基于磁流变的巷道掘进机高效运行分析探讨

李茂林

(西山煤电集团公司 杜儿坪矿， 山西 太原 030022)

巷道掘进机是集截割、装运、行走、支护等功能于一体的巷道联合掘进系统，已广泛应用于煤矿的煤巷、半煤巷及一定地质条件的岩巷掘进作业，在煤炭工业生产中占有重要地位。

目前，巷道掘进机行走作业主要采用手动方式，通过控制截割头的旋转和悬臂的上下、左右摆动，带动截割头截割出所需形状的断面。煤层赋存及顶底板岩性，岩石结构与构造，司机个人体力、精力及环境中的粉尘浓度等因素严重影响着巷道成形的效率、质量。实际应用中由于地质条件的复杂及操作者的经验差异导致如下问题：1) 掘进机经常处于欠载、过载的状态，而经常的超载操作不仅会加速掘进机截割电机老化而频繁发生故障，而且也会因截齿超负荷截割而快速磨损，不能发挥其应用的效能。2) 经常存在巷道下山时，割不到底板，留有底煤，造成巷道返工，重新拉底；巷道上山时，人为割破底板等现象，致使断面施工超挖量一般在10%～25%，造成巷道支护和回填工作量增大，增加了后续施工强度与成本，影响了巷道掘进效率。

近年来，基于煤岩识别、自动导航定位、仿形截割等掘进机自动截割研究，实现采掘工作面自动化等高效煤炭开采技术已列入《国家中长期科技发展规划纲要》能源科技重点领域的优先主题。许多学者通过深入研究，已取得了一些成果，实现了基本的自动截割成形控制，但是由于缺乏适用的煤岩识别技术、自动纠偏及相关的控制协同策略，都存在适用特定矿区、可靠性低、稳定性差等局限。

依据掘进机截割环境感知数据，基于识别出的不同煤岩截割特性，针对巷道不同区域施工要求，采取相应的巷道掘进机多运动机构协同控制(行走速度、姿态、截割头摆动速度等参数)，既能保证掘进机截割部处于恒功率高效运行，又能克服掘进机截割臂的惯性对截割成形质量影响，以高效的截割工艺路径控制掘进机完成断面自动截割作业。建立合适的统一目标函数构建及求解算法，保证巷道掘进机自动截割的鲁棒性。

1 研究方案

1.1 三维截割力传感器设计与优化

由于不同矿井和同一矿井不同煤层的煤炭赋存条件、性质不同，且煤炭在截割过程中的破碎是随机的，因此掘进机在截割过程中所受的力也不同。只有准确地测量截割力，获得截齿在截割过程中的大量力学特征，才能为定量评价掘进截割特性、深入研究截割机理、合理选择截齿等提供重要依据。

1) 获得满足载荷需求的磁流变弹性体压电结构参数。基于隧道效应理论，依据薛定谔方程、截割阻力载荷量程等约束条件，推导磁流变弹性体磁性颗粒的贯穿系数，构建磁流变弹性体压电特性电阻率理论模型，据此计算满足载荷量程需求的磁流变弹性体的颗粒体积比含量、颗粒间距等参数选取范围。

2) 借鉴斯坦福研究所提出的筒形六维力传感器结构，设计磁流变弹性体截割阻力三维力传感器。依据获得磁流变弹性体的颗粒体积比含量、颗粒间距参数选取范围，制备磁流变弹性体材料，借鉴斯坦福研究所筒形六维力传感器结构，将磁流变弹性体圆环上开8个形状相同的孔，同层槽孔间的薄壁区为剪切应力敏感区，不同的剪切应变区对应测量由不同方向力产生的应变。针对载荷波动响应需求，利用Davis磁偶极子模型修正模型描述磁流变弹性体处于屈服前状态、屈服状态和屈服后状态的动态特性，构建磁流变弹性体截割阻力三维力传感器载荷波动响应动力学模型，并对模型中的相关参数进行辨识，进行相关的ANSYS数值仿真，将仿真结果与测试数据对比进行载荷波动响应模型修正，进而优化磁流变弹性体截割阻力三维力传感器相应参数。磁力线分布图见图1，动态黏弹谱仪见图2.

图1 磁力线分布图

图2 动态黏弹谱仪图

3) 通过静态加载试验、动态加载试验，进行传感器标定。通过磁流变弹性体三维力传感器标定试验，进行载荷量程、载荷波动响应、非线性度、维间藕合、回程误差等性能评估，调整相关设计参数提高磁流变弹性体三维力传感器性能。

1.2 构建巷道掘进机基准载荷模型

掘进工程实测给出的是海量庞杂的数据信息系统，包含众多的相关参量，将该系统特征用一系列的物理和力学以及工程参量进行描述，其目的是寻求内在规律。 由于相关的参量众多，首先需要对这些参量进行分类与归纳。选取其中对识别目标敏感度最高的、最有效的特征参量参与系统的结构特征识别，而将敏感度相对较低的各类参量的影响融合到模型系数中。由此，在掘进载荷总推力与总扭矩的分析建模中，掘进载荷总推力可由前述的磁流变弹性体截割阻力传感器结合截割电机电流等参数融合获得。选取表征操作状态的掘进进尺、截割头摆动速度以及截齿几何特征等参量作为高敏度特征参量参与模型的结构特征识别，而将敏感度相对较低的各类参量的影响融合到模型系数中。利用工程数据反演识别分析，获得表征地质环境条件等截割环境的基准载荷模型。

构建基于工程数据反演识别分析的巷道掘进机基准载荷模型后，结合实际的煤矿巷道施工，通过布置勘探孔，利用探孔勘察该点地质状况，修正巷道掘进机基准载荷模型，从而获得准确的掘进机截割环境的感知数据，为掘进机基于截割环境采取适当的截割策略奠定必要基础。巷道掘进机基准载荷模型对比实验表见表1.

