基于支架結構運動學的放煤機構精準控制研究

摘要：放煤機構的精準控制是實現智能化、無人化放頂煤開采的重要基礎，放煤機構與后部刮板輸送機的空間關系及支架姿態對空間關系的影響規律是構建放頂煤支架控制模型的關鍵。以ZF17000/27.5/42D 型低位放頂煤支架為研究對象，闡述了支架頂板和底板不同俯仰姿態下放煤機構與后部刮板輸送機的空間關系；基于液壓支架放煤機構開口度控制邏輯，搭建了支架姿態感知系統，提出了液壓支架放煤機構末端運動學分析方法；建立了基于D?H 矩陣的低位放頂煤液壓支架放煤機構末端運動學模型，并據此構建了液壓支架放煤機構開口度計算模型，平均計算誤差僅為1.71%，滿足現場應用精度要求；提出了基于姿態反饋的支架放煤機構閉環控制方法，并將基于放煤機構開口度計算模型開發的放煤決策模型應用于現場。應用效果表明：自動放煤時各支架平均放煤時間的均方差僅為0.13 min，較人工放煤方式整體放煤效率提高20%～43.9%；頂煤采出率達89%，后部刮板輸送機負載更加均衡，過載率僅為0.73%。

關鍵詞：綜放開采智能化；放煤機構；運動學分析；放煤支架控制；支架姿態感知；開口度控制

中圖分類號：TD823.49 文獻標志碼：A

0 引言

無人化智能開采是現代煤礦開采技術的核心目標[1]，經過多年發展，我國智能化開采技術已達到國際先進水平，部分智能綜采技術甚至已達到國際領先水平[2]。智能化綜放開采技術發展相對于智能綜采技術則稍顯緩慢，在諸多關鍵技術領域如智能放煤理論、智能感知、智能放煤控制等方面尚未完全突破[3]，在實踐中也以綜放工作面“減人”、遠程控制端“留人”為主要特征[4]，尚難以實現完全無人化智能綜放開采。

隨著智能化開采技術的進步，煤礦生產空間將被重構，“人在煤中”逐步向“人在煤外”轉變[5]，在無人直接作業的環境下，生產設備的自動精準控制將顯得尤為重要。因此，相對于過去粗放式的放煤控制過程，需要充分發揮支架感知系統的功能，建立更加精細的放煤過程控制方法，達到安全、高效、精準放煤的目的。實現放煤精準控制及采放協調作業，需要精確控制放煤時間、放煤速率、放煤量等參數，故需要對放煤機構所控制的放煤口大小進行精準控制，這是未來智能放煤技術需要關注的重要方向。智能化放煤控制技術研究的初期，記憶放煤、時序放煤、基于頂煤放出規律及放煤工序的智能化放煤控制方法在一定程度上解決了放煤口開閉控制的問題。同時學者們對于以煤矸識別技術為代表的放煤控制技術進行了探索[6-11]，雖然在實驗中取得了良好的煤矸區分效果，但是現場應用時單一參量難以有效區分動態的煤矸流。隨著智能化技術的普及，以機器視覺和機器聽覺為支撐的煤流狀態判別技術、通過人工智能技術學習人工放煤經驗和頂煤放出規律的邏輯放煤技術也逐漸興起[12-19]。上述研究成果極大地促進了智能化放煤技術的進步，但研究內容主要集中于智能控制放煤口的開啟和關閉，在應用過程中可能存在以下問題：放煤口大小固定使得煤流量無法精準控制，造成刮板輸送機超載；支架姿態變化后放煤口開啟程度固定，存在插板插入刮板輸送機的風險；群組放煤時放煤機構動作有差異，造成煤流運輸不暢等。

智能化、無人化開采條件下，對液壓支架放煤控制的要求不僅限于放煤口開閉控制，更進一步，需基于煤流與放煤機構的動態空間關系實時調整放煤口大小[20]。放頂煤液壓支架是由桿件和關節組合構成的機械裝置，通過千斤頂使得各構件繞關節旋轉或滑動，而放煤控制是在支架現有姿態的基礎上，通過控制尾梁轉動角度實現其與后部刮板輸送機相對位置的調節。放煤機構作為放煤支架的末端機構，其直接影響放煤過程，同時其行為受支架主體姿態影響。由于傳統液壓控制難以實現精細控制，對放煤機構精準控制的研究相對較少，但是高精度大流量單向鎖液壓控制系統的研發，使得放煤機構準確、快速控制成為可能[21]。機器人運動學中的正運動學分析是研究給定機器人或機械臂各關節變量后計算機械臂或機器人末端構件位置姿態的方法，該方法在液壓支架運動構件姿態解算及采高控制方面有良好應用[22-26]，因此，將運動學分析方法應用于放煤支架放煤機構控制具有可行性。通過研究支架的正向運動學過程，分析不同姿態下放煤機構與后部刮板輸送機的空間關系，進而獲得不同姿態下放煤口打開程度，為精準控制放煤量、放煤時間、放煤過程，實現采放協調控制、放煤精準控制提供算法依據。

