固體智能充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)表征及自主識(shí)別調(diào)控方法

張 強(qiáng)，崔鵬飛，張吉雄，張 昊，常天驕，楊軍輝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000)

《煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)(2020年12月)》提出煤炭在我國(guó)一次能源中的主體地位，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的壓艙石作用沒(méi)有改變，但資源開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉陷、固廢處理與排放等問(wèn)題依然嚴(yán)峻。固體充填開(kāi)采技術(shù)作為解決上述問(wèn)題最重要的方法之一，尤其是在礦區(qū)大宗固廢資源化協(xié)同處置及高效低成本處理煤矸石等方面具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)[1]。目前機(jī)械化固體充填的充填工藝工作量大、自動(dòng)化程度低、采充工序分散、工人業(yè)務(wù)差異明顯，導(dǎo)致與傳統(tǒng)綜采相比回采效率降低近30%，而噸煤成本增加近15%，制約規(guī)?；茝V應(yīng)用，迫切需要向智能化充填方向升級(jí)。

固體智能充填技術(shù)研究大致可分為3部分，一是采煤工藝及裝備(采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、支架)智能化研究；二是充填工藝及裝備(充填支架、多孔底卸式刮板輸送機(jī)、夯實(shí)機(jī)構(gòu))智能化研究，三是采充智能化協(xié)同作業(yè)研究。在采煤工藝及裝備智能化研究方面，王國(guó)法等[2-3]根據(jù)不同煤層條件、采煤方法工藝等參數(shù)，將智能化采煤工作面進(jìn)行了系統(tǒng)分類(lèi)，并建立了工作面智能化分級(jí)評(píng)價(jià)體系；任懷偉等[4]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器提出了一種液壓支架頂梁位姿調(diào)控系統(tǒng)，建立了支架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和閥控液壓缸液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)；葛世榮等[5-6]系統(tǒng)研究了采煤機(jī)自主導(dǎo)航截割原理與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)形狀在線監(jiān)測(cè)，為綜采工作面采運(yùn)機(jī)組智能化運(yùn)行提供了大量理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在充填工藝及裝備智能化研究方面，劉建功等[7-8]基于充填液壓支架的傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)充填狀態(tài)的信息化，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了固體充填液壓支架自動(dòng)化控制系統(tǒng)，給出了自動(dòng)充填控制流程及系統(tǒng)的控制模式；張強(qiáng)等[9-11]研究了煤礦智能固體充填開(kāi)采方法，進(jìn)行了固體智能采充工序流程設(shè)計(jì)，研究了智能充填自主夯實(shí)過(guò)程的機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控。隨著綜采技術(shù)高速發(fā)展及推廣應(yīng)用，目前針對(duì)采煤工藝及采煤裝備智能化研究已然相對(duì)成熟，然而以機(jī)械夯實(shí)為主的固體充填開(kāi)采的智能化發(fā)展相對(duì)滯后，充填工藝及裝備的智能化研究仍處于起步階段。

基于上述工程及研究現(xiàn)狀，為解決固體充填開(kāi)采工作量大、效率低等領(lǐng)域發(fā)展痛點(diǎn)問(wèn)題，補(bǔ)充固體充填工藝及裝備智能化研究的不足，筆者針對(duì)固體智能充填關(guān)鍵裝備的工況位態(tài)精準(zhǔn)表征及識(shí)別調(diào)控展開(kāi)相關(guān)研究，提出基于MDH運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的充填關(guān)鍵裝備實(shí)時(shí)工況位態(tài)精準(zhǔn)表征方法，對(duì)該表征方法下各裝備非正常工況的判別及解調(diào)路徑進(jìn)行深入研究，為固體智能充填技術(shù)推廣應(yīng)用提供邏輯基礎(chǔ)和理論支撐。

1 固體智能充填工序及效率分析

1.1 固體智能充填方法及其工序類(lèi)別

固體智能充填方法以固體充填開(kāi)采技術(shù)[12-13]為基礎(chǔ)，借助智能化采充設(shè)備，結(jié)合采充工作面可視化管理，完成充填支架移架調(diào)架、多孔底卸式輸送機(jī)卸料、夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)等工序，達(dá)到充填支架工況自主識(shí)別調(diào)控、多孔底卸式輸送機(jī)自主卸料及自動(dòng)調(diào)直、夯實(shí)機(jī)構(gòu)自行夯實(shí)的效果，實(shí)現(xiàn)單架的運(yùn)卸夯工序在時(shí)間上自主組織，鄰架的卸夯移工序在空間上自主銜接的過(guò)程[9]。

本文所研究的固體智能充填工序包括：感知?jiǎng)幼?、識(shí)別動(dòng)作和位態(tài)調(diào)整動(dòng)作，其中感知?jiǎng)幼靼▍?shù)的自主感知獲取，由傳感器等感知元件執(zhí)行；識(shí)別動(dòng)作包括數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)的分析處理，由控制程序執(zhí)行；位態(tài)調(diào)整動(dòng)作包括各典型非正常工況的解調(diào)，由處于相互影響的機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

