（机械电子工程专业论文）悬臂式掘进机巷道断面成形控制系统研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 悬臂式掘进机巷道断面成形控制系统研究 机械电子工程 熊双辉( 签名) 任中全 ( 签名) 摘要 目前，悬臂式掘进机在我国的矿业生产中得到了广泛的应用，为了提高掘进机掘进 巷道断面机械化、自动化程度以及提高效率，研究掘进机的成形控制系统具有重大意义。 本论文以e b j 1 3 2 a 型悬臂式掘进机为例，对其掘进巷道断面的成形和成形控制系统两 方面进行研究。 在断面成形研究过程中，通过分析e b j 1 3 2 a 型掘进机截割部主要工作机构和工作 过程，建立了相关工作参数与巷道断面尺寸之间的数学模型。然后针对实际生产中几种 常见的巷道断面形状，分别编制出相应的工作机构作业轨迹控制程序，并在计算机上显 示出和实际情况相符合的截割头截割作业包络线图，验证截割头运动轨迹规划的正确性 和相关工作机构参数的计算准确性。 在成形控制系统研究过程中，通过分析e b j 1 3 2 a 型掘进机液压控制系统，在此基 础上，对其改进，采用电液比例方向阀自动控制系统，并对其主要组成元件进行选型计 算及建立了相关数学模型。然后利用m a t l a b 和a m e s i m 软件对该控制系统进行了开 环控制和p i d 控制仿真研究，仿真结果表明，电液比例控制系统具有较好的动态响应特 性和控制特性。 本文对悬臂式掘进机断面成形基本理论的推导及控制仿真研究，为掘进机自动断面 成形进行了有益的探索。 关键词：悬臂掘进机；成形控制；轨迹规划；数学模型；液压控制；p i d 研究类型：应用研究 s u b j e c t ： s t u d yo nb o o m t y p er o a d h e a d e rl a n e w a ys e c t i o ns h a p i n g c o n t r o ls y s t e m s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：x i o n gs h u a n g h u i i n s t r u c t o r ：r e nz h o n g q u a n a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) n o w a d a y s ，b o o m - t y p er o a d h e a d e rm a c h i n e sa r ew i d e l yu s e di nm i n i n gp r o d u c t i o ni no u r c o u n t r y f o ri m p r o v i n gi t sm e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o n ，i n c r e a s i n gi t se f f i c i e n c y ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt oi m p r o v ei t ss h a p i n gc o n t r o ls y s t e m w i t ha ne x a m p l eo fe b j - 13 2 ab o o m t y p e r o a d h e a d e r , t h ep a p e rr e s e a r c h e sl a n e w a y ss e c t i o ns h a p i n ga n ds h a p i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h ec o u l s eo ft h es t u d yo fs e c t i o ns h a p i n g ，t h ep a p e ra n a l y z e st h em a i nw o r k i n g m e c h a n i s ma n dp r o c e d u r e so fc u t t i n gu n i to fe b j 一13 2 ar o a d h e a d e r , b u i l d st h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fc o r r e l a t i v ew o r k i n gp a r a m e t e r sa n dl a n e w a ys e c t i o nd i m e n s i o n s t h e na c c o r d i n gt o t h et h r e ed i f f e r e n tl a n e w a ys e c t i