井下掘進機自動糾偏技術控制要點

王振華

摘 要：目前，懸臂式掘進機廣泛應用于我國煤礦井下生產，是大型煤炭生產的重要設備，主要用于采掘工作面布置。在掘進機掘進作業的工程中不可避免的出現偏離巷道中心線，造成切割斷面的超挖和欠挖，井下掘進機自動糾偏技術的應用可有效避免此類問題。本文在全面掌握井下掘進機自動糾偏技術相關概述和意義的前提下，對井下掘進機位姿信息的檢測和控制要點進行了探討。

關鍵詞：掘進機;自動糾偏;控制要點;應用意義

地下采煤作業是在一個十分狹小的空間范圍內進行的，由于井下巷道施工過程粉塵大、工期長、不穩定因素多，因此，客觀環境條件極大地限制了人工作業。為提高巷道掘進的速度和質量，確保煤礦開采作業的正常進行，就必須加強自動化控制技術的應用，加快掘進機的自動化改造，用機械自動化操作來替代人工操作，從而充分發揮采煤機電設備的優勢。懸臂式掘進機是井下綜掘工作面的核心設備之一，主要用于巷道成形。面對當前國內外煤炭領域無人采掘裝備機器人化的發展趨勢，掘進機現場作業的少人化和智能化發展受到各生產研發、應用和研究單位的普遍重視。機器人化掘進的實現需落實掘進機的位姿檢測、自主糾偏、遠程控制與自主截割等環節。其中，基于位姿信息的行進糾偏是保證巷道截割質量的重要前提。

1 井下掘進機自動糾偏技術的概述

掘進機相對巷道中心自動糾偏就是掘進機在截割落煤、裝煤、運煤后進行下一自動截割之前依靠掘進機的左右履帶行走速度的變化及向前、向后的調整進行調整掘進機中心線與巷道中心線的相對位置，保證掘進機在自動截割時掘進機中心線與巷道中心線接近一致，從而保證掘進機截割頭在截割時左右截割的距離一致，控制掘進機沿著巷道中心線沿直線前進，保證巷道的走向。

2 井下掘進機自動糾偏技術的應用意義

傳統上，掘進機行走作業主要利用手動方式進行糾偏操作業，掘進機操作人員均是通過手動調節掘進機左右行走液壓馬達的方式實現糾偏作業，將掘進機的位姿調整為預定值。手動糾偏作業存在著勞動強度大、作業環境惡劣以及地質構造差異與作業人員技術水平不同導致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自動糾偏技術能夠讓操作人員實現對掘進機糾偏作業的遠程操作，不需要在進入到工作環境惡劣的第一線。掘進機采用自動糾偏技術具有三點重要意義：

1）自動化糾偏技術實現了操作人員對掘進機的遠程化操控，有利于實現少人/無人化的掘進機操作模式;借助于計算機的高速邏輯處理能力，掘進機的工作效率也獲得了大幅度的提升，防止了因為地質構造問題、操作人員水平因素造成的巷道成型不規范的問題。

2）我國的采煤作業主要是在井下進行的，因此，掘進機在采煤作業的巷道掘進方面有著重要的、不可替代的作用。自動化糾偏技術對于提高我國煤炭掘進機的自動化水平具有重要意義;

3）自動化糾偏技術能夠有效改善工人的工作環境，降低工人的勞動強度，特別在煤與瓦斯突出的礦井，該技術的應用對安全快速高效掘進具有重要意義。

3 井下掘進機位姿信息的檢測分析

掘進機不論是行走過程中還是在斷面截割作業過程中，掘進機的中心軸線均不可避免地與巷道中心線出現相互偏離的問題。懸臂式掘進機的位姿信息除了包括三維空間坐標之外，還應該包括掘進機的位姿信息。