1.2 固體智能充填工序流程

結(jié)合上述充填工序類(lèi)別，設(shè)計(jì)固體智能充填工序流程為：充填準(zhǔn)備時(shí)，通過(guò)第1次參數(shù)感知，主控系統(tǒng)對(duì)支架的工況形態(tài)進(jìn)行識(shí)別，若存在非正常工況影響支護(hù)，通過(guò)立柱和平衡油缸調(diào)整接頂接底狀態(tài)，推移千斤頂調(diào)整支架錯(cuò)位；通過(guò)第2次參數(shù)感知，主控系統(tǒng)對(duì)多孔底卸式刮板輸送機(jī)的工況形態(tài)進(jìn)行識(shí)別，若存在非正常工況，通過(guò)支架立柱和平衡油缸調(diào)整后頂梁平齊，通過(guò)調(diào)節(jié)滑移油缸避免咬合；卸料開(kāi)始前，通過(guò)第3次參數(shù)感知，識(shí)別是否存在機(jī)構(gòu)干涉，若夯實(shí)機(jī)構(gòu)與卸料口在縱向方向存在重合，影響卸料，通過(guò)擺角油缸調(diào)整夯實(shí)機(jī)構(gòu)的角度，通過(guò)滑移油缸調(diào)整多孔底卸式輸送機(jī)的橫向位置，若不存在機(jī)構(gòu)干涉則自動(dòng)打開(kāi)卸料口；卸料過(guò)程中，第4次參數(shù)感知，通過(guò)傳感器感知堆料高度，達(dá)到預(yù)設(shè)值后自動(dòng)關(guān)閉此卸料口，停止卸料；夯實(shí)作業(yè)前，第5次參數(shù)感知夯實(shí)機(jī)構(gòu)是否被散體充填材料掩埋，若存在則通過(guò)擺角油缸調(diào)高夯實(shí)機(jī)構(gòu)的角度；夯實(shí)作業(yè)過(guò)程中，夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出夯實(shí)頭，第6次參數(shù)感知，夯實(shí)機(jī)構(gòu)是否會(huì)與多孔底卸式輸送機(jī)存在干涉，若存在則考慮最優(yōu)解調(diào)路徑進(jìn)行解調(diào)；夯實(shí)結(jié)束后，夯實(shí)機(jī)構(gòu)縮回夯實(shí)頭，第7次參數(shù)感知機(jī)構(gòu)相互干涉；第8次參數(shù)感知，感知充填體接頂程度，重復(fù)上述循環(huán)作業(yè)。如此反復(fù)卸料、夯實(shí)2～3次，待夯實(shí)后的充填物料充分接頂，自動(dòng)關(guān)閉此卸料口，然后按既定的順序依次完成整個(gè)工作面的充填，具體充填工序流程如圖1所示。

圖1 充填工序流程Fig.1 Flow chart of backfilling process

2 充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)精準(zhǔn)表征及自主感知方法

2.1 工況表征內(nèi)涵及流程

近年來(lái)，隨著智能設(shè)備在各領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，“工況表征”作為機(jī)器視覺(jué)、信息加工、位態(tài)分析等技術(shù)的基礎(chǔ)，得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用。在礦業(yè)方面，智能化表征的研究與應(yīng)用初見(jiàn)成效，如基于機(jī)器視覺(jué)的礦物浮選技術(shù)[14]、基于位態(tài)表征的采煤機(jī)記憶切割技術(shù)[15]、基于控制程序的支架跟機(jī)支護(hù)技術(shù)[16]等。本文所研究的固體智能充填關(guān)鍵裝備表征指建立精確的數(shù)學(xué)模型和可觀測(cè)輸入輸出參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)反映分析裝備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及行為的方法，具體表征流程為：表征方法對(duì)比選取、數(shù)學(xué)模型建立轉(zhuǎn)換、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)描述、關(guān)鍵參數(shù)自主感知和位態(tài)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)表征。

2.2 表征方法對(duì)比選取

工況位態(tài)表征作為工況判別函數(shù)建立的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接決定了識(shí)別調(diào)控的應(yīng)用效果，而工況位態(tài)精準(zhǔn)表征的關(guān)鍵在于坐標(biāo)系的選取。目前，能夠準(zhǔn)確表征液壓支架結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)行為特征的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系、DH坐標(biāo)系等，針對(duì)不同坐標(biāo)系表征方法的詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同坐標(biāo)系表征方法對(duì)比Table 1 Comparison of characterization methods in different coordinate systems

綜合考慮各坐標(biāo)系表征方法的原理、參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用靈活性好、監(jiān)測(cè)參數(shù)較少、累計(jì)誤差較低、適用范圍更廣的MDH坐標(biāo)系進(jìn)行精準(zhǔn)表征。

由于充填支架屬于多自由度連桿構(gòu)件，當(dāng)支架作業(yè)時(shí)，立柱、四連桿和夯實(shí)機(jī)構(gòu)等均產(chǎn)生動(dòng)作，故在支架每個(gè)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上各固定一個(gè)MDH坐標(biāo)系，然后用變換矩陣描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，推導(dǎo)出末端執(zhí)行器相對(duì)于底座節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，從而建立類(lèi)似機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[17-18]。

