煤礦掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)的研究

李 巖

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西晉中 045400）

0 引言

在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，采用人工控制掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)路徑規(guī)劃、進(jìn)給量均通過(guò)人工目視判斷，受井下高塵、低能見(jiàn)度狀況的影響，在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)路徑偏位、截割機(jī)構(gòu)觸頂?shù)犬惓?，不僅導(dǎo)致巷道掘進(jìn)質(zhì)量較差，而且導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截齒斷裂、截割機(jī)構(gòu)損壞等，嚴(yán)重影響煤礦井下的綜采作業(yè)效率和作業(yè)安全[1]。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中的位置狀態(tài)進(jìn)行精確判斷和調(diào)整，因此本文提出了以視頻監(jiān)控為核心的掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)，采用井下防爆視頻監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)截割機(jī)構(gòu)截割路徑的跟蹤，利用控制機(jī)構(gòu)對(duì)截割軌跡進(jìn)行修正，滿足精確定位的控制需求。

1 智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，煤礦掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)主要包括設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的視覺(jué)測(cè)量、捷聯(lián)慣導(dǎo)等傳感器設(shè)備[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中的姿態(tài)和截割路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和RS485 通訊協(xié)議將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳遞到智能控制中心[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割路徑準(zhǔn)確度的判斷，根據(jù)對(duì)截割路徑的判定結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)截割路徑軌跡的顯示，當(dāng)出現(xiàn)軌跡超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)計(jì)算偏位量，根據(jù)偏位量和采煤機(jī)的空間姿態(tài)，給出掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的修正量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)路徑的自動(dòng)修正，確保掘進(jìn)截割路徑的精確性。

圖1 掘進(jìn)機(jī)智能控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 截割控制機(jī)構(gòu)顯示界面

由于該智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)中，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上設(shè)置了多組位置傳感器設(shè)備，對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同一時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)增多。為了提高操作人員的操控便捷性，該掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)最顯著的一個(gè)提升點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了專門的智能化顯示平臺(tái)。

該監(jiān)控界面分為4個(gè)區(qū)域[4-5]，第1顯示區(qū)為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)動(dòng)態(tài)顯示區(qū)域，在該區(qū)域能夠以動(dòng)態(tài)的形式對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行顯示，同時(shí)能夠精確地顯示出掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)構(gòu)和前側(cè)、兩側(cè)煤壁的距離，以及掘進(jìn)機(jī)懸臂的偏角。在第2顯示區(qū)域則為當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的截割路徑，能夠?qū)崟r(shí)顯現(xiàn)出掘進(jìn)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)路徑和理論路徑的偏位量，便于直觀地觀察巷道的掘進(jìn)質(zhì)量。在第3顯示區(qū)域則能夠以圖形化的形式將掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的掘進(jìn)姿態(tài)角顯示出來(lái)，便于觀察掘進(jìn)機(jī)截割結(jié)構(gòu)在垂直方向上的偏位角度情況。在第4顯示區(qū)域，主要是對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭是否超挖進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)超挖或者欠挖時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提醒控制人員對(duì)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

3 智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

本文以EBZ180 懸臂式掘進(jìn)機(jī)為驗(yàn)證對(duì)象[6]，對(duì)其控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，建立了以智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)為核心的掘進(jìn)機(jī)控制機(jī)構(gòu)，分別對(duì)截割機(jī)構(gòu)截割過(guò)程中的回轉(zhuǎn)角變化情況和姿態(tài)角變化情況進(jìn)行檢測(cè)，回轉(zhuǎn)角變化情況如圖2所示。

圖2 截割機(jī)構(gòu)截割過(guò)程中的回轉(zhuǎn)角變化情況

在對(duì)截割過(guò)程中回轉(zhuǎn)角變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，利用防爆相機(jī)每隔0.1 s 進(jìn)行一次姿態(tài)位置的監(jiān)控（也就是每隔0.1 s對(duì)回轉(zhuǎn)角拍一次照片，然后解讀照片上的角度），然后將截割機(jī)構(gòu)保持垂直固定，控制掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)從左側(cè)向右側(cè)偏移[7]。根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明，在掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角變化均勻且平穩(wěn)，其在移動(dòng)過(guò)程中的變化近似一種線性變化曲線，表明該控制機(jī)構(gòu)對(duì)截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度控制的穩(wěn)定性。

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中機(jī)身的姿態(tài)變化曲線如圖3 所示。在進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，為了最大限度地模擬井下截割作業(yè)過(guò)程的實(shí)際情況，采用將捷聯(lián)慣導(dǎo)直接固定到機(jī)身上，對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的橫滾角進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)橫滾角的變化情況來(lái)反映出掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的變化情況。

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的橫滾角變化在±0.2°以內(nèi)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)控制方案下的橫滾角變化情況，能夠極大地提升掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）該智能控制機(jī)構(gòu)主要包括設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的視覺(jué)測(cè)量、捷聯(lián)慣導(dǎo)等傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中的姿態(tài)和截割路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。

（2）掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)角變化均勻且平穩(wěn)，其在移動(dòng)過(guò)程中的變化近似一種線性變化曲線，表明了該控制機(jī)構(gòu)對(duì)截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度控制的穩(wěn)定性。

（3）在智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)作用下，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的橫滾角變化在±0.2°以內(nèi)，能夠確保升掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

綜上所述，通過(guò)對(duì)EBZ180 懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，建立了以智能掘進(jìn)控制機(jī)構(gòu)為核心的掘進(jìn)機(jī)控制機(jī)構(gòu)，分別對(duì)截割機(jī)構(gòu)截割過(guò)程中的回轉(zhuǎn)角變化情況和姿態(tài)角變化情況進(jìn)行檢測(cè)。利用視頻監(jiān)控能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)截割軌跡進(jìn)行有限跟蹤、判斷，從而避免作業(yè)過(guò)程中的過(guò)切、觸頂現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果。