基于Simulink 的掘進機截割臂擺角跳動規(guī)律研究

王 娟

（山西省陽泉市大陽泉煤炭有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

掘進機是煤礦井下用于巷道掘進的設(shè)備，其巷道掘進速度及巷道斷面的形狀直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的效率，隨著掘進機掘進作業(yè)自動化程度的不斷提升，目前多數(shù)掘進機均依靠自動截割控制系統(tǒng)進行自動截割，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)由于煤礦井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掘進機的截割臂在進行水平截割和垂直截割時均會產(chǎn)生擺動現(xiàn)象，對掘進機巷道斷面邊界的規(guī)整度和巷道的成形質(zhì)量造成了較大的影響，因此，本文利用Lagrange 方程建立了掘進機的動力學(xué)方程，利用Simulink 仿真分析軟件對掘進機截割臂掘進作業(yè)過程中的擺角跳動規(guī)律進行研究，獲取其變化規(guī)律，為優(yōu)化掘進機截割控制系統(tǒng)控制邏輯、消除截割作業(yè)過程中擺臂跳動、提高掘進作業(yè)的精度和可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 掘進機截割臂擺角跳動模型

掘進機在煤礦井下進行掘進作業(yè)時，實際上是一個全自由度工作狀態(tài)，為了降低對掘進機工作時截割臂擺角跳動規(guī)律研究的難度，因此選擇一個相對典型的工況，將掘進機的重心位置作為原點，建立OXYZ 分析坐標系，同時建立其隨機運動時的動態(tài)坐標系O'X'Y'Z'，其空間分析模型如圖1 所示[1]。

圖1 中：λ 表示掘進機的截割臂與掘進機機體水平方向上的夾角；Δλ 表示掘進機截割臂工作時的擺角跳動量；θ2表示靜態(tài)分析坐標系和動態(tài)坐標系X 軸之間的夾角在靜態(tài)坐標系內(nèi)的投影；SX表示原點O 與O' 間距在靜態(tài)坐標系X 軸上的投影；SY表示原點O 與O' 間距在靜態(tài)坐標系Y 軸上的投影；RX表示掘進機截割機構(gòu)上的截割阻力在水平方向上的分量；RY表示掘進機截割機構(gòu)上的截割阻力在垂直方向上的分量。

圖1 掘進機截割比水平擺動截割空間模型

2 掘進機截割機構(gòu)受力分析

在對掘進機截割臂擺角跳動進行分析時，應(yīng)以掘進機截割機構(gòu)工作時作用在截割機構(gòu)上的截割載荷作為輸入量，假設(shè)工作時掘進機水平向右進行運動，其在進行向右側(cè)的截割作業(yè)時，巖壁作用在截割機構(gòu)上的截割阻力是水平向左的，掘進截割臂左側(cè)的執(zhí)行油缸的無桿腔內(nèi)充入高壓油，將其回轉(zhuǎn)平臺向外側(cè)推，因此此時以掘進機的機身回轉(zhuǎn)平臺的原點O 為定位基點，系統(tǒng)執(zhí)行油缸側(cè)推時對于定位基點的力矩MT可表示為[2]：

右側(cè)的執(zhí)行油缸對截割臂的回拉力對于O 點的力矩值可表示為：

掘進機的截割機構(gòu)相對于O 點的力矩值可表示為：

式中：P1為掘進機回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力；S1為掘進機回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑截面積；r 為掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)半徑；l1為原點O 到掘進機左后側(cè)定位腳柱的距離；α 為原點O 到掘進機左后側(cè)定位腳柱方向與到右后側(cè)定位柱腳的夾角；l2為掘進機后側(cè)支撐點到前側(cè)轉(zhuǎn)角點的距離；S2為回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)活塞桿的橫截面積；l3為原點O 到掘進機右后側(cè)定位腳柱的距離；γ 為掘進機的截割臂與掘進機機體垂直方向上的夾角。

掘進機在截割作業(yè)的時候，其回轉(zhuǎn)平臺將受到較大的側(cè)向壓力的作用，當進行側(cè)切時的受力較小，而且由于回轉(zhuǎn)平臺內(nèi)的滾筒軸承內(nèi)的滑動摩擦極小，因此在進行分析時，可忽略在轉(zhuǎn)動過程中回轉(zhuǎn)平臺的摩擦力矩的作用，因此當掘進機截割作業(yè)時作用在截割機構(gòu)上的截割力可表示為：

由此分析可知，掘進機在截割作業(yè)過程中作用在截割機構(gòu)上的截割力的變化如圖2 所示。

圖2 作用在截割機構(gòu)上的截割力分布示意圖

3 仿真分析及試驗驗證

利用Simulink 仿真分析軟件并結(jié)合Matlab 力學(xué)分析軟件[3]建立如圖3 所示的掘進機截割臂水平擺角跳動的仿真分析模型。

圖3 截割臂水平擺角的仿真分析模型

本文以某型掘進機為例，其工作時截割臂的最大水平擺角為27°，其最大垂直擺角約為37°，因此在對其跳動量進行分析時，對γ 分別為20°、0°情況下的跳動情況進行分析。

為了同仿真分析結(jié)果進行對比，本文選取在某礦井下以其實際應(yīng)用的某型掘進機為研究對象，建立實際跟蹤測試系統(tǒng)，其測試設(shè)備實物布置如圖4所示，其中利用傾角傳感器來對掘進機截割臂的擺角進行測定，同時利用各種壓力變送器來對工作過程中驅(qū)動油缸內(nèi)的工作壓力進行監(jiān)測，對掘進機截割臂的水平擺動角進行測量時側(cè)在其回轉(zhuǎn)機構(gòu)的弧長范圍內(nèi)設(shè)定一組角度測量儀，由此對其水平方向上的擺動角進行測量。

圖4 測試設(shè)備實物布置圖

4 仿真結(jié)果分析

將Simulink 的仿真分析結(jié)果與井下實際試驗結(jié)果獲取的數(shù)據(jù)進行擬合[4]，進行仿真分析與實際驗證結(jié)果的實際對比，擬合后的對比曲線如圖5 所示。

圖5 不同擺角下仿真分析結(jié)果與實際驗證結(jié)果的對比

由仿真分析結(jié)果可知，當掘進機的截割比在垂直擺動的時候，其截割臂在水平方向上的跳動量的仿真分析結(jié)果和實際驗證的結(jié)構(gòu)基本一致，且截割作業(yè)過程中截割載荷越大，其水平方向上的擺角跳動量呈現(xiàn)了先降低后增加的趨勢，根據(jù)對比分析結(jié)果可知，其擺角跳動量最小約為0.5°，最大約為5.1°。當掘進機的截割臂在垂直方向上的擺角不同時，角度越大跳動越大，當截割載荷在70～80 kN 情況下掘進機工作時截割臂的跳動量最小。

5 結(jié)論

1）截割作業(yè)過程中截割載荷越大，其水平方向上的擺角跳動量呈現(xiàn)了先降低后增加的趨勢；

2）當掘進機的截割臂在垂直方向上的擺角不同時，角度越大跳動越大，當截割載荷在70～80 kN 情況下掘進機工作時截割臂的跳動量最小；

3）以此為基礎(chǔ)，能夠?qū)蜻M機自動截割控制系統(tǒng)的截割臂的擺動量進行修正，大幅提升截割作業(yè)過程中截割作業(yè)的精確性，確保進行掘進作業(yè)效率和安全性。