其中，相鄰兩坐標(biāo)系變換矩陣i-1Ti的公式為

(1)

式中，θi為兩連桿間的角度；αi-1為Zi-1到Zi沿Xi的轉(zhuǎn)角；di為兩連桿間的偏置距離。

2.3 充填關(guān)鍵裝備模型建立及轉(zhuǎn)換

充填液壓支架作為充填關(guān)鍵裝備，由前后頂梁、底座、立柱、多孔底卸式輸送機(jī)、夯實(shí)機(jī)構(gòu)等多部分組成?；谏鲜鏊悸愤M(jìn)行充填關(guān)鍵裝備坐標(biāo)系模型建立，在支架底座節(jié)點(diǎn)T處，以沿工作面推進(jìn)方向、豎直方向、工作面面長(zhǎng)方向(簡(jiǎn)稱X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)建立絕對(duì)坐標(biāo)系{O}；以轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)A，B，C，R為節(jié)點(diǎn)建立MDH相對(duì)坐標(biāo)系，分別為{O1},{O2},{O3}及{O4}，如圖2所示(圖2中，η1為夯實(shí)機(jī)構(gòu)與水平面夾角，即夯實(shí)機(jī)構(gòu)傾角；η2為夯實(shí)機(jī)構(gòu)上FJ1與FJ的夾角)，所建MDH坐標(biāo)系參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 MDH參數(shù)Table 2 MDH parameters

圖2 充填支架坐標(biāo)系建立Fig.2 Coordinate system ofbackfilling hydraulic support

將上述參數(shù)代入式(1)，可得相鄰兩坐標(biāo)系的變換矩陣。{O1}相對(duì)于坐標(biāo)系{O}的變換矩陣0T1為

(2)

{O2}相對(duì)于坐標(biāo)系{O1}的變換矩陣1T2為

(3)

{O3}相對(duì)于坐標(biāo)系{O2}的變換矩陣2T3為

(4)

{O4}相對(duì)于坐標(biāo)系{O3}的變換矩陣3T4為

(5)

支架位姿變換可通過(guò)分析其繞X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分類(lèi)。因煤層傾向傾角發(fā)生變化或割煤不平整等原因，支架呈現(xiàn)左傾或右傾的工況，繞X軸的旋轉(zhuǎn)角變大，表現(xiàn)為存在橫滾角；因煤層傾向傾角發(fā)生變化或移架操作不當(dāng)?shù)仍颍Ъ艹尸F(xiàn)滑架歪斜(左右偏擺)的工況，繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角變大，表現(xiàn)為存在偏航角；因煤層走向傾角發(fā)生變化等原因，支架呈現(xiàn)前傾或后仰的工況，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角變大，表現(xiàn)為存在俯仰角。

考慮實(shí)際工況條件，割煤移架等操作的可控性強(qiáng)，煤層傾向傾角變化幅度通常較小，而煤層走向傾角最易發(fā)生變化，且呈現(xiàn)幅度大、間隔短的特點(diǎn)，故本文先解決首要矛盾，考慮支架各部分繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。故筆者主要研究支架位姿在X-O-Y平面內(nèi)的坐標(biāo)移動(dòng)及其各部分繞Z軸的俯仰角變化。后續(xù)會(huì)進(jìn)一步考慮支架繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)的位姿變換及多軸旋轉(zhuǎn)的疊加位姿。

利用變換矩陣可將MDH坐標(biāo)系中在X-O-Y平面內(nèi)的n節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為建立于T點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)系{O}中的坐標(biāo)：

(6)

0Ti=0T1×1T2×…×i-1Ti

(7)

式中，n為液壓支架上的節(jié)點(diǎn)；0Ti為坐標(biāo)系{Oi}基于初始坐標(biāo)系{O0}的變換矩陣；P(xA,yA，0)為A點(diǎn)在絕對(duì)坐標(biāo)系{O}中的坐標(biāo)。

2.4 充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)精準(zhǔn)表征方法

基于上述MDH坐標(biāo)系表征模型及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，充填關(guān)鍵裝備上各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在{O}中坐標(biāo)均可表示，即利用連桿長(zhǎng)度、旋轉(zhuǎn)角等一系列參數(shù)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在絕對(duì)坐標(biāo)系{O}中的位置進(jìn)行描述。因各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)表征方法相同，現(xiàn)以充填開(kāi)采液壓支架后立柱為例，對(duì)其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(點(diǎn)P、點(diǎn)Q)進(jìn)行表征，其他不做贅述，具體如下：

點(diǎn)P在{O}中的坐標(biāo)為(xP,yP,0)，根據(jù)式(6)，(7)可知

(8)

將式(2)～(5)代入(8)可得

(9)

點(diǎn)P在坐標(biāo)系{O4}中的坐標(biāo)為(lRP,0,0)，故式(9)可化簡(jiǎn)為

(10)

