礦井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的仿真分析

秦會軍

（晉城市無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司成莊礦安檢部， 山西 晉城 048021）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦生產(chǎn)建設(shè)過程中必不可少的重要裝備，提高其自動(dòng)化水平能夠在很大程度上提升整個(gè)煤礦的自動(dòng)化程度，這同時(shí)也符合其自身智能化與信息化的發(fā)展方向。本文對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與軟件仿真，并試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析理論值可滿足誤差要求。

1 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的數(shù)學(xué)建模分析

首先依據(jù)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性將其行走部分、回轉(zhuǎn)部分、機(jī)身部分、懸臂部分與截割頭之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡化成多處轉(zhuǎn)動(dòng)與平移兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)[1]，再建立截割頭與其他部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。將掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)分解為回轉(zhuǎn)臺在水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)、懸臂在豎直面的轉(zhuǎn)動(dòng)與截割頭在懸臂方向的平移運(yùn)動(dòng)等。依據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立圖1 所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，其中，OXYZ坐標(biāo)是測繪的絕對坐標(biāo)系，OcXcYcZc是用于巷道檢測與掘進(jìn)機(jī)自身姿態(tài)的測量坐標(biāo)系，OhXhYhZh是工作面坐標(biāo)系，OiXiYiZi是掘進(jìn)機(jī)各個(gè)相對運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)系。當(dāng)坐標(biāo)系OcXcYcZc中的Zc垂直于頂板，Xc軸垂直于工作面且與巷道中心線重合，平面XcOcYc與底板面重合時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)為最優(yōu)狀態(tài)。掘進(jìn)機(jī)工作過程中的姿態(tài)可簡化為以下5 個(gè)參數(shù)：偏航角α 與偏航距離A共同反映了掘進(jìn)機(jī)與中心線的偏移量，俯仰角β 決定了截割點(diǎn)與頂板、底板之間的距離，橫滾角γ 與車前距L[2]。進(jìn)一步假定偏航角α 與俯仰角β 均為0，即掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中心線重合。掘進(jìn)機(jī)截割的自動(dòng)化研究主要包含正向與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面。其中正向運(yùn)動(dòng)學(xué)研究主要是指在連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)參數(shù)已知的情況下求解截割頭空間位置的研究，一般采取D-H 法來求解；逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)研究對于截割頭空間位置的控制問題，即對于截割頭運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃問題，一般采用解析法與逆解法進(jìn)行求解。

圖1 掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖

2 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的仿真分析

掘進(jìn)機(jī)在一定姿態(tài)下的截割位置變化是經(jīng)由懸臂在水平與豎直方向的位移來確認(rèn)的，同時(shí)，由其所采取的截割工藝所決定，其截割軌跡一般都是規(guī)則的圓弧運(yùn)動(dòng)。因此需要對掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)相對運(yùn)動(dòng)部件通過其相對運(yùn)動(dòng)的角度與速度進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)截割軌跡的規(guī)劃與自動(dòng)控制。截割面的斷面形狀是由截割頭的外形與運(yùn)動(dòng)軌跡所形成，在對斷面形狀進(jìn)行研究時(shí)必須特別注意運(yùn)動(dòng)軌跡在極限位置的拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)坐標(biāo)的精確度在很大程度上決定了斷面形狀的質(zhì)量好壞[3]。

以EBZ260H 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為仿真與試驗(yàn)機(jī)型，先將其結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)等相關(guān)參數(shù)輸入Matlab中，再仿真其截割頭自底部向頂部沿S 形路徑進(jìn)行截割作業(yè)，設(shè)定其理論截割斷面的投影區(qū)域?yàn)? m×3.5 m，如下頁圖2-1 所示；仿真求得實(shí)際截割斷面的投影區(qū)域?yàn)?.473 m×4.267 m，如下頁圖2-2 所示；斷面實(shí)際形狀如下頁圖3 所示。上述結(jié)果將截割頭的路徑進(jìn)行了直觀展示，對比實(shí)際截割面的數(shù)值可知，其與掘進(jìn)機(jī)說明書所述參數(shù)相符，這就從理論上驗(yàn)證了前述數(shù)學(xué)建模與控制方式的正確性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)工作面的截割斷面大小4.5 m×4 m，將EBZ260H 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)步距設(shè)置為0.6 m，路徑設(shè)置為自底部向頂部沿S 形進(jìn)行截割作業(yè)。巷道中心線設(shè)置在截割面中心，與兩幫距離均為2.25 m，截割作業(yè)過程中始終保持掘進(jìn)機(jī)鏟板的中心線與巷道中心線重合。最后，將重錘懸掛在截割頭的中心處用于測量每次截割頭運(yùn)動(dòng)到左右兩幫極限位置時(shí)截割面的寬度與高度尺寸。

將試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)記錄（見表1），其中截割斷面的左幫最大偏差為0.035 m，截割斷面的右?guī)妥畲笃顬?.034 m。上述誤差符合《煤礦井巷工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 截割頭規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡對比

4 結(jié)論

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)化、智能化發(fā)展趨勢中面臨諸多困難，本文首先建立了其姿態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)；再對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與仿真分析，二者結(jié)果相符；最后以EBZ260H 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例進(jìn)行實(shí)際掘進(jìn)工作，獲取實(shí)踐數(shù)值。實(shí)際值與理論值對比，其兩幫的幫距誤差完全滿足煤礦礦井建設(shè)的相關(guān)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，證明本文所建立的姿態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際軌跡規(guī)劃是完全可行的。

圖3 掘進(jìn)截割面極限位置仿真示意圖

表1 截割面斷面幫距數(shù)據(jù)對比表 m