礦用液壓式履帶底盤(pán)糾偏系統(tǒng)研究與應(yīng)用

殷世鋒，鈔希林，劉 偉，劉云飛，劉小飛，楊 濤，劉 磐，王 琦

(1.國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司青龍寺煤礦分公司，陜西省榆林市，719400；2.中煤科工機(jī)器人科技有限公司，廣東省深圳市，518057)

0 引言

礦用液壓式履帶底盤(pán)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“履帶底盤(pán)”)是煤礦重型移動(dòng)裝備的重要組成部分[1-3]，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、地面通過(guò)性良好、便于操作、防爆設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦重型裝備中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

煤礦井下作業(yè)工況復(fù)雜，低照度、空間狹窄、地面凹凸不平等非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景特征，以及履帶鏈磨損、行走機(jī)構(gòu)安裝偏斜等重載履帶底盤(pán)自身原因，極易出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，因此現(xiàn)有液壓式履帶移動(dòng)裝備通常采用人工直接作業(yè)。然而，隨著近年來(lái)國(guó)家智慧礦山建設(shè)的飛速發(fā)展，輔助作業(yè)類(lèi)煤礦機(jī)器人已逐漸成為煤礦智能化建設(shè)的重點(diǎn)，這必然要求承載機(jī)器人本體的重載履帶底盤(pán)具有較高的行駛穩(wěn)定性及行駛方向的正確性[7-10]。

基于此，為踐行國(guó)家政策和行業(yè)需求，結(jié)合履帶底盤(pán)在巷道中的行駛工況，針對(duì)現(xiàn)有液壓式履帶底盤(pán)普遍存在的跑偏問(wèn)題，筆者提出一種實(shí)時(shí)糾偏控制系統(tǒng)，采用超聲波測(cè)距方式自動(dòng)糾正其行駛方向，避免由于履帶底盤(pán)跑偏造成的作業(yè)失誤甚至碰壁事故，實(shí)現(xiàn)作業(yè)設(shè)備的智能化。

1 履帶底盤(pán)跑偏原因分析

跑偏是履帶底盤(pán)行駛作業(yè)中常見(jiàn)的故障，即由于各種原因，履帶底盤(pán)的運(yùn)行偏離了目標(biāo)方向[11-13]。跑偏會(huì)使履帶底盤(pán)所搭載的作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)作業(yè)偏差，從而影響作業(yè)質(zhì)量，尤其對(duì)于在狹窄巷道中的作業(yè)裝備，其履帶底盤(pán)跑偏極易造成車(chē)體與巷道墻壁發(fā)生碰撞，造成巷道安全隱患，甚至引發(fā)安全事故。

履帶底盤(pán)的跑偏量反映了其控制系統(tǒng)的技術(shù)水平，履帶底盤(pán)出現(xiàn)跑偏主要有以下幾種原因。

(1)左右兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不能保持完全一致，導(dǎo)致履帶兩側(cè)傳動(dòng)速度不等，繼而出現(xiàn)跑偏。

(2)液壓式履帶底盤(pán)行駛或作業(yè)時(shí)，兩側(cè)履帶板接觸的地面狀態(tài)不同，造成兩側(cè)滑轉(zhuǎn)率不同，繼而出現(xiàn)跑偏。

(3)液壓式履帶底盤(pán)左右驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的內(nèi)泄超過(guò)電氣系統(tǒng)的可調(diào)量，左右驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的供油量不同導(dǎo)致履帶底盤(pán)跑偏。

(4)履帶底盤(pán)長(zhǎng)時(shí)間使用的磨損，使得零部件變形、調(diào)整間隙變大，兩側(cè)履帶不再?lài)?yán)格保證平行狀態(tài)，導(dǎo)致履帶底盤(pán)跑偏。