式中，xP為節(jié)點(diǎn)P在絕對(duì)坐標(biāo)系{O}中X軸上的分量；yP為節(jié)點(diǎn)P在坐標(biāo)系{O}中Y軸上的分量；lTA，lAB，lBC，lCR，lRP分別為機(jī)構(gòu)TA，AB，BC，CR，RP段的長(zhǎng)度；旋轉(zhuǎn)角θ1234=θ1+θ2+θ3+θ4，θ123=θ1+θ2+θ3，θ12=θ1+θ2，旋轉(zhuǎn)角θ1=π-α2；旋轉(zhuǎn)角θ2=π-β-γ；旋轉(zhuǎn)角θ3=π-α3+α4；旋轉(zhuǎn)角θ4=α4-α5；α1為底座傾角；α2為四連桿傾角；α3為四連桿傾角；α4為前頂梁傾角；α5為后頂梁傾角；參數(shù)β(圖2中線BB1與線BA1的夾角)、參數(shù)γ(圖2中線BA1與線BA的夾角)計(jì)算如式(11)，(12)所示。參數(shù)具體位置如圖2所示。

(11)

(12)

同理，點(diǎn)Q在{O}中的坐標(biāo)為

(13)

利用上述表征方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)充填開(kāi)采液壓支架前后立柱、前后頂梁、底座、多孔底卸式輸送機(jī)及夯實(shí)機(jī)構(gòu)上各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)表征，最終匯總形成一套基于MDH運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)精準(zhǔn)表征方法，為后續(xù)非正常工況位態(tài)識(shí)別調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

2.5 充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)自主感知方法

充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)自主感知是實(shí)現(xiàn)固體智能充填開(kāi)采的關(guān)鍵步驟，指通過(guò)大量的傳感器如行程傳感器、傾角傳感器、壓力傳感器等，獲取裝備靜態(tài)尺寸參數(shù)和充填工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝備的自我感知，建立虛擬工作面裝備的運(yùn)行情況。分析表征結(jié)果可知，為精準(zhǔn)表征支架的工況位態(tài)，除需明確所選充填支架的尺寸參數(shù)外，還需在底座LQ、連桿AB、連桿BC、前頂梁CR、后頂梁RD及夯實(shí)機(jī)構(gòu)FJ上安裝傾角傳感器，測(cè)各桿件的姿態(tài)角(分別記作α1，α2，α3，α4，α5及η1)；在連桿AB、連桿A1B1、連桿BC及夯實(shí)機(jī)構(gòu)FJ上安裝行程傳感器，測(cè)各桿件即油缸的行程(分別記作lAB，lA1B1，lBC及l(fā)FJ)；另外，還需布置相應(yīng)傳感器，對(duì)油缸壓力、落料高度、落料時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行感知。

3 充填液壓支架工況位態(tài)界定及自主識(shí)別調(diào)控

3.1 充填液壓支架典型工況位態(tài)界定

充填液壓支架的工況位態(tài)指在不同采礦地質(zhì)條件的影響下，支架上各個(gè)立柱、油缸有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)為行程和傾角的差異，因而呈現(xiàn)出不同的位姿。為掌握工況形態(tài)的調(diào)控目標(biāo)，將關(guān)鍵充填裝備工況位態(tài)，劃分為正常工況位態(tài)(簡(jiǎn)稱正常工況)與非正常工況位態(tài)(簡(jiǎn)稱非正常工況)兩大類(lèi)。充填液壓支架正常工況指充填支架自身保持良好支護(hù)承載及非干涉等狀態(tài)，反之若為偏載、端載等極限受載、機(jī)構(gòu)干涉等狀態(tài)則為非正常工況。本文以四柱正四連桿充填液壓支架為例，介紹其在X-O-Y平面內(nèi)的非正常工況形態(tài)類(lèi)別。

3.1.1 單架支護(hù)位姿

單架支護(hù)位姿可根據(jù)煤層傾角不同分為近水平采充、俯采仰充和仰采俯充3種狀態(tài)，不同狀態(tài)下的支架受煤層頂?shù)装遘浻?、起伏程度等影響，呈現(xiàn)出多種非正常工況。由于前文所建立的MDH坐標(biāo)系模型規(guī)定其X軸總為工作面推進(jìn)方向，即可忽略煤層傾角對(duì)表征結(jié)果的影響，故上述3種支架支護(hù)狀態(tài)的非正常工況表征結(jié)果相同。本節(jié)僅對(duì)近水平采充狀態(tài)下支架的非正常工況進(jìn)行分析研究，所得判別函數(shù)與解調(diào)路徑對(duì)不同支架狀態(tài)均成立。

在X-O-Y平面內(nèi)，近水平采充狀態(tài)的充填支架非正常支護(hù)位姿如圖3所示。如圖3(a)所示，充填支架后頂梁離頂、底座嵌底，呈現(xiàn)前傾的非正常工況；如圖3(b)所示，充填支架前頂梁離頂、底座離底，呈現(xiàn)后仰的非正常工況。

圖3 頂梁與底座非正常位姿Fig.3 Abnormal pose of top beam and base

3.1.2 鄰架支護(hù)位姿

在X-O-Y平面內(nèi)，由于相鄰支架動(dòng)作不同步或煤層走向傾角變化等，鄰架易出現(xiàn)沿X，Y軸的位置偏移或繞Z軸的角度偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)鄰架錯(cuò)位的非正常工況[19-20]，具體如圖4所示。