本文在分析低位放頂煤支架的結構特征及支架姿態對放煤機構與后部刮板輸送機空間關系影響規律的基礎上，構建液壓支架關鍵構件姿態感知系統，采用機器人正向運行分析方法，建立基于D?H 模型的低位放頂煤支架放煤機構運動學模型，獲得在統一坐標系內不同支架姿態下放煤機構與后部刮板輸送機的空間關系，進而建立低位放頂煤液壓支架放煤機構開口度計算模型，為智能放煤控制提供基礎支撐。

1 液壓支架姿態對放煤機構與刮板輸送機空間關系的影響

1.1 低位放頂煤液壓支架放煤機構特征

低位放頂煤液壓支架是目前我國大多綜放工作面采用的架型，具有脊背煤損少、放煤效果好、有利于頂煤破碎、煤流易運輸、煤塵對工作面影響小等優點，其中四柱支撐掩護式放頂煤支架是被廣泛應用的架型[2，4]。本文以同煤大唐塔山煤礦8222 工作面中部四柱支撐掩護式放煤支架（ZF17000/27.5/42D）為例進行放煤機構結構分析。

低位放頂煤液壓支架主要由頂梁、掩護梁、前后立柱、底座、前后連桿、尾梁、插板等構件組成，掩護梁、尾梁和插板是液壓支架直接影響放煤作業的構件，而放煤的直接控制是通過尾梁的擺動和插板的伸收來實現的，因此將尾梁和插板稱為放頂煤支架的放煤機構。放煤機構的初始位置和姿態受掩護梁影響，而掩護梁的位姿與底座和前后連桿的位姿相關，因此，底座、前后連桿、掩護梁、尾梁、插板是控制放煤的關鍵機構。上述關鍵部件可簡化為1 個鉸接四連桿和1 個二連桿結構，如圖1 所示，該結構具有2 個自由度，鉸接四連桿和二連桿各有1 個自由度，二連桿的姿態和動作以四連桿的一端為端點（I 點）轉動，四連桿結構則以底座為固定邊，前后連桿的姿態將會影響掩護梁的姿態。

以綜放工作面開采空間參數為基礎進行裝備配套時，若底板水平、采高一定，則掩護梁的位置和姿態可確定。放煤機構的初始位置與掩護梁平行，當插板前部推出時，插板尾部與后部刮板輸送機的后端基本對齊，此時的狀態是放煤機構和刮板輸送機的初始空間狀態。受機械結構的限制，放煤機構只能以掩護梁為基準面上下擺動，以鉸接點I 為旋轉支點，下擺極限角度為θ'，上擺極限擺動角度為θ?。

1.2 不同液壓支架姿態下放煤機構與刮板輸送機的空間關系

放煤機構與后部刮板輸送機的空間關系是煤流順利放出、運送的重要基礎，液壓支架工作姿態對二者的空間狀態產生直接影響[20]。后部刮板輸送機工作姿態主要受底板起伏控制，因此液壓支架的姿態成為影響二者空間關系的主動因素。

對支架工作姿態作如下假設：① 系統由剛體組成，結構自身變形可忽略。② 工作面采高為支架前端到底板前端所在平面間的距離，工作面采高不隨支架姿態發生變化。③ 分析單個支架姿態時，假設后部刮板輸送機與液壓支架在工作面傾向不存在角度差。④ 在工作面走向，液壓支架的頂梁和底座均存在仰斜、水平、俯斜3 種狀態。

根據工作面裝備的配套關系，設定支架的初始狀態為底座和頂梁均處于水平狀態，液壓支架與后部刮板輸送機空間位置關系如圖2（a）所示。底座和頂梁處于仰斜、水平、俯斜等不同狀態時，支架姿態相對于原始姿態發生的變化如圖2（b）—圖2（i）所示，圖中虛線為支架初始狀態。

圖2（b）、圖2（c）顯示了底座水平、頂梁處于仰斜和俯斜2 種狀態時支架的姿態特征。當頂梁仰斜時，頂梁與掩護梁的鉸接點F 向下移動，前后連桿分別繞其與底座的鉸接點（B，C 點）順時針向下旋轉，掩護梁發生逆時針轉動，前后連桿和掩護梁的傾角均變小；掩護梁與尾梁的鉸接點I 向右下方偏移，插板打開后其端部超出后部刮板輸送機后端；當尾梁繞掩護梁旋轉一定角度時放煤口寬度比初始狀態時小，當尾梁向下擺動至最大角度時難以使放煤口全部打開。當頂梁俯斜時，鉸接點F 向上移動，前后連桿分別繞B，C 點逆時針向上旋轉，掩護梁順時針轉動，前后連桿和掩護梁的傾角均增大；鉸接點I 向左上偏移，插板打開后其端部難以覆蓋后部刮板輸送機后端，可能存在采空區遺煤、遺矸漏入后部刮板輸送機的情況，造成刮板輸送機運載狀態不平衡。