表1 巷道掘进机基准载荷模型对比实验表

1.3 构建掘进机控制系统的精确的操控耦合模型

f(s)最高是n-1阶的。若p(s)无重零点，将f(s)/p(s)展成部分分式：

考虑Diophantine方程：

k(s)p(s)+h(s)r(s)=q(s)fτ(s)

其中，q(s)是任意n-1阶Hurwiz多项式。 由方程可以得到阶次不高于n-2的多项式k(s)和阶次不高于n-1的多项式h(s). 拟建立的掘进机控制系统的精确模型匹配的操控耦合模型应达到仅存在闭环外纯延时的精确跟随性能，以解决闭环内操控固有延时对跟随性能的影响，依据Diophantine 方程所蕴涵的对输出响应的预测意义，获得只含有纯延时的对指标轨迹的精确跟随的约束条件，并能够保证对操纵动作执行装置和被控对象的建模误差以及设计计算误差的鲁棒性。

1.4 基于控制协同的巷道掘进机高效运行研究

1.4.1两帮边界区域协同控制策略研究

针对巷道两帮边界区域，由于掘进机是大质量体，采取截割臂慢停策略，避免截割过程中截割臂的惯性对于自动截割成形的精度影响。

设s为截割头距离两帮位置，f为根据掘进机截割环境感知数据识别出的不同煤岩普氏系数，v为截割头摆动速度，w1、w2为比例系数，可结合仿真数据与工程试验完善。则：s=w1f+w2v.

根据掘进机截割环境感知数据识别出不同煤岩截割特性，据此确定截割头距离两帮位置为s时，控制阀口流量，使截割臂的摆动速度逐渐降低，到达目标位置时速度降为0. 截割臂依据掘进机截割环境感知数据慢停策略很大程度上提高了截割臂定位控制精度，防止了超挖现象，达到较好的协同控制效果，提高了截割头定位控制精度以减小两帮边界区域粗糙度误差。

1.4.2巷道非两帮边界区域协同控制策略研究

1) 根据掘进机截割环境感知数据，为了掘进机截割部恒功率，总的截割载荷应恒定，基于识别出的不同煤岩截割特性，实时制定掘进机期望合力与力矩。2) 综合考虑掘进机掘进期望、履带附着极限和行走部特性，建立统一目标函数，并设计约束优化和可行域规划方法相结合的求解算法，将获得的期望合力优化分配为掘进机最优纵、横、垂向力。3) 结合掘进机位姿数据协同控制掘进机行走速度、姿态，升降液压缸驱动和回转液压缸驱动等参数，依据前述构建的掘进机控制系统的精确模型匹配的操控耦合模型约束条件，将前述中分配好的力具体执行。

上述掘进机行走速度、姿态，截割头摆动速度等参数协同控制可实现任意起点截割，无需特意设定整个工艺路径的起始点，避免截割起始时截割头先回到标定位置然后按照规定路径进行截割的步骤。在截割完成后，回转和升降液压缸进行联动，使截割头回到起始点。掘进机在巷道非两帮边界区域基于多参数协同控制，截割部低振动且恒功率高效运行。

2 创新点

以煤矿掘进机截割环境感知及智能控制技术研究为背景，运用煤岩识别、控制协同、操控信息耦合等多个领域的理论，将工程数据反演识别分析等方法引入到掘进机截割环境判别中。

基于磁流变截割环境感知与协同控制的巷道掘进机高效运行方法不仅考虑几何约束，还依据磁流变截割力传感器结合工程数据反演分析获得的截割环境感知数据，准确判别煤岩特性的基础上，依据掘进机控制系统的精确模型匹配的操控耦合模型约束条件，采取较低的操控补偿负担，综合考虑掘进机掘进期望、履带附着极限和行走部特性，建立统一目标函数，采取相应的多运动机构协同控制，实现高效自动截割，保证自动高效截割的鲁棒性约束，优化掘进机操控方式，保证掘进机截割部处于恒功率高效运行，从而提高断面成形质量及进尺效率。

3 结 论

本文借鉴隧道效应理论、多目标优化理论和精确模型匹配理论，利用磁流变弹性体的压电特性及流变特性，结合掘进工程数据反演分析感知掘进机截割环境，同时深入研究掘进机多运动机构控制协同的多目标优化问题特点，重点研究磁流变弹性体截割力传感器、基准载荷模型分量及系数选择以及截割切削力优化等关键技术，为实现巷道掘进机高效运行提供一套先进而有效的方法，改变采掘比例失调局面，满足煤矿高效集约化生产需求，使煤炭实现安全、高效、低成本开采，从而获得更大的经济效益和社会效益。