圖4 鄰架非正常位姿Fig.4 Abnormal pose of adjacent support

3.2 充填液壓支架工況判別函數(shù)

為準(zhǔn)確判別充填支架工況正常與否，設(shè)置支架姿態(tài)和工作阻力的雙重驗(yàn)證，在條件都滿足的情況下，可認(rèn)定為正常工況，否則為非正常工況。鄰架錯(cuò)位的非正常工況可通過(guò)比較兩支架同一點(diǎn)處的X,Y進(jìn)行判別，在此不做贅述。

3.2.1 姿態(tài)驗(yàn)證

(1)方法1：驗(yàn)證支架頂梁及底座上節(jié)點(diǎn)是否在同一水平高度，判別準(zhǔn)則為

(14)

(2)方法2：驗(yàn)證液壓支架立柱間的伸縮長(zhǎng)度比例，判別準(zhǔn)則為

(15)

式中，λ1為液壓支架立柱之間伸縮長(zhǎng)度的比例系數(shù)，由液壓支架自身參數(shù)決定，為一定值。

3.2.2 工作阻力驗(yàn)證

在立柱上安裝壓力傳感器，感知前后立柱工作阻力是否達(dá)到或超過(guò)額定工作阻力，判別準(zhǔn)則為

(16)

式中，Pq，Ph為支架前立柱和后立柱的實(shí)際油缸壓力，MPa；Pq0，Ph0分別為支架前立柱和后立柱的額定油缸壓力，可由壓力傳感器測(cè)得，MPa。

3.3 充填液壓支架非正常工況解調(diào)路徑分析

根據(jù)工況判別函數(shù)，支架非正常工況位態(tài)調(diào)整可轉(zhuǎn)換為立柱行程、支架中心距調(diào)節(jié)及油缸泵壓控制的問(wèn)題，故支架非正常支護(hù)位姿調(diào)控流程如圖5所示。單架非正常支護(hù)位姿調(diào)整后，鄰架錯(cuò)位的非正常工況即可通過(guò)推移千斤頂進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整。

圖5 支架非正常支護(hù)位姿調(diào)控流程Fig.5 Abnormal support posture adjustment process of the stent

4 多孔底卸式輸送機(jī)工況位態(tài)界定及自主識(shí)別調(diào)控

多孔底卸式輸送機(jī)橫向上懸掛于充填液壓支架后部，縱向上位于夯實(shí)區(qū)域頂部，由推移千斤頂控制滑移。在一個(gè)采煤充填循環(huán)中，多孔底卸式輸送機(jī)工況可分為3階段：① 移架前的采煤階段，輸送機(jī)穩(wěn)定；② 采煤結(jié)束，支架前移，輸送機(jī)彎曲階段；③ 移架后，輸送機(jī)卸料及夯實(shí)機(jī)構(gòu)搗實(shí)的充填階段。3個(gè)階段中輸送機(jī)工況既受推移千斤頂行程、支架拉移及升降等因素的影響，同時(shí)又影響著夯實(shí)機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)及伸縮，故對(duì)多孔底卸式輸送機(jī)進(jìn)行工況位態(tài)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)表征承上啟下，至關(guān)重要。

4.1 多孔底卸式輸送機(jī)典型工況位態(tài)界定

多孔底卸式輸送機(jī)正常工況是指其自身保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，可保障卸料、夯實(shí)等充填工序作業(yè)順利完成。但由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件差異，常會(huì)出現(xiàn)多孔底卸式輸送機(jī)與充填液壓支架在三維空間上的位姿未保持一致，沿X，Y，Z軸方向出現(xiàn)錯(cuò)位，呈現(xiàn)非正常工況，具體如下：

4.1.1 多孔底卸式輸送機(jī)咬合

多孔底卸式輸送機(jī)推移過(guò)程中，由于推移千斤頂行程差異，或在液壓支架拉架過(guò)程中，不同支架滑移行程不一致，導(dǎo)致多孔底卸式輸送機(jī)的中部槽之間的夾角超過(guò)許用轉(zhuǎn)角δ，多孔底卸式輸送機(jī)發(fā)生咬合，無(wú)法正常工作，如圖6所示。

圖6 多孔底卸式輸送機(jī)咬合Fig.6 Porous bottom discharge conveyor bite

4.1.2 多孔底卸式輸送機(jī)高低不平

當(dāng)后部采空區(qū)來(lái)壓時(shí)，由于后部充填體承載特性的差異，頂板下沉量不一致，相鄰支架后頂梁繞鉸接點(diǎn)發(fā)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，或相鄰支架間輸送機(jī)的懸掛高度不一致，導(dǎo)致輸送機(jī)高低不平，相鄰中部槽在豎直面上產(chǎn)生夾角ε，如圖7所示。

圖7 多孔底卸式輸送機(jī)高低不平Fig.7 Unevenness of the porous bottom discharge conveyor

4.1.3 多孔底卸式輸送機(jī)歪斜

當(dāng)工作面煤層傾角過(guò)大時(shí)，多孔底卸式輸送機(jī)在重力的作用下會(huì)繞懸掛鏈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，矸石等固體散體充填物料向一側(cè)歪斜，易出現(xiàn)漏料問(wèn)題，如圖8所示。

