礦井掘進(jìn)機(jī)綜采工作面智能橫擺控制技術(shù)研究

葛亞偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦， 山西 大同 037037）

引言

臂式掘進(jìn)機(jī)是一種組合式掘進(jìn)機(jī)，具有切割、裝載、運(yùn)輸、自行行走和噴霧除塵等功能。隨著實(shí)際工作面的綜合化和采煤機(jī)械化的快速發(fā)展，對(duì)煤礦掘進(jìn)速度的要求越來(lái)越高，因此臂式掘進(jìn)機(jī)橫擺速度的智能控制成為關(guān)鍵。橫擺運(yùn)動(dòng)作為掘進(jìn)機(jī)的主要工作形式，橫擺角的正確切割已逐漸成為研究的焦點(diǎn)?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真，可以根據(jù)掘進(jìn)機(jī)在各種條件下的橫擺智能控制來(lái)獲得最佳橫擺速度。它為掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能控制提供了一種有效的方法。通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)智能橫擺的控制，可以使掘進(jìn)機(jī)按照擬定的速度運(yùn)行，使其常態(tài)化地位于正確的掘進(jìn)軌道上，該技術(shù)的研究成果可為掘進(jìn)機(jī)的智能化研究方向提供指導(dǎo)。

1 EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)介

1.1 基本工況參數(shù)

以EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)作為目前煤礦企業(yè)常用的型號(hào)，具有適應(yīng)煤層地質(zhì)條件較廣、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)。該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的行走部件具有在多個(gè)方向上同時(shí)運(yùn)動(dòng)的特性，對(duì)各個(gè)零部件起到了連接和支撐的作用。該掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：最大掘進(jìn)高度為4.5 m、最大掘進(jìn)寬度為5.5 m、掘進(jìn)斷面形狀為任意尺寸、爬坡能力為15°、截割功率為155 kW、截割頭最大直徑為0.999 m、裝載形式為星輪式[1]。

1.2 橫擺機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)示意圖

圖1 中液壓組件A1B1和A2B2的原始長(zhǎng)度均為b，某一時(shí)刻截割頭擺動(dòng)角度為α，液壓桿伸出量x，則向右側(cè)擺動(dòng)時(shí)間t 后液壓組件A1C1，長(zhǎng)度為b+x，回轉(zhuǎn)臺(tái)中心到液壓桿回轉(zhuǎn)中心的距離OB1長(zhǎng)度為r，OB1與液壓組件A1B1所成的角度為δ1；回轉(zhuǎn)臺(tái)中心到液壓桿回轉(zhuǎn)中心的距離OB2長(zhǎng)度也為r，其與液壓組件A2B2所成的角度為δ2[2]。

2 掘進(jìn)機(jī)橫擺的工作原理

2.1 懸臂橫擺機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本原理

EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)的橫擺機(jī)構(gòu)由截割頭、懸臂、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)液壓缸組成。懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，可通過(guò)調(diào)整懸臂的空間位置，以及通過(guò)擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)液壓缸的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)水平面的倒轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)，以來(lái)改變截割部的位置，EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 EBZ152B 型掘進(jìn)機(jī)組成示意圖

2.2 橫擺速度對(duì)截割性能的影響

橫擺速度對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割性能有重要影響。以掘進(jìn)機(jī)截割頭為例，通過(guò)計(jì)算可以得出截割速度與最大截割面積、理論生產(chǎn)率、截割電機(jī)最大功率消耗、最大方正率、最大截割阻力及截割比能耗等技術(shù)參數(shù)。不同截割速度下截割厚度和截割阻力系數(shù)如下頁(yè)表1 所示。

表1 不同截割速度下截割厚度和截割阻力波動(dòng)系數(shù)表

由表1 可知，在掘進(jìn)機(jī)的工作過(guò)程中，切削厚度隨著橫擺速度的增加而增加，數(shù)據(jù)關(guān)系近似線性。在提高橫擺速度的過(guò)程中，隨著截齒切削厚度的增加，切削面積增大，切削形狀接近正方形。

隨著截割部的最大速率緩慢上升，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，隨著橫擺速度的增加而減小，當(dāng)橫擺速度大于1.4 m/min 時(shí)，下降趨勢(shì)加快，切削比能耗呈非線性遞減變化，遞減速率減小。因此在選擇切削電機(jī)功率時(shí)，根據(jù)表1 提供的切削性能信息，選擇一個(gè)既能滿足切削電機(jī)功率，又能使切削阻力波動(dòng)系數(shù)小、切削能耗小、方正率大、切削面積大的橫擺速度[3]。

3 橫擺角速度的最佳設(shè)計(jì)

由于掘進(jìn)機(jī)橫擺系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難以一種簡(jiǎn)單、直接的方式進(jìn)行研究。MATLAB 中的各種模塊庫(kù)可以用來(lái)解決多領(lǐng)域的聯(lián)合仿真和控制問(wèn)題。以某模型的實(shí)際工作為例，利用MATLAB 中的曲面擬合工具箱，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的曲面擬合模型對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行擬合，得到了橫擺速度、煤巖強(qiáng)度系數(shù)和切削深度的擬合曲面的二維投影面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橫擺速度、煤巖強(qiáng)度系數(shù)和切削深度的曲面擬合。如圖3 所示，水平坐標(biāo)系是截割頭角度，縱坐標(biāo)系是懸臂液壓桿長(zhǎng)度。