o ns h a p e s ，c o m p i l i n gb o o m t y p er o a d h e a d e rw o r k i n g p a r a m e t e rc a l c u l a t i o np r o g r a m ，a n dp l o t t i n gi t sc u t t i n gh e a dt r a c e ，w h i c hc a nv e i l f yt h e a c c u r a c yo fp a t hp l a n n i n go fc u t t i n gp a r tm o v e m e n ta n dw o r k i n gp a r a m e t e r i nt h ec o u r s eo ft h es t u d yo fs h a p i n gc o n t r o l ，f i r s t l y , a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h eh y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e mo fe b j 13 2 ar o a d h e a d e r , t h eb e t t e r m e n to ne l e c t r i c a l h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do u tb a s e do nt h a ta n a l y s i s s e c o n d l y , m o d e l c h o o s i n g c o m p u t a t i o n o nt h em a i nc o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i c s y s t e m i sf i n i s h e da n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e s ec o m p o n e n t sw e r ee s t a b l i s h e d l a s t l y , m a t l a ba n da m e s i m s o f t w a r ea r eu s e dt oc a r r yo u to p e n - l o o pc o n t r o la n dp i dc o n t r o ls i m u l a t i o n ；t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h ee l e c t r i c a l h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e mh a se x c e l l e n td y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dg o o dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s t h ed e d u c i n gp r o c e s so fb a s i c c o n c e p ta n d c o n t r o ls i m u l a t i o nr e s e a r c hp r o v i d e s b e n e f i c i a le x p l o r a t i o nf o rt h eb o o m - t y p em a d h e a d e r sa u t o m a t i cs e c t i o ns h a p i n g k e y w o r d s ：b o o m t y p er o a d h e a d e rs h a p i n gc o n t r o l t r a c kp l a n n i n gm a t h e m a t i c a l m o d e l h y d r a u l i cc o n t r o l p i d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究丁作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文i 1 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。够、双 f 车日期： 加1 1 7 ，每办 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适加本声明。 ， 躲胁魉人7 叶 年 月日 】绪论 1 绪论 用掘进机掘进巷道的初步尝试，应归功于上个世纪初。在此之前曾出现：英格里斯 型隧道钻进机和普列依斯型掘进掩护支架( 英国) 、安德逊型掘进机( 美国) ，后者可与 掩护板配合或单独工作。单独工作时，安德逊型掘进机用辅助液压缸移动，其形式与现 代掘进机的概念相符合。但由于很多结构上的缺点，这几种机器均未得到工业应用。 第二次世界大战以后，掘进机开始得到工业应用。在美国，考虑煤层赋存特点，带 双钻削头的掘进机得到广泛应用，用于掘进煤巷和房柱式开采。在西欧和前苏联也得到 了广泛的发展i lj 。 1 1 掘进机的分类及其优缺点 掘进机按照结构形式划分可分为两种：全断面掘进机( t b mt u n n e l i n gb o o m m a c h i n e ) 和部分断面掘进机( p t mp a r t i a l s i z et t m n e l i n gm a c h i n e ) 。在长距离、大断面 的硬岩隧道施工中，全断面掘进机得到了广泛的应用，例如世界著名的英吉利海峡海底 隧道就是用1 1 台全断面掘进机完成的，我国秦岭西康铁路隧道也是用两台德国产 t b 8 8 0 e 全断面掘进机完成的。但是全断面掘进机作业线投资偏高，对隧道围岩地质和 巷道适应性较差，一旦开工，只能单向作业，不能调头，影响了其大量推广使用，尤其 在矿业部门，对于中短巷道的掘进采用全断面掘进机是很不经济的。 悬臂式掘进机( b o o m t y p er o a d h e a d e r ) 是部分断面掘进机的主要机型【2 】，工作时通 过截割头的旋转和悬臂( 也称为截割臂) 的上、下、左、右的自由摆动，能够截割出任 意形状的断面。以煤矿巷道掘进为代表，悬臂式部分断面掘进机在煤矿地下巷道施工中 得到了广泛的应用，尤其是近些年来，随着掘进机在土木工程和采矿工程中的大量使用， 目前掘进机已成为各产煤国不可缺少的生产设备，且各国制造、推广使用的煤、岩和煤 岩掘进机多以悬臂式部分断面掘进机为主。 实践证明悬臂式部分断面掘进机有以下一些优点： ( 1 ) 由于工作机构可在机器的允许范围内任意摆动，截割头能够截割出任意形状 不同断面的巷道；可以卧底、钻柱窝和挖水沟；还可以分别截割半煤岩巷道的煤和岩石， 对采准巷道断面的规格形状和煤岩赋存情况的适应性较好，所掘进巷道断面的变化范围 较宽； ( 2 ) 掘进速度快，质量好。如果支护作业安排在作业后进行，掘进机可实现连续 掘进，能同时完成破煤岩、运输等工作，效率高，且掘进机是机械破岩，掘进后煤岩巷 道周围煤岩壁完整光滑，超挖掘量少，减少了支护量，这与传统的钻爆法相比，掘进速 度可提高1 5 2 倍，劳动效率提高1 2 倍，巷道成本可降低3 0 5 0 t 2 1 ，并避免了爆破作 西安科技大学硕士学位论文 业时巷道周围煤岩因爆破振动而破坏的现象发生； ( 3 ) 结构紧凑、技术先进。目前悬臂式掘进机( b o o m t y p er o a d h e a d e r ) 多采用耙 装式装载机构和履带式行走机构，其装载能力大、调运灵活、工作可靠； ( 4 ) 经济、安全、成本低。掘进机掘进速度快，能够连续作业，经济效益和社会 效益高。改善了工人的劳动条件，体力劳动减少了0 5 l 倍( 与钻爆法相比) 3 1o 同全 断面掘进机( t b m ) 相比，在巷道断面尺寸大致相同的情况下，悬臂式掘进机的基本投 资费用约为全断面掘进机( t b m ) 的1 5 【4 j ，尤其是在中短巷道的施工中，因此对于绝 大多数的矿山井下巷道掘进，悬臂式部分断面掘进机( b o o m t y p er o a d h e a d e r ) 是很适用 的。同时避免了因爆破钻进而造成的人员伤亡，事故率大大减少。近年来，掘进机不仅 用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也取得了良好的技术经济效 果，国外的某些重型掘进机已能切割某些较硬的煤岩。 除以上优点外，悬臂式工作机构还有以下缺点： ( 1 ) 由于悬臂式工作机构仅切割工作面的一部分，需要沿巷道断面连续移动，与 同时切割整个工作面的工作机构相比，生产能力较低； ( 2 ) 工作机构在纵向和横向都不平衡，截割部向相反方向旋转时可达到局部平衡； ( 3 ) 掘进机采用悬臂式工作机构，在很多情况下，必须安装复杂的装载机构； ( 4 ) 因需要观察工作机构的动作，不能把巷道工作面空顶区隔开，不得不使用复 杂而笨重的除尘装备。 1 2 悬臂式掘进机国内外的发展状况 截止本世纪初，世界上各主要产煤国用悬臂式掘进机掘进的巷道己占巷道总长的 4 0 5 0 【5 1 。近年来，悬臂式掘进机不仅用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤 岩巷道掘进中也取得了良好的技术经济效果，国外的某些重型悬臂式掘进机己能截割某 些较硬的岩石巷道。 