圖8 多孔底卸式輸送機(jī)歪斜Fig.8 Skewed perforated bottom discharge conveyor

4.2 多孔底卸式輸送機(jī)工況判別函數(shù)

多孔底卸式輸送機(jī)上述3種典型非正常工況中，輸送機(jī)高低不平及歪斜是由支架支護(hù)位姿及工作面傾角造成；而多孔底卸式輸送機(jī)咬合則是由滑移油缸工序執(zhí)行造成，可進(jìn)行調(diào)整。因此本節(jié)主要研究工作面近水平、支架支護(hù)狀態(tài)良好時(shí)，即輸送機(jī)高低一致時(shí)，如何避免多孔底卸式輸送機(jī)咬合。根據(jù)刮板輸送機(jī)橫向彎曲理論[21]，建立多孔底卸式輸送機(jī)為X-O-Z平面內(nèi)的二維數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證中部槽之間的夾角是否在允許范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖9 多孔底卸式輸送機(jī)模型示意Fig.9 Schematic diagram of the model of the porous bottom discharge conveyor

4.2.1 中部槽坐標(biāo)

假設(shè)中部槽為矩形，彎曲段中部槽之間的接觸形式為點(diǎn)接觸，則中部槽N右下點(diǎn)橫縱坐標(biāo)為

(17)

式中，δ為中部槽之間的轉(zhuǎn)角，從初始中部槽1到中部槽N之間的轉(zhuǎn)角依次為δ1，δ2，…，δN；中部槽與Z軸方向夾角依次為γ1，γ2，…，γN；a，b分別對(duì)應(yīng)中部槽的長(zhǎng)和寬。

4.2.2 多孔底卸式輸送機(jī)工況判別

多孔底卸式輸送機(jī)推移后，彎曲段中部槽N是否出現(xiàn)咬合工況，判別準(zhǔn)則為

(18)

式中，zmax，xmax為彎曲段最大允許推移長(zhǎng)度，為定值，可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，mm。

4.3 多孔底卸式輸送機(jī)非正常工況解調(diào)路徑分析

多孔底卸式輸送機(jī)非正常工況中輸送機(jī)歪斜主要由工作面傾角造成，難以通過(guò)人為調(diào)控進(jìn)行改善；輸送機(jī)高低不平可通過(guò)前期調(diào)整支架后頂梁高度來(lái)避免。故圖1中輸送機(jī)狀態(tài)識(shí)別Ⅱ主要對(duì)輸送機(jī)咬合工況進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)調(diào)整滑移油缸的滑移步距實(shí)現(xiàn)解調(diào)。為優(yōu)化調(diào)控，在多孔底卸式輸送機(jī)拉移的過(guò)程中，需要不斷基于標(biāo)準(zhǔn)滑移距，即支架推移步距(邢東礦為800 mm)，修正拉移距離，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)直，調(diào)控流程如圖10所示。

圖10 多孔底卸式輸送機(jī)非正常工況調(diào)控流程Fig.10 Control process of abnormal working condition of porous bottom discharge conveyor

5 機(jī)構(gòu)干涉工況位態(tài)界定及自主識(shí)別調(diào)控

5.1 機(jī)構(gòu)干涉工況位態(tài)界定

機(jī)構(gòu)干涉的工況位態(tài)指充填過(guò)程中，夯實(shí)機(jī)構(gòu)與多孔底卸式輸送機(jī)或充填料堆在空間上出現(xiàn)相互干涉的影響，導(dǎo)致充填工序無(wú)法正常進(jìn)行，發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉的典型工況有落料準(zhǔn)備干涉、落料完成干涉、夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出干涉、夯實(shí)機(jī)構(gòu)收回干涉等，具體工況狀態(tài)如圖11所示。

圖11 機(jī)構(gòu)干涉的典型工況Fig.11 Typical working conditions of mechanism interference

5.2 機(jī)構(gòu)干涉工況判別函數(shù)

目前針對(duì)機(jī)構(gòu)干涉的表征界定及判別解調(diào)已有一定的研究成果[9-10]，但現(xiàn)有方法中所需監(jiān)測(cè)參數(shù)較多且部分參數(shù)存在重復(fù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，筆者基于MDH運(yùn)動(dòng)學(xué)模型展開(kāi)，可減少現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)數(shù)量，簡(jiǎn)化判別函數(shù)的復(fù)雜程度。

5.2.1 落料準(zhǔn)備干涉

落料準(zhǔn)備時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)與多孔底卸式輸送機(jī)的卸料中心距J應(yīng)大于最小卸料中心距J0，保證充填材料不會(huì)下落到液壓支架支護(hù)空間內(nèi)，其判別準(zhǔn)則為

(19)

式中，xU，xV為圖2中MDH坐標(biāo)系下的多孔底卸式輸送機(jī)兩端點(diǎn)U，V的橫向坐標(biāo)；xJ1為圖2中MDH坐標(biāo)系下的夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)頭上端點(diǎn)J1的橫向坐標(biāo)。

5.2.2 落料完成干涉

落料完成后，夯實(shí)機(jī)構(gòu)豎直高度yJ1需大于充填材料堆積高度H0，判別準(zhǔn)則為

(20)