2 履帶底盤(pán)糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 糾偏系統(tǒng)搭建

為驗(yàn)證履帶糾偏系統(tǒng)的可行性與使用效果，模擬作業(yè)類(lèi)煤礦機(jī)器人通用重載履帶底盤(pán)，搭建了相關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由液壓履帶、承載車(chē)架、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成，左右側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪各由一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)馬達(dá)由2個(gè)比例閥控制其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，基于差速工作原理獨(dú)立調(diào)整履帶行走機(jī)構(gòu)的總成轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)履帶底盤(pán)的直行、轉(zhuǎn)彎、后退等基本行走功能；電控系統(tǒng)采用全防爆設(shè)計(jì)，內(nèi)部安裝主控制器、多傳感器數(shù)據(jù)采集卡、供電單元等；液壓系統(tǒng)內(nèi)部安裝比例電磁閥、節(jié)流閥、減壓閥等多路液壓閥組，用于實(shí)現(xiàn)履帶底盤(pán)的液壓伺服控制。履帶底盤(pán)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-防爆電控箱；2-液壓閥組；3-液壓油箱；4-液壓動(dòng)力源；5-超聲波測(cè)距傳感器；6-承載車(chē)架；7-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；8-液壓履帶。

作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架，承載車(chē)架采用Q235A材質(zhì)的冷彎空心鋼J80 mm×40 mm(GB/T 6728-2002)，型鋼上焊接各個(gè)模塊安裝板，并制作全螺紋螺栓通孔，用于固定安裝。為保證承載車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性，利用Solid Works軟件中的Simulation技術(shù)，建立履帶底盤(pán)參數(shù)化模型，并對(duì)承載車(chē)架進(jìn)行受力分析。筆者設(shè)計(jì)履帶底盤(pán)平臺(tái)的自身重量為200 kg，防爆電控箱、液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等其余模塊的重量見(jiàn)表1。

表1 承載車(chē)架上各模塊重量

將上述載荷加載到承載車(chē)架上，由于承載車(chē)架采用大平面式結(jié)構(gòu)，且所受載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于型鋼的屈服應(yīng)力，仿真重點(diǎn)在于分析車(chē)架承載平臺(tái)的變形情況，承載車(chē)架變形和位移分布如圖2所示。

圖2 承載車(chē)架變形和位移分布

仿真結(jié)果顯示，車(chē)架變形最大處位于車(chē)架尾部2個(gè)角點(diǎn)，此處距離中心力矩最大，符合理論力學(xué)經(jīng)驗(yàn)判斷，最大變形位移值為1.7 mm，滿(mǎn)足剛度需求。

超聲波測(cè)距傳感器是糾偏系統(tǒng)的重要感知單元，通過(guò)在承載車(chē)架平臺(tái)上安裝超聲波測(cè)距傳感器對(duì)巷道兩側(cè)墻壁進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，并獲取實(shí)時(shí)偏移角度，從而為糾偏控制提供感知信息輸入。超聲波傳感器具體布置以履帶底盤(pán)中心線(xiàn)為基準(zhǔn)，左右對(duì)稱(chēng)放置，總計(jì)6個(gè)傳感器，并進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，方便后續(xù)算法原理描述。超聲波測(cè)距傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：探測(cè)范圍為0.01～3 m、接口形式可選RS485/I2C/TTL、工作溫度為-30～85 ℃、輸出信號(hào)為數(shù)字量距離信號(hào)、工作電壓為3～5.5 V、通信速率為50～100 kbit/s。超聲波傳感器布置位置如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器布置位置

2.2 履帶糾偏控制原理及實(shí)現(xiàn)方法

為滿(mǎn)足糾偏系統(tǒng)的功能需求，采用西門(mén)子公司的S7-1200PLC為控制核心。上位機(jī)界面采用遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通訊方式，將控制指令發(fā)送給主控制單元，PLC控制器依據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及傳感器反饋的信號(hào)，調(diào)整PWM占空比輸出給液壓閥組，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制。糾偏系統(tǒng)控制原理如圖4所示。

