井下掘進機自動糾偏技術(shù)控制要點

王振華

摘 要：目前，懸臂式掘進機廣泛應(yīng)用于我國煤礦井下生產(chǎn)，是大型煤炭生產(chǎn)的重要設(shè)備，主要用于采掘工作面布置。在掘進機掘進作業(yè)的工程中不可避免的出現(xiàn)偏離巷道中心線，造成切割斷面的超挖和欠挖，井下掘進機自動糾偏技術(shù)的應(yīng)用可有效避免此類問題。本文在全面掌握井下掘進機自動糾偏技術(shù)相關(guān)概述和意義的前提下，對井下掘進機位姿信息的檢測和控制要點進行了探討。

關(guān)鍵詞：掘進機;自動糾偏;控制要點;應(yīng)用意義

地下采煤作業(yè)是在一個十分狹小的空間范圍內(nèi)進行的，由于井下巷道施工過程粉塵大、工期長、不穩(wěn)定因素多，因此，客觀環(huán)境條件極大地限制了人工作業(yè)。為提高巷道掘進的速度和質(zhì)量，確保煤礦開采作業(yè)的正常進行，就必須加強自動化控制技術(shù)的應(yīng)用，加快掘進機的自動化改造，用機械自動化操作來替代人工操作，從而充分發(fā)揮采煤機電設(shè)備的優(yōu)勢。懸臂式掘進機是井下綜掘工作面的核心設(shè)備之一，主要用于巷道成形。面對當(dāng)前國內(nèi)外煤炭領(lǐng)域無人采掘裝備機器人化的發(fā)展趨勢，掘進機現(xiàn)場作業(yè)的少人化和智能化發(fā)展受到各生產(chǎn)研發(fā)、應(yīng)用和研究單位的普遍重視。機器人化掘進的實現(xiàn)需落實掘進機的位姿檢測、自主糾偏、遠(yuǎn)程控制與自主截割等環(huán)節(jié)。其中，基于位姿信息的行進糾偏是保證巷道截割質(zhì)量的重要前提。

1 井下掘進機自動糾偏技術(shù)的概述

掘進機相對巷道中心自動糾偏就是掘進機在截割落煤、裝煤、運煤后進行下一自動截割之前依靠掘進機的左右履帶行走速度的變化及向前、向后的調(diào)整進行調(diào)整掘進機中心線與巷道中心線的相對位置，保證掘進機在自動截割時掘進機中心線與巷道中心線接近一致，從而保證掘進機截割頭在截割時左右截割的距離一致，控制掘進機沿著巷道中心線沿直線前進，保證巷道的走向。

2 井下掘進機自動糾偏技術(shù)的應(yīng)用意義

傳統(tǒng)上，掘進機行走作業(yè)主要利用手動方式進行糾偏操作業(yè)，掘進機操作人員均是通過手動調(diào)節(jié)掘進機左右行走液壓馬達的方式實現(xiàn)糾偏作業(yè)，將掘進機的位姿調(diào)整為預(yù)定值。手動糾偏作業(yè)存在著勞動強度大、作業(yè)環(huán)境惡劣以及地質(zhì)構(gòu)造差異與作業(yè)人員技術(shù)水平不同導(dǎo)致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自動糾偏技術(shù)能夠讓操作人員實現(xiàn)對掘進機糾偏作業(yè)的遠(yuǎn)程操作，不需要在進入到工作環(huán)境惡劣的第一線。掘進機采用自動糾偏技術(shù)具有三點重要意義：

1）自動化糾偏技術(shù)實現(xiàn)了操作人員對掘進機的遠(yuǎn)程化操控，有利于實現(xiàn)少人/無人化的掘進機操作模式;借助于計算機的高速邏輯處理能力，掘進機的工作效率也獲得了大幅度的提升，防止了因為地質(zhì)構(gòu)造問題、操作人員水平因素造成的巷道成型不規(guī)范的問題。

2）我國的采煤作業(yè)主要是在井下進行的，因此，掘進機在采煤作業(yè)的巷道掘進方面有著重要的、不可替代的作用。自動化糾偏技術(shù)對于提高我國煤炭掘進機的自動化水平具有重要意義;

3）自動化糾偏技術(shù)能夠有效改善工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，特別在煤與瓦斯突出的礦井，該技術(shù)的應(yīng)用對安全快速高效掘進具有重要意義。

3 井下掘進機位姿信息的檢測分析

掘進機不論是行走過程中還是在斷面截割作業(yè)過程中，掘進機的中心軸線均不可避免地與巷道中心線出現(xiàn)相互偏離的問題。懸臂式掘進機的位姿信息除了包括三維空間坐標(biāo)之外，還應(yīng)該包括掘進機的位姿信息。