圖2（d）、圖2（e）顯示了頂梁水平、底座處于仰斜和俯斜2 種狀態時支架的姿態特征。當底座仰斜時，以底座頂點O 為基準點，B，C 點順時針轉動，前后連桿分別繞B，C 點發生輕微轉動；鉸接點F 向右上方偏移，掩護梁發生順時針轉動，其傾角明顯增大；鉸接點I 向右下方移動，插板端部向下方移動。該姿態下，插板打開后與刮板輸送機距離過近，存在插板插入刮板鏈的風險，且可能存在采空區遺煤、遺矸漏入刮板輸送機的情況。當底座俯斜時，底座以O 點為支點逆時針轉動，前后連桿分別繞B，C 點輕微轉動；鉸接點F 向左下方偏移，掩護梁發生逆時針旋轉，其傾角明顯減小；鉸接點I 向左上方偏移，插板尾端相對于后部刮板輸送機端部的位置上升；當尾梁繞掩護梁旋轉一定角度時，放煤口寬度比原始位置小，存在難以完全打開放煤空間的情況。

圖2（f）、圖2（g）顯示了底座仰斜、頂梁處于仰斜和俯斜2 種狀態時支架的姿態特征。當底座和頂梁均呈仰斜狀態時，以O 點為基準點，前后連桿和掩護梁均發生順時針轉動，前后連桿傾角相對原始位置減小，掩護梁傾角則相對增大；鉸接點F 向右上方偏移，鉸接點I 向右下方移動，插板打開后其端部均比原始狀態的位置低；尾梁擺動時存在插板插入刮板鏈的風險，且尾梁繞掩護梁旋轉一定角度時放煤口寬度比初始狀態小。當底座仰斜、頂梁俯斜時，以O 點為基準點，前后連桿分別繞B，C 點發生明顯逆時針轉動，前后連桿傾角顯著增大；掩護梁繞其與頂梁的鉸接點發生順時針旋轉，其傾角明顯增大；鉸接點F 向右上方偏移，鉸接點I 向左下方移動，插板打開后其端部均比原始狀態的位置低，同樣存在插板插入刮板鏈的風險，采空區遺煤、遺矸漏入刮板輸送機的風險較大。

圖2（h）、圖2（i）顯示了底座俯斜、頂梁處于仰斜和俯斜2 種狀態時支架的姿態特征。當底座俯斜、頂梁仰斜時，前后連桿分別繞B，C 點順時針轉動，其傾角減小；掩護梁發生逆時針旋轉，其傾角明顯減小；鉸接點F 向左下方偏移，鉸接點I 向右上方發生微弱偏移，插板打開后其端部位置相對較高，放煤后關閉插板仍存在采空區矸石或遺煤漏入后部刮板輸送機的風險。當底座與頂板均呈俯斜狀態時，前后連桿和掩護梁均發生逆時針轉動，前后連桿傾角增大，掩護梁傾角則相對減小；鉸接點F 向左下移動，鉸接點I 向左上方偏移，插板打開后其端部距后部刮板輸送機較遠，也存在采空區矸石或遺煤漏入后部刮板輸送機的風險。

從上述分析可看出，當采高一定時，頂梁姿態的變化影響鉸接點F 的空間位置，進而影響掩護梁、前后連桿、尾梁的姿態；底座姿態變化直接影響與其連接的四連桿結構的姿態，進而對放煤機構和刮板輸送機相對空間關系產生影響。因此，液壓支架構件的姿態是相互關聯的，支架姿態是影響放煤機構控制的重要因素。

2 低位放頂煤液壓支架放煤機構運動學分析

放頂煤液壓支架是由桿件和關節組合構成的機械裝置，本文采用機器人正運動學分析方法對放頂煤支架放煤機構的位姿及運動特征進行分析，并基于此建立放煤機構開口度計算模型，實現放頂煤支架放煤機構精準控制。

2.1 液壓支架位姿描述

機構運動學研究的是剛體運動，一般將剛體運動分為移動和轉動2 種狀態。在剛體上建立體坐標系{a}，其與世界坐標系（或參考坐標系）{o}的關系如圖3 所示。剛體的移動是指體坐標系原點相對于世界坐標系原點的位置關系改變，一般用體坐標系原點在世界坐標系3 個坐標軸上的分量構成的3×1 矢量表示。剛體的轉動是指體坐標系3 個坐標軸相對于世界坐標系的姿態，一般由體坐標系3 個坐標軸的單位矢量與世界坐標系3 個坐標軸方向余弦組成的3×3 矩陣表示。