掘進機搖臂智能控制系統的研究及應用

周小銅

（太原煤氣化（集團）有限責任公司爐峪口煤礦， 山西 太原 030203）

引言

隨著綜采技術的不斷提高，煤礦井下掘進機截割效率和截割穩定性成為了限制綜采效率進一步提升的瓶頸。掘進機在截割作業過程中依靠人工控制搖臂上截割機構的截割狀態，同時根據經驗判斷掘進機的進給作業速度，由于井下能見度較低，工人在長時間進機工作后極易出現判斷失誤，影響掘進作業的質量，而且還極易出現截割機構的觸頂損壞事故、截割成型質量差等，給煤礦井下的綜采作業安全和效率均造成了較大的影響[1]。因此，本文研究一種新的掘進機截割機構自動控制系統。

1 掘進機搖臂智能控制系統結構

針對現有掘進機搖臂控制系統所存在的缺陷，本文提出了一種新的掘進機搖臂智能控制系統，該控制系統采用了上位機和下位機聯動通信控制模式，實現了對掘進機截割作業的智能控制，該掘進機搖臂智能控制系統整體結構如圖1 所示[2]。

該掘進機搖臂控制系統主要包括監測模塊、控制模塊和執行模塊，監測模塊主要包括系統內的各類位移傳感器、電流傳感器、速度傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等，用于對掘進機掘進作業過程中搖臂偏轉角度、執行油缸伸縮量、驅動電機工作電流、截割滾筒的截割轉速等進行實時監測，然后根據系統內所設定的截割機構空間位置與回轉角度、油缸伸縮量，驅動電機電流與截割阻力等之間的關系[3]計算出掘進機搖臂截割作業時的截割路徑、截割阻力，根據截割路徑判斷掘進機的巷道截割質量是否滿足系統的預設要求，結合監測結果和實際測量結果不斷地對截割路徑進行修正，從而確保巷道的截割質量。通過對截割阻力的判斷，系統自動對掘進機的截割轉速和進給速度進行調整，在確保截割穩定性的情況下提升巷道的掘進速度。該智能控制系統的突出優點還在于具有記憶截割功能，可以滿足在較復雜地形條件下的截割作業需求，降低人工工作量，提高掘進作業的質量和效率。

圖1 掘進機搖臂截割控制系統結構示意圖

2 掘進機搖臂智能截割控制邏輯

該掘進機搖臂控制系統利用液壓機構驅動控制搖臂升降和回轉臺旋轉的執行油缸來實現對掘進機搖臂工作狀態的控制，當掘進機的搖臂執行自主智能控制截割時，重點是對掘進過程中搖臂回轉時機、回轉角度、搖臂的升降高度、流量控制等進行調整，最終實現對搖臂掘進機構截割路徑的精確控制，滿足巷道掘進質量要求，該自動截割控制邏輯如下頁圖2 所示[4]。

圖2 掘進機自動截割控制邏輯示意圖

在該自動截割控制系統中，系統根據預設邏輯，判斷出截割機構接下來的運行軌跡后，將搖臂回轉機構、搖臂升降機構、流量情況等數據信息通過比例放大器轉換為控制電信號，實現對各控制數據量的實時控制，同時當監測系統將監測結果反饋給控制中心后，控制中心自動對各監測參數的偏差情況進行計算，并輸出模擬量調節信號，經過比例放大后實現對控制機構的閉環調節，滿足在不同情況下的動態調節控制要求，根據實際測算，采用該控制邏輯后對巷道截割精度小于10 mm，比優化前的90 mm 的掘進精度有了顯著的提升。

3 搖臂智能控制系統應用效果

為了對該搖臂控制系統作用下，掘進機截割機構的截割性能進行分析，本文建立了掘進機搖臂智能控制系統模擬實驗平臺[5]，對掘進機搖臂在智能截割控制模式和傳統人工截割控制模式下的效果進行分析，將巷道成型精度、掘進機的掘進截割效率進行對比分析，掘進作業時的巷道寬度為5 500 mm，高度為6 300 mm，巷道界面為近似拱形截面。

由實際對比分析可知，采用人工調節控制模式下，人工的每一次調節均會對掘進機截割機構的截割路徑產生較大的影響，使其出現明顯的偏離和波動，當采用智能截割控制模式時，掘進機的截割機構基本上是沿著設定的拋物線的截割軌跡進行截割作業，整個截割作業過程中表現出了極高的穩定性。同時根據對完成一次截割作業所需時間對比，人工截割控制耗時約25 min，采用智能控制截割時，時間約為14.6 min，比優化前降低了41.6%，極大地提升了巷道掘進質量和效率。

4 結論

1）新的掘進機搖臂智能控制系統，采用了上位機和下位機聯動通信控制模式，分為監測模塊、控制模塊和執行模塊；

2）新的控制系統，能夠將巷道成型精度由最初的90 mm，提升到10 mm，顯著提升巷道成型精度；

3）采用新的控制系統，巷道截割作業過程中穩定性高，巷道成型質量好，而且成型時間比人工控制提升了41.6%。