矿井掘进机掘进姿态的仿真分析

2020-06-10秦会军

机械管理开发 2020年4期

秦会军

（晋城市无烟煤矿业集团有限责任公司成庄矿安检部，山西晋城 048021）

引言

掘进机是煤矿生产建设过程中必不可少的重要装备，提高其自动化水平能够在很大程度上提升整个煤矿的自动化程度，这同时也符合其自身智能化与信息化的发展方向。本文对悬臂式掘进机的掘进姿态进行数学建模与软件仿真，并试验验证了仿真分析理论值可满足误差要求。

1 掘进机姿态的数学建模分析

首先依据掘进机的运动特性将其行走部分、回转部分、机身部分、悬臂部分与截割头之间的运动关系简化成多处转动与平移两种运动的复合运动[1]，再建立截割头与其他部件的运动关系。将掘进机的运动分解为回转台在水平面的转动、悬臂在竖直面的转动与截割头在悬臂方向的平移运动等。依据其运动关系建立图1 所示的坐标系统，其中，OXYZ坐标是测绘的绝对坐标系，OcXcYcZc是用于巷道检测与掘进机自身姿态的测量坐标系，OhXhYhZh是工作面坐标系，OiXiYiZi是掘进机各个相对运动节点处的坐标系。当坐标系OcXcYcZc中的Zc垂直于顶板，Xc轴垂直于工作面且与巷道中心线重合，平面XcOcYc与底板面重合时，掘进机的姿态为最优状态。掘进机工作过程中的姿态可简化为以下5 个参数：偏航角α 与偏航距离A共同反映了掘进机与中心线的偏移量，俯仰角β 决定了截割点与顶板、底板之间的距离，横滚角γ 与车前距L[2]。进一步假定偏航角α 与俯仰角β 均为0，即掘进机中心线与巷道中心线重合。掘进机截割的自动化研究主要包含正向与逆向运动学两个方面。其中正向运动学研究主要是指在连杆机构各个参数已知的情况下求解截割头空间位置的研究，一般采取D-H 法来求解；逆向运动学研究对于截割头空间位置的控制问题，即对于截割头运动轨迹的规划问题，一般采用解析法与逆解法进行求解。

图1 掘进机坐标系统示意图

2 掘进机姿态的仿真分析

掘进机在一定姿态下的截割位置变化是经由悬臂在水平与竖直方向的位移来确认的，同时，由其所采取的截割工艺所决定，其截割轨迹一般都是规则的圆弧运动。因此需要对掘进机的各个相对运动部件通过其相对运动的角度与速度进行控制，从而实现截割轨迹的规划与自动控制。截割面的断面形状是由截割头的外形与运动轨迹所形成，在对断面形状进行研究时必须特别注意运动轨迹在极限位置的拐点，该拐点坐标的精确度在很大程度上决定了断面形状的质量好坏[3]。

以EBZ260H 型悬臂式掘进机为仿真与试验机型，先将其结构尺寸、运动等相关参数输入Matlab中，再仿真其截割头自底部向顶部沿S 形路径进行截割作业，设定其理论截割断面的投影区域为4 m×3.5 m，如下页图2-1 所示；仿真求得实际截割断面的投影区域为4.473 m×4.267 m，如下页图2-2 所示；断面实际形状如下页图3 所示。上述结果将截割头的路径进行了直观展示，对比实际截割面的数值可知，其与掘进机说明书所述参数相符，这就从理论上验证了前述数学建模与控制方式的正确性。

3 试验验证

进一步进行试验验证，试验工作面的截割断面大小4.5 m×4 m，将EBZ260H 型悬臂式掘进机步距设置为0.6 m，路径设置为自底部向顶部沿S 形进行截割作业。巷道中心线设置在截割面中心，与两帮距离均为2.25 m，截割作业过程中始终保持掘进机铲板的中心线与巷道中心线重合。最后，将重锤悬挂在截割头的中心处用于测量每次截割头运动到左右两帮极限位置时截割面的宽度与高度尺寸。

将试验过程中的数据记录（见表1），其中截割断面的左帮最大偏差为0.035 m，截割断面的右帮最大偏差为0.034 m。上述误差符合《煤矿井巷工程质量检验评定标准》《煤矿井巷工程质量验收规范》等标准。

图2 截割头规划运动轨迹与实际运动轨迹对比

4 结论

悬臂式掘进机在自动化、智能化发展趋势中面临诸多困难，本文首先建立了其姿态坐标系统；再对其进行数学建模与仿真分析，二者结果相符；最后以EBZ260H 型悬臂式掘进机为例进行实际掘进工作，获取实践数值。实际值与理论值对比，其两帮的帮距误差完全满足煤矿矿井建设的相关法规与标准，证明本文所建立的姿态坐标系统应用于实际轨迹规划是完全可行的。