礦井掘進機綜采工作面智能橫擺控制技術研究

葛亞偉

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦， 山西 大同 037037）

引言

臂式掘進機是一種組合式掘進機，具有切割、裝載、運輸、自行行走和噴霧除塵等功能。隨著實際工作面的綜合化和采煤機械化的快速發(fā)展，對煤礦掘進速度的要求越來越高，因此臂式掘進機橫擺速度的智能控制成為關鍵。橫擺運動作為掘進機的主要工作形式，橫擺角的正確切割已逐漸成為研究的焦點。基于虛擬樣機技術進行仿真，可以根據(jù)掘進機在各種條件下的橫擺智能控制來獲得最佳橫擺速度。它為掘進機的優(yōu)化設計和智能控制提供了一種有效的方法。通過對掘進機智能橫擺的控制，可以使掘進機按照擬定的速度運行，使其常態(tài)化地位于正確的掘進軌道上，該技術的研究成果可為掘進機的智能化研究方向提供指導。

1 EBZ152B 型掘進機橫擺機構(gòu)的簡介

1.1 基本工況參數(shù)

以EBZ152B 型掘進機為研究對象，該型號掘進機作為目前煤礦企業(yè)常用的型號，具有適應煤層地質(zhì)條件較廣、能耗較低等優(yōu)點。該型號掘進機的行走部件具有在多個方向上同時運動的特性，對各個零部件起到了連接和支撐的作用。該掘進機的技術參數(shù)如下：最大掘進高度為4.5 m、最大掘進寬度為5.5 m、掘進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 橫擺機構(gòu)簡介

EBZ152B 型掘進機橫擺機構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EBZ152B 型掘進機橫擺機構(gòu)示意圖

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

2 掘進機橫擺的工作原理

2.1 懸臂橫擺機械結(jié)構(gòu)的基本原理

EBZ152B 型掘進機的橫擺機構(gòu)由截割頭、懸臂、旋轉(zhuǎn)工作臺和旋轉(zhuǎn)液壓缸組成。懸臂式掘進機工作時，可通過調(diào)整懸臂的空間位置，以及通過擴大旋轉(zhuǎn)液壓缸的兩側(cè)來實現(xiàn)水平面的倒轉(zhuǎn)和左右擺動，以來改變截割部的位置，EBZ152B 型掘進機的整體結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示。

圖2 EBZ152B 型掘進機組成示意圖

2.2 橫擺速度對截割性能的影響

橫擺速度對掘進機截割性能有重要影響。以掘進機截割頭為例，通過計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)如下頁表1 所示。

表1 不同截割速度下截割厚度和截割阻力波動系數(shù)表

由表1 可知，在掘進機的工作過程中，切削厚度隨著橫擺速度的增加而增加，數(shù)據(jù)關系近似線性。在提高橫擺速度的過程中，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，當達到最大值時，隨著橫擺速度的增加而減小，當橫擺速度大于1.4 m/min 時，下降趨勢加快，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功率時，根據(jù)表1 提供的切削性能信息，選擇一個既能滿足切削電機功率，又能使切削阻力波動系數(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計

由于掘進機橫擺系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，很難以一種簡單、直接的方式進行研究。MATLAB 中的各種模塊庫可以用來解決多領域的聯(lián)合仿真和控制問題。以某模型的實際工作為例，利用MATLAB 中的曲面擬合工具箱，建立神經(jīng)網(wǎng)絡的曲面擬合模型對工作參數(shù)進行擬合，得到了橫擺速度、煤巖強度系數(shù)和切削深度的擬合曲面的二維投影面，實現(xiàn)了對橫擺速度、煤巖強度系數(shù)和切削深度的曲面擬合。如圖3 所示，水平坐標系是截割頭角度，縱坐標系是懸臂液壓桿長度。

圖3 液壓桿伸出縮進長度與擺動角度的關系曲線圖

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值的比值)，當可行邊界小于或等于1/1000 時，可以認為橫擺速度能夠準確地跟蹤最佳橫擺速度，驗證了擬合模塊的精度[4]。

4 智能控制系統(tǒng)的建立及應用

4.1 智能控制框架

智能電機控制系統(tǒng)是掘進機橫擺機構(gòu)集液壓、控制、電力電子系統(tǒng)等多個領域為一體的綜合系統(tǒng)。它具有多變量、非線性、動態(tài)和強耦合等特點。由于掘進機工作面條件復雜，為了提高工作效率，必須在掘進機橫擺系統(tǒng)中引入一套智能速度控制系統(tǒng)，如圖4 所示，在掘進機關鍵部件可靠運行的基礎上，實現(xiàn)掘進機橫擺速度隨工作地質(zhì)條件變化而自動調(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

在臂式掘進機的工作過程中，截割頭由截割馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，用截齒切割煤炭和巖石。通過旋轉(zhuǎn)和提升液壓缸驅(qū)動的懸臂搖擺，實現(xiàn)任何位置切割。當掘進機工作時，切割馬達處于恒功率狀態(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]。

為了使掘進機實現(xiàn)智能橫擺，需要對油泵電機進行控制，控制系統(tǒng)如圖5 所示。智能控制系統(tǒng)由檢測裝置、控制器和驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成。檢測裝置是安裝在掘進機截齒上的壓力傳感器，對截齒的壓力實時監(jiān)測。檢測信號經(jīng)過濾后由A/D 轉(zhuǎn)換器發(fā)送到控制器。驅(qū)動系統(tǒng)由一個控制油泵電機轉(zhuǎn)速的混頻器組成。該控制系統(tǒng)以PID 神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法為基礎，通過驅(qū)動模塊將控制參數(shù)傳遞給混頻器，使油泵電機在合適的轉(zhuǎn)速下工作。同時，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測切削齒輪的壓力狀態(tài)，根據(jù)工況變化調(diào)整刀具速度，保證掘進機的高效穩(wěn)定運行。

圖5 橫擺智能控制系統(tǒng)設計圖

4.3 智能速度控制系統(tǒng)的仿真應用

在掘進機工作過程中，煤巖的切削深度和巖石強度系數(shù)會發(fā)生變化，切削深度和巖石強度系數(shù)在一定條件下保持不變。但由于煤層和煤矸石的夾雜，會使煤巖這一重要切削參數(shù)的強度系數(shù)發(fā)生突變，導致切削力大小的變化，進而影響掘進機的工作條件。取強度系數(shù)為0.8，厚度為6 m 的條件，以準確反映煤巖固體系數(shù)變化對整個智能調(diào)速系統(tǒng)的影響。仿真參數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡擬合模型擬合，使用計算出的掘進機最佳橫擺速度，隨著煤巖固體系數(shù)的變化，橫擺速度可以快速達到最佳橫擺速度。

為了充分反映掘進機工作過程中截割參數(shù)的變化，對截割深度進行了仿真，仿真曲線如圖6 所示。當巖石強度系數(shù)和煤層深度同時改變時，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，為掘進機的優(yōu)化設計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

用神經(jīng)網(wǎng)絡曲面擬合技術建立的掘進機最佳橫擺速度產(chǎn)生模塊，得到了最佳橫擺速度，實現(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。通過對掘進機虛擬樣機的仿真分析，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，實現(xiàn)了橫擺速度對最佳橫擺速度的精確跟蹤，研究成果對煤礦自動化研究具有重要的現(xiàn)實意義。