式中，yJ2為圖2中MDH坐標(biāo)系下的夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)頭下端點(diǎn)J2的縱向坐標(biāo)。

5.2.3 夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮干涉

(1)方法1：驗(yàn)證多孔底卸式輸送機(jī)卸料完成即所在位置不變時(shí)，夯實(shí)機(jī)構(gòu)上最易發(fā)生干涉的節(jié)點(diǎn)J1是否會(huì)與UV段發(fā)生重疊，判別準(zhǔn)則為

(21)

(2)方法2：部分架型中，夯實(shí)機(jī)構(gòu)是在斜拉油缸作用下繞鉸接點(diǎn)F轉(zhuǎn)動(dòng)，故可采用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，基于實(shí)際工程應(yīng)用條件及裝備結(jié)構(gòu)尺寸，針對(duì)不同工況參數(shù)條件(變動(dòng)夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)量L、多孔底卸式輸送機(jī)位置d、后頂梁旋轉(zhuǎn)下沉角θ等)，進(jìn)行鉸接點(diǎn)的動(dòng)態(tài)干涉臨界軌跡仿真。

現(xiàn)以河北邢東礦智能充填作業(yè)為研究對(duì)象，以2種工況為例進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12所示。

圖12 干涉臨界軌跡對(duì)應(yīng)Fig.12 Corresponding diagram of interference critical trajectory

在(L=3 600 mm，d=0，θ=0°)以及(L=4 100 mm，d=200 mm，θ=-2°)的工況下，夯實(shí)機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)干涉的臨界值分別為X=2 227 mm、X=2 476 mm，因此在對(duì)應(yīng)工況條件時(shí)，當(dāng)鉸接點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位置信息達(dá)到該臨界值時(shí)，應(yīng)立刻進(jìn)行調(diào)整。

基于上述鉸接點(diǎn)的動(dòng)態(tài)干涉臨界軌跡仿真方法，可歸集出完整的動(dòng)態(tài)軌跡參數(shù)特征矩陣群，通過(guò)匹配相應(yīng)工況參數(shù)，即可對(duì)干涉進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，判別準(zhǔn)則為

(22)

式中，xi為夯實(shí)機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)的X坐標(biāo)；xmax為該鉸接點(diǎn)在發(fā)生干涉情況下的臨界運(yùn)動(dòng)位置，mm。

5.3 機(jī)構(gòu)干涉最優(yōu)解調(diào)路徑分析

當(dāng)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)干涉時(shí)，主要有4種解調(diào)路徑(圖13)。

圖13 解調(diào)路徑示意Fig.13 Schematic diagram of demodulation path

針對(duì)落料準(zhǔn)備干涉，主要的解調(diào)路徑為路徑2,3和4；針對(duì)落料完成干涉，主要的解調(diào)路徑為路徑2和3；針對(duì)夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮干涉，主要的解調(diào)路徑為路徑2和3。

5.4 機(jī)構(gòu)干涉識(shí)別與控制

將所選支架的基礎(chǔ)尺寸參數(shù)、算法公式、判別函數(shù)和解調(diào)路徑等編入充填支架控制程序中，建立完整的MDH坐標(biāo)系表征模型。充填支架作業(yè)時(shí)，通過(guò)相應(yīng)傳感器對(duì)夯實(shí)機(jī)構(gòu)傾角及行程、后立柱行程、滑移油缸行程、后頂梁傾角、落料高度等充填工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自主感知，轉(zhuǎn)換并輸入控制程序?？刂瞥绦蛲ㄟ^(guò)運(yùn)算得出機(jī)構(gòu)干涉中各關(guān)鍵點(diǎn)U,V,J1,J2的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置，再通過(guò)機(jī)構(gòu)干涉判別函數(shù)進(jìn)行分析識(shí)別。當(dāng)達(dá)到機(jī)構(gòu)干涉臨界值時(shí)，控制程序分析選擇該條件下的最優(yōu)解調(diào)路徑，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電液閥驅(qū)動(dòng)器，調(diào)整電液控系統(tǒng)中不同功能的換向閥，完成夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮擺動(dòng)、多孔底卸式輸送機(jī)滑移等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)干涉的自主調(diào)控。

6 充填關(guān)鍵裝備自主識(shí)別調(diào)控應(yīng)用及效果分析

6.1 采礦地質(zhì)條件

以河北邢東礦固體智能充填工作面為例，該工作面采高為4.4 m，長(zhǎng)度58 m，煤層傾角為3°～12°。工作面充填關(guān)鍵裝備包括ZC5160/30/50D型四柱正四連桿充填液壓支架、SGZ730/132×2型多孔底卸式輸送機(jī)等。

6.2 充填關(guān)鍵裝備自主識(shí)別調(diào)控應(yīng)用

根據(jù)第2節(jié)提出的位態(tài)精準(zhǔn)表征及自主感知方法，基于充填裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)及實(shí)際工程條件，進(jìn)行MDH運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，如圖14所示。