圖4 糾偏系統(tǒng)控制原理

由圖4可以看出，超聲波測(cè)距傳感器采用RS485通訊，將傳感器信息實(shí)時(shí)上傳至PLC控制器。PLC控制器將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到履帶底盤(pán)的實(shí)時(shí)偏移量，當(dāng)偏移量滿(mǎn)足糾偏系統(tǒng)觸發(fā)值時(shí)，將觸發(fā)糾偏控制，完成糾偏操作。

糾偏原理及實(shí)現(xiàn)方法為：超聲波傳感器1～6實(shí)時(shí)采集到其距離巷道墻面的距離為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5、L6，履帶底盤(pán)實(shí)時(shí)偏移量采集原理如圖5所示。

圖5 履帶底盤(pán)實(shí)時(shí)偏移量采集原理

比較L1和L2 、L2和L3、L4和L5、L5和L6 這4組距離數(shù)據(jù)，當(dāng)L1>L2、L2>L3、L4L5、L5>L6這4個(gè)判斷條件滿(mǎn)足其中3條時(shí)，判定履帶底盤(pán)行駛方向左偏移。

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，計(jì)算獲得α1、α2、α3、α4、α5、α6這6個(gè)偏移角度見(jiàn)式(1)～式(6)：

圖6 糾偏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

3 驗(yàn)證測(cè)試與結(jié)果分析

搭建模擬巷道環(huán)境對(duì)液壓式履帶底盤(pán)糾偏系統(tǒng)的糾偏效果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用的平直巷道寬度為6 m、墻壁高度為1.5 m、長(zhǎng)度為35 m，巷道地面平整。人工遙控履帶底盤(pán)在模擬巷道中沿巷道中線(xiàn)直線(xiàn)行駛，每前進(jìn)1 m測(cè)試1次履帶底盤(pán)的偏移角度和偏移距離，一共行駛30 m，測(cè)得30組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成折線(xiàn)圖，記錄履帶底盤(pán)行駛過(guò)程中的每米偏移角度和每米偏移距離。履帶底盤(pán)偏移角度記錄如圖7所示，履帶底盤(pán)偏移距離記錄如圖8所示。

圖7 履帶底盤(pán)偏移角度

圖8 履帶底盤(pán)偏移距離

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，履帶底盤(pán)在偏移角度達(dá)到5 °時(shí)糾偏程序開(kāi)始啟動(dòng)，保證履帶底盤(pán)沿巷道中線(xiàn)小幅度蛇形前進(jìn)。整個(gè)行駛過(guò)程履帶底盤(pán)偏移角度范圍為-5.5 °～6 °，偏移距離最大值為23.5 cm，糾偏控制效果良好，能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求。

2023年12月，基于礦用液壓式履帶底盤(pán)糾偏系統(tǒng)在國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司青龍寺煤礦分公司智能化建設(shè)中得到了實(shí)際應(yīng)用，采用該糾偏控制方法，使得噴漿機(jī)器人的自主移動(dòng)定位精度最大偏差在25 cm，自主運(yùn)行穩(wěn)定可靠；同時(shí)，與噴漿機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了隨走隨噴的作業(yè)工藝流程，保證了噴漿一致性，降低了噴漿回彈率。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)礦用液壓式履帶底盤(pán)在煤礦井下狹窄巷道中行駛存在的跑偏現(xiàn)象，提出了一種糾偏控制系統(tǒng)及方法，可糾正履帶底盤(pán)在遠(yuǎn)程遙控直行過(guò)程中的跑偏故障。

(2)研制通用液壓履帶底盤(pán)硬件系統(tǒng)，作為糾偏控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，能遠(yuǎn)程接受遙控指令自動(dòng)完成啟/停、前進(jìn)/后退、轉(zhuǎn)彎等基本動(dòng)作。

(3)經(jīng)平整地面的平直巷道環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)證明，糾偏控制系統(tǒng)可控制液壓式履帶底盤(pán)的偏移角度范圍為-5.5 °～6 °，偏移距離最大不超過(guò)23.5 cm。