圖3 液壓桿伸出縮進(jìn)長(zhǎng)度與擺動(dòng)角度的關(guān)系曲線圖

根據(jù)曲線擬合分析，方程式為y=1.0039x2-0.0102x。最大橫擺速度方差值和最佳橫擺速度距離值僅為0.005 m/min，最大橫擺速度值和最佳橫擺速度值的可行邊界定義為γ（可行邊界等于最佳橫擺速度與最佳橫擺速度之差絕對(duì)值的比值)，當(dāng)可行邊界小于或等于1/1000 時(shí)，可以認(rèn)為橫擺速度能夠準(zhǔn)確地跟蹤最佳橫擺速度，驗(yàn)證了擬合模塊的精度[4]。

4 智能控制系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

4.1 智能控制框架

智能電機(jī)控制系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)集液壓、控制、電力電子系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域?yàn)橐惑w的綜合系統(tǒng)。它具有多變量、非線性、動(dòng)態(tài)和強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。由于掘進(jìn)機(jī)工作面條件復(fù)雜，為了提高工作效率，必須在掘進(jìn)機(jī)橫擺系統(tǒng)中引入一套智能速度控制系統(tǒng)，如圖4 所示，在掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)橫擺速度隨工作地質(zhì)條件變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖4 橫擺調(diào)整控制系統(tǒng)原理圖

4.2 基于PID 的智能控制

在臂式掘進(jìn)機(jī)的工作過(guò)程中，截割頭由截割馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，用截齒切割煤炭和巖石。通過(guò)旋轉(zhuǎn)和提升液壓缸驅(qū)動(dòng)的懸臂搖擺，實(shí)現(xiàn)任何位置切割。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，切割馬達(dá)處于恒功率狀態(tài)。在正常情況下，煤和巖石的切削阻力越大，切削扭矩需要越大，懸臂的橫擺速度越低[5]。

為了使掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)智能橫擺，需要對(duì)油泵電機(jī)進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)如圖5 所示。智能控制系統(tǒng)由檢測(cè)裝置、控制器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。檢測(cè)裝置是安裝在掘進(jìn)機(jī)截齒上的壓力傳感器，對(duì)截齒的壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾后由A/D 轉(zhuǎn)換器發(fā)送到控制器。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)控制油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的混頻器組成。該控制系統(tǒng)以PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法為基礎(chǔ)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊將控制參數(shù)傳遞給混頻器，使油泵電機(jī)在合適的轉(zhuǎn)速下工作。同時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削齒輪的壓力狀態(tài)，根據(jù)工況變化調(diào)整刀具速度，保證掘進(jìn)機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 橫擺智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

4.3 智能速度控制系統(tǒng)的仿真應(yīng)用

在掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中，煤巖的切削深度和巖石強(qiáng)度系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，切削深度和巖石強(qiáng)度系數(shù)在一定條件下保持不變。但由于煤層和煤矸石的夾雜，會(huì)使煤巖這一重要切削參數(shù)的強(qiáng)度系數(shù)發(fā)生突變，導(dǎo)致切削力大小的變化，進(jìn)而影響掘進(jìn)機(jī)的工作條件。取強(qiáng)度系數(shù)為0.8，厚度為6 m 的條件，以準(zhǔn)確反映煤巖固體系數(shù)變化對(duì)整個(gè)智能調(diào)速系統(tǒng)的影響。仿真參數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合模型擬合，使用計(jì)算出的掘進(jìn)機(jī)最佳橫擺速度，隨著煤巖固體系數(shù)的變化，橫擺速度可以快速達(dá)到最佳橫擺速度。

為了充分反映掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中截割參數(shù)的變化，對(duì)截割深度進(jìn)行了仿真，仿真曲線如圖6 所示。當(dāng)巖石強(qiáng)度系數(shù)和煤層深度同時(shí)改變時(shí)，橫擺速度曲線如圖7 所示。從圖7 中可以看出，該智能調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨地質(zhì)條件的變化而調(diào)整橫擺速度的目的，為掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能控制提供了重要參考。

圖6 常規(guī)橫擺速度曲線示意圖

圖7 智能控制后橫擺速度曲線示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曲面擬合技術(shù)建立的掘進(jìn)機(jī)最佳橫擺速度產(chǎn)生模塊，得到了最佳橫擺速度，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)地質(zhì)條件的變化智能化調(diào)整橫擺速度的目的。通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī)的仿真分析，發(fā)現(xiàn)橫擺速度和最佳橫擺速度的最大殘差值僅為0.005 m/min，實(shí)現(xiàn)了橫擺速度對(duì)最佳橫擺速度的精確跟蹤，研究成果對(duì)煤礦自動(dòng)化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。