割出不同斷面形狀的巷道。按照截割頭驅(qū)動軸的安裝方式，掘進機又可以劃分為縱軸式掘進機和橫軸式掘進機。在掘進機自動掘進的過程中，需要利用液壓系統(tǒng)提供的動力讓液壓馬達驅(qū)動截割機軸旋轉(zhuǎn)以促使截割部刀盤轉(zhuǎn)動，然后在推進油缸的驅(qū)動下行走機構(gòu)動作，掘進機便可向前推進作業(yè)，實現(xiàn)巖石的切割。切割后的碎石經(jīng)由裝運機構(gòu)與轉(zhuǎn)載機承運，便可運送至指定位置。

掘進機自動掘進功能的實現(xiàn)其關鍵在于掘進機中裝有一套自動機器人系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以對預先設置的三維軌跡進行自動識別。在實際作業(yè)的時候，其可以有效跟蹤和控制推進位置和大臂截割部位，通過實際獲取的位置信息與作業(yè)指令進行對比分析，可以自動實現(xiàn)誤差的糾正，從而保障掘進機可以按照規(guī)劃完成巷道自動掘進任務。掘進機在巷道自動掘進的過程中能夠按照輸入的指令自動完成掘進作業(yè)（圖1）。

2 掘進機主要機構(gòu)分析

2.1 掘進機截割部工作機構(gòu)分析

圖1 掘進機自動掘進原理

圖2 掘進機截割部的工作機構(gòu)

截割電機、聯(lián)軸器、截割減速機、截割頭以及懸臂等部位共同組成了掘進機截割部的整個工作機構(gòu)（圖2）。掘進機的截割部屬于執(zhí)行機構(gòu)，在新型自動掘進機中，截割部通常還設置有伸縮機構(gòu)以保證在復雜的截割環(huán)境中，若掘進機不能實現(xiàn)巖石切割，截割部可以實現(xiàn)自我縮回，從而避免造成刀盤的損壞。截割部通常安裝在行進方的最前端，并被置于旋轉(zhuǎn)軸上，而截割刀盤則置于截割部的最前端。并且，截割刀盤還能夠沿著機械大臂軸進行前后伸縮。在掘進作業(yè)中，截割部是先驅(qū)機構(gòu)，可以將煤巖割破并形成巷道斷面。從此角度考慮，可以說明截割部的結(jié)構(gòu)及其截割效率在很大程度上決定了掘進機性能。

2.2 自動掘進機的行走結(jié)構(gòu)分析（圖3）

自動掘進機大多是利用雙履帶行走機構(gòu)控制行走方向的。在實際作業(yè)的過程中，需要對履帶上多位電機進行控制，從而使掘進機能夠沿著上、下、左、右各個方向進行靈活變動。這樣，無論面對多么復雜的環(huán)境條件，掘進機都可以較好地適應行走環(huán)境，保證自動掘進任務的有序開展。

圖3 掘進機的行走機構(gòu)

圖4 掘進機控制模型

3 掘進機在巷道自動掘進中的應用

3.1 智能控制需求

為滿足實際生產(chǎn)需要，掘進機應可以適應各種不同環(huán)境下的自動掘進工作，并能夠盡可能高質(zhì)量、高效率的完成指定任務。因此，掘進機應滿足以下要求。

（1）可以滿足巷道斷面成形的需求。普通的掘進機只能夠?qū)ο锏赖牟糠謹嗝孢M行截割，而在實際工程中則要求掘進機可以用于任何斷面形狀的隧道中。為此，掘進機應該可以反復做上、下、左、右連續(xù)移動截割工作，以適應不同的道路條件。

（2）自動掘進機必須能夠?qū)ξ恢眠M行精確測量。在掘進機上應配置多種傳感器，從而幫助掘進機自動對自身進行定位并調(diào)整姿態(tài)，滿足施工精度的需求。

（3）掘進機應當能夠?qū)φ麄€掘進過程進行自動控制。需要建立用于掘進機控制的數(shù)學模型，對運動學方程和動力學方程進行正解與逆解，從而得到精確的截割頭位置和姿態(tài)控制量，保證掘進作業(yè)能夠控制自如。

（4）自動掘進機的控制方式應當靈活。根據(jù)具體情況，掘進機應當可以現(xiàn)地控制和遠程操作，從而減輕現(xiàn)場工作的負擔。

（5）自動掘進機應當具有較高的可靠性。掘進機首先應可以對自身的關鍵部件進行有效監(jiān)視，并能夠?qū)Πl(fā)生的故障進行判斷，從而避免帶病工作，保證故障發(fā)生時能第一時間向相關工作人員反應。

3.2 智能控制關鍵技術

掘進機在巷道中自動掘進必須依賴于以下智能控制關鍵技術。

（1）自主定位技術。此技術主要是保證掘進機可以精確確定機身的位置和方向。該技術包括：①以激光測距為基礎的定位技術。在巷道中安裝好激光發(fā)射器或激光接收器后，通過測量兩者間距，就能夠?qū)蜻M機進行定位。②以全站儀為核心的定位技術。利用全站儀建立坐標系對目標點的坐標進行求解從而確定掘進機的姿態(tài)。③以超寬帶為基礎的定位技術。主要是結(jié)合三角定理對目標點的位置進行確定。④以慣性導航技術為基礎的定位技術。采用陀螺儀與加速度傳感計進行測量，從而獲取掘進機的三軸角速度與三軸加速度。

（2）智能控制技術。此技術主要能對掘進機的路徑進行跟蹤和控制，該項技術還在進一步的研發(fā)中。

（3）遠程監(jiān)控技術。由于掘進機的工作環(huán)境通常比較惡劣，為了盡可能減少安全隱患，降低嚴酷作業(yè)環(huán)境對人體潛在的威脅，掘進工作現(xiàn)場應盡量減少工作人員，甚至實現(xiàn)無人化作業(yè)，因此利用遠程監(jiān)控技術對掘進機進行遠程控制是十分關鍵的。

（4）狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術。此項技術主要滿足了掘進機自我監(jiān)視、找錯和發(fā)現(xiàn)故障的需求。

3.3 掘進機控制模型建立

掘進機控制模型如圖4 所示。該掘進機控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)近地遙控、井下遠程遙控以及地面遠程監(jiān)測，還具有自動截割成形、可視化監(jiān)測、自身適應控制等功能。

4 結(jié)語

掘進機的自動化程度需要不斷提高。只有掘進機的自動化程度滿足于實際生產(chǎn)的需求，巷道自動掘進的精度和安全才能得到保障，掘進作業(yè)的質(zhì)量、效率和水平才能取得更大的突破。