懸臂式掘進機的工作環境的照明嚴重不足、作業環境十分惡劣，如果想要對掘進機的位姿信息進行精確地檢測，則具有很大的難度。并且在航道內部，不能夠使用GPS（全球定位系統），并作業環境的粉塵數量巨大，無法直接運用視覺導航設備，所以激光指向儀便成為掘進機進行掘進作業方向指引的重要的設備。有效的測量方案是自動化掘進作業的關鍵保障，利用該測量方案測算獲得掘進機的位姿信息。掘進機在采用激光指向儀時常常根據激光指向儀的指定方向沿著頂板或者底板向前進，所以，懸臂式掘進機的自動化糾偏不需要控制其三圍空間信息坐標。由此我們知道，懸臂式掘進機的位姿信息是進行自動化糾偏的重點和難點。

由于掘進機的位姿檢測直接決定了自動化糾偏效果和巷道成型質量，為了獲得更加精確的位姿參數，本文以綜合采用超聲波測距傳感器（三個）和雙軸傾角傳感器（一個）并結合相應的解算方法來獲取掘進機的位姿信息。其中，超聲波測距傳感器負責探測懸臂式掘進機的方位角ɑ和中心偏距a;雙軸傾角傳感器負責探測懸臂式掘進機的俯仰角β以及懸臂式掘進機的橫滾角γ;而后結合解算獲得相應信息。獲得所需信息之后，便能夠掌握參考位姿與實際位姿之間的偏差問題，而后利用糾偏控制器依照特定的控制策略，將其轉變成為懸臂式掘進機能夠識別的電磁閥開關信息與控制脈沖信號，最終實現掘進機位姿的自動化糾正。

巷道兩邊的距離特點以及懸臂式掘進機的結構特點均告訴我們，綜合采用超聲波測距傳感器（三個）和雙軸傾角傳感器（一個）能夠準確地獲得掘進機的位姿參數，該參數成為掘進機實現自動化糾偏的關鍵參考。但是同樣需要指出的是，上述控制方法要求航道的兩幫具有良好的平整度，不能夠出現超挖或者欠挖的問題，所以，在實際的使用過程中需要注意該問題。

4 井下掘進機自動糾偏技術控制要點

通過機載工業控制計算機和PLC可實現井下掘進機自動糾偏控制，PLC產生的控制指令經PLVC、電液比例閥控制行走部的左右液壓馬達，驅動掘進機的驅動輪實現糾偏功能。糾偏控制策略主要由掘進機糾偏程序、角度范圍調整子程序、掘進機中心調整子程序、方位角糾偏子程序等實現。

PLC采集超聲波測距儀測量值計算掘進機位姿信息中的方位角ɑ和中心偏距a，依據不同方位角ɑ和中心偏距a，采用不同的控制策略。當掘進機方位角a超過該限定值時，如果調用掘進機中心調整子程序，則掘進機可能碰撞巷道煤幫，因此需要首先把掘進的方位角調整到一定的范圍之內。當掘進機方位角調整到限定值內后，依據中心偏距的不同情況調用不同子程序完成掘進機的糾偏。當巷道地質條件較為復雜時，調整掘進機機身中心軸線與巷道中心線重合將會出現較大的難度，且用時較長，影響掘進速度，因此在設計程序時允許有一定的距離偏差。當掘進出現距離偏差時，根據機身與巷道的相對位置情況，可以分為機身位于巷道中心左側左偏、機身位于巷道中心左側右偏、機身位于巷道中心線右側右偏、機身位于巷道中心線右側左偏。

5 結束語

綜上所述，掘進機是實現煤礦機械化掘進的關鍵設備。掘進技術、裝備和工藝水平，直接關系到煤礦開采的生產能力、經濟效益。正因如此，我國綜合機械化掘進程度正逐步提高，自動化控制技術的應用，有效提高了掘進機的工作效率和掘進作業的安全性，促進了采煤作業的快速推進、安全高效和高產穩產。在掘進過程中，往往會出現偏離巷道中心線，造成切割斷面的超挖和欠挖等問題，自動糾偏技術的應用，可有效解決此類問題，進一步鞏固和完善自動化掘進技術水平。

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