圖14 ZC5160/30/50D型充填支架MDH模型Fig.14 MDH model of ZC5160/30/50D backfilling support

根據(jù)第3～5節(jié)內(nèi)容，對(duì)關(guān)鍵裝備實(shí)時(shí)工況位態(tài)進(jìn)行界定、判別及解調(diào)。以機(jī)構(gòu)干涉工況位態(tài)界定及自主識(shí)別調(diào)控為例，分析充填液壓支架機(jī)構(gòu)伸縮干涉的工況形態(tài)及解調(diào)方法。

根據(jù)第5.1節(jié)內(nèi)容分析，夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮干涉在智能充填工作面向前推進(jìn)的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)3個(gè)區(qū)域，產(chǎn)生了3組不同機(jī)構(gòu)工況形態(tài)，區(qū)域劃分如圖15所示。

圖15 固體智能充填工作面區(qū)域劃分Fig.15 Solid intelligent backfilling working face area division

區(qū)域1，液壓支架充分接頂接底，處于正常工況狀態(tài)；區(qū)域2，工作面仰采俯充，機(jī)構(gòu)干涉幾率減少；區(qū)域3，由于采場(chǎng)的頂板巖性較差，開(kāi)采過(guò)程中頂板破裂，支架后頂梁提前下沉，易出現(xiàn)機(jī)構(gòu)干涉現(xiàn)象。故根據(jù)2.5節(jié)內(nèi)容，借助行程傳感器、傾角傳感器等，對(duì)區(qū)域3內(nèi)裝備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自主感知，所得部分支架表征參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 支架表征參數(shù)Table 3 Support working condition characterization parameters

實(shí)測(cè)得區(qū)域3內(nèi)支架后頂梁提前下沉量約為50 cm，結(jié)合5.2節(jié)所述的仿真方法，為求解機(jī)構(gòu)伸縮干涉的最優(yōu)解調(diào)路徑(機(jī)構(gòu)干涉不發(fā)生且夯實(shí)頭達(dá)到最大推力)，采用控制變量法，分析支架后頂梁提前下沉量與夯實(shí)角(正常工況最大為38°)和夯實(shí)行程(最大為4 300 mm)的關(guān)系，優(yōu)先選擇路徑3，最大夯實(shí)行程下，限定夯實(shí)機(jī)構(gòu)擺角在32.2°以下，即可實(shí)現(xiàn)解調(diào)，如圖16所示。

圖16 后頂梁提前下沉對(duì)夯實(shí)機(jī)構(gòu)的影響Fig.16 Influence of the advance subsidence of the rear top beam on the compaction mechanism

6.3 充填關(guān)鍵裝備自主識(shí)別調(diào)控效果分析

針對(duì)該礦智能充填工作面的開(kāi)采條件，在充填循環(huán)工序(移架工序、卸料工序、夯實(shí)工序)中，若出現(xiàn)非正常工況需要調(diào)控，可認(rèn)為在一個(gè)整面完整工序循環(huán)時(shí)間基礎(chǔ)上增加整面支架的調(diào)控時(shí)間，其計(jì)算公式為

(23)

Tt=nfTr

(24)

其中，Tw為智能化整面支架調(diào)控時(shí)間，s；Tt為單架位態(tài)調(diào)控所需時(shí)間，s；Lwf為工作面支護(hù)長(zhǎng)度，58 m；A為支架中心距，1.5 m；Tr為油缸接續(xù)動(dòng)作時(shí)間，5 s；nf為夯實(shí)一次油缸動(dòng)作銜接次數(shù)，3次。計(jì)算得河北邢東礦固體智能充填工作面一個(gè)完整工序循環(huán)時(shí)間內(nèi)，單組充填裝備工況位態(tài)自主識(shí)別調(diào)控時(shí)間僅需9.6 mins，相比非固體智能充填人工調(diào)控時(shí)間減少10 mins，充填效率提高40%以上。

7 結(jié) 論

(1)研究了固體智能充填的工序類(lèi)別，構(gòu)建了以感知、識(shí)別為核心的固體智能充填的工序流程，基于MDH運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，提出了充填關(guān)鍵裝備工況位態(tài)精準(zhǔn)表征方法，明確了充填裝備所需自主感知的參數(shù)。

(2)以2種具體型號(hào)的關(guān)鍵充填裝備為例，針對(duì)充填液壓支架、多孔底卸式輸送機(jī)及機(jī)構(gòu)干涉的工況位態(tài)進(jìn)行界定，構(gòu)建了充填工序執(zhí)行過(guò)程中非正常工況的判別函數(shù)，分析了非正常工況解調(diào)方法。

(3)以河北邢東礦固體智能充填工作面為工程背景，應(yīng)用本文所建立的關(guān)鍵裝備工況位態(tài)表征及自主識(shí)別調(diào)控方法，大大提高了固體充填開(kāi)采的智能化程度及充填效率。

(4)需要說(shuō)明的是：固體充填裝備具有多種型號(hào)，各型號(hào)的結(jié)構(gòu)、尺寸及機(jī)構(gòu)間的相互配合關(guān)系均有所差異，本文所建立的工況位態(tài)表征及自主識(shí)別調(diào)控方法在應(yīng)用到具體型號(hào)的固體充填裝備時(shí)，需要對(duì)相關(guān)的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整。