懸臂式掘進機的工作環(huán)境的照明嚴(yán)重不足、作業(yè)環(huán)境十分惡劣，如果想要對掘進機的位姿信息進行精確地檢測，則具有很大的難度。并且在航道內(nèi)部，不能夠使用GPS（全球定位系統(tǒng)），并作業(yè)環(huán)境的粉塵數(shù)量巨大，無法直接運用視覺導(dǎo)航設(shè)備，所以激光指向儀便成為掘進機進行掘進作業(yè)方向指引的重要的設(shè)備。有效的測量方案是自動化掘進作業(yè)的關(guān)鍵保障，利用該測量方案測算獲得掘進機的位姿信息。掘進機在采用激光指向儀時常常根據(jù)激光指向儀的指定方向沿著頂板或者底板向前進，所以，懸臂式掘進機的自動化糾偏不需要控制其三圍空間信息坐標(biāo)。由此我們知道，懸臂式掘進機的位姿信息是進行自動化糾偏的重點和難點。

由于掘進機的位姿檢測直接決定了自動化糾偏效果和巷道成型質(zhì)量，為了獲得更加精確的位姿參數(shù)，本文以綜合采用超聲波測距傳感器（三個）和雙軸傾角傳感器（一個）并結(jié)合相應(yīng)的解算方法來獲取掘進機的位姿信息。其中，超聲波測距傳感器負(fù)責(zé)探測懸臂式掘進機的方位角ɑ和中心偏距a;雙軸傾角傳感器負(fù)責(zé)探測懸臂式掘進機的俯仰角β以及懸臂式掘進機的橫滾角γ;而后結(jié)合解算獲得相應(yīng)信息。獲得所需信息之后，便能夠掌握參考位姿與實際位姿之間的偏差問題，而后利用糾偏控制器依照特定的控制策略，將其轉(zhuǎn)變成為懸臂式掘進機能夠識別的電磁閥開關(guān)信息與控制脈沖信號，最終實現(xiàn)掘進機位姿的自動化糾正。

巷道兩邊的距離特點以及懸臂式掘進機的結(jié)構(gòu)特點均告訴我們，綜合采用超聲波測距傳感器（三個）和雙軸傾角傳感器（一個）能夠準(zhǔn)確地獲得掘進機的位姿參數(shù)，該參數(shù)成為掘進機實現(xiàn)自動化糾偏的關(guān)鍵參考。但是同樣需要指出的是，上述控制方法要求航道的兩幫具有良好的平整度，不能夠出現(xiàn)超挖或者欠挖的問題，所以，在實際的使用過程中需要注意該問題。

4 井下掘進機自動糾偏技術(shù)控制要點

通過機載工業(yè)控制計算機和PLC可實現(xiàn)井下掘進機自動糾偏控制，PLC產(chǎn)生的控制指令經(jīng)PLVC、電液比例閥控制行走部的左右液壓馬達，驅(qū)動掘進機的驅(qū)動輪實現(xiàn)糾偏功能。糾偏控制策略主要由掘進機糾偏程序、角度范圍調(diào)整子程序、掘進機中心調(diào)整子程序、方位角糾偏子程序等實現(xiàn)。

PLC采集超聲波測距儀測量值計算掘進機位姿信息中的方位角ɑ和中心偏距a，依據(jù)不同方位角ɑ和中心偏距a，采用不同的控制策略。當(dāng)掘進機方位角a超過該限定值時，如果調(diào)用掘進機中心調(diào)整子程序，則掘進機可能碰撞巷道煤幫，因此需要首先把掘進的方位角調(diào)整到一定的范圍之內(nèi)。當(dāng)掘進機方位角調(diào)整到限定值內(nèi)后，依據(jù)中心偏距的不同情況調(diào)用不同子程序完成掘進機的糾偏。當(dāng)巷道地質(zhì)條件較為復(fù)雜時，調(diào)整掘進機機身中心軸線與巷道中心線重合將會出現(xiàn)較大的難度，且用時較長，影響掘進速度，因此在設(shè)計程序時允許有一定的距離偏差。當(dāng)掘進出現(xiàn)距離偏差時，根據(jù)機身與巷道的相對位置情況，可以分為機身位于巷道中心左側(cè)左偏、機身位于巷道中心左側(cè)右偏、機身位于巷道中心線右側(cè)右偏、機身位于巷道中心線右側(cè)左偏。

5 結(jié)束語

綜上所述，掘進機是實現(xiàn)煤礦機械化掘進的關(guān)鍵設(shè)備。掘進技術(shù)、裝備和工藝水平，直接關(guān)系到煤礦開采的生產(chǎn)能力、經(jīng)濟效益。正因如此，我國綜合機械化掘進程度正逐步提高，自動化控制技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了掘進機的工作效率和掘進作業(yè)的安全性，促進了采煤作業(yè)的快速推進、安全高效和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在掘進過程中，往往會出現(xiàn)偏離巷道中心線，造成切割斷面的超挖和欠挖等問題，自動糾偏技術(shù)的應(yīng)用，可有效解決此類問題，進一步鞏固和完善自動化掘進技術(shù)水平。

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