近年来国外悬臂式掘进机的发展与研究主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 截割功率稳定提高，机器的可靠性提高 据报道，日本成功地使用t m 6 0 k 型掘进机掘进全岩巷引水隧道，岩石硬度高达 1 7 0 2 0 0 m p a ，目前最大的w a v 4 0 8 型掘进机重达1 6 0 t ，截割功率可达4 0 8 k w ，定位切 截割断面面积可达8 7 5m 2 【6 1 。以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加 工精度都能进行严格的控制，又有优越的国际协作条件，有效的保证了主机的质量水平。 这些大大提高了整机的可靠性。 ( 2 ) 配套设备多样化 为充分发挥掘进机效能，各国都十分重视综掘作业线配套设备的研究。为缩短支护 时间，在中等稳定顶板条件下，常用机载锚杆钻机支护；为使掘进机与支护平行作业， 2 1 绪论 运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架，但使用效果都不理想。在后配套运输方面，通 常采用桥式带式转载机，后配带式输送机，有条件时设置活动煤仓。 ( 3 ) 采用机电一体化技术 国外新型掘进机均配有完善的工况检测和故障诊断系统，从而可以在早期发现机器 故障，并快速排除故障，大大缩短了机器的停机时间，生产率相应大幅提高：这样还可 以保证截割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当而引起的系统尖峰载荷，从而延长 机器的使用寿命。部分新型掘进机可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、截割 断面轮廓尺寸监控。 ( 4 ) 研究探索新的截割技术，如高压水射流掘进机的研制，冲击振动式截割机具 的研制等。 我国掘进机的发展起步较晚，尽管我国在1 9 5 6 年引进前苏联j i k 3 型掘进机用于煤 巷掘进，6 0 年代后期也进行了国产掘进机的研制，但由于当时的技术水平与生产条件所 限，未能在生产中广泛采用。“六五 以前，我国的掘进机研究水平还停留在轻型掘进 机上，以截割煤为主。通过“六五”，“七五”，“八五的技术攻关，经过科技工作者不 断的努力，我国掘进机研究与制造均取得了喜人的成绩，掘进机从轻型发展到了中、重 型，截割对象从煤矿拓展到了岩石，掘进机的使用范围产生了质的变化。目前，悬臂掘 进机技术已经跃上了一个新的台阶，总体水平接近国外同行。取得的成绩主要有【5 】： ( 1 ) 相继开发出三种重型掘进机，它们是e b j 1 6 0 型，e b j 1 6 0 h 型和e b h 1 3 2 型，其中e b j 1 6 0 型掘进机获国家科技进步二等奖( 1 9 9 9 年) ，它的研制成功使我国的 掘进机研究与制造水平迈上了一个新台阶，标志着我国掘进机研制开发水平进入国际先 进行列，使国产掘进机可经济截割8 0 m p a 硬度的岩石，使用范围不断扩大，目前已推 广到铁路、公路、水利建设等部门，并出口俄罗斯； ( 2 ) 完成了硬岩截齿的研究，研制出“三高”硬质合金刀头和新的截齿制造工艺， 使我国的硬岩截齿消耗达到国际先进水平； ( 3 ) 对高压水射流辅助截割技术和惯性冲击辅助截割技术进行了探索和尝试，并 研制成功了e l m b 7 5 c 型振动式掘进机，现已批量生产； ( 4 ) 将p l c ( 可编程控制器) 成功应用到部分掘进机电控系统中，在电控系统的 保护插件及故障诊断等方面取得了一定的成绩。 以上是简要分析了当今世界上和国内掘进机技术的发展现状与趋势。应当看出，我 国掘进机技术发展在某些方面与国外同行相比仍然存在一些不足。 1 3 问题的提出 虽然目前掘进机( b o o m t y p er o a d h e a d e r ) 在我国得到广泛的应用，特别是悬臂式部 分断面掘进机，但随着社会的不断发展，要求巷道施工向安全、优质、省力、高效、舒 3 西安科技大学硕士学位论文 适方向发展，传统的掘进机虽然可以实现机械化施工，一定程度上满足上述要求，但仍 然是手工操作，操作手劳动强度较大，舒适性较差，劳动生产率也不高，而且施工质量、 施工安全很大程度上取决于人为因素，采掘业属于苦、险、脏、累行业，因事故而伤亡 的人数也居高不下，因此，世界各地的科学家都在积极探索将机器人技术运用于矿山机 械上。一方面，矿山机器人能够高强度、长时间的在各种工作环境中从事简单的重复性 劳动，使矿工从繁重的体力劳动中解脱出来；另一方面，它对工作环境有很强的适应能 力，能代替人在有害环境中从事危险作业，因此掘进机自动化功能的完善意义重大。 目前，研制无人驾驶的全自动化悬臂式部分断面掘进机，结合g p s ( 全球卫星定位 系统) 进行掘进机的位置跟踪，是悬臂式掘进机发展并最终实现掘进机无人作业的更大 目标。 在悬臂式掘进机的自动化发展方面有一个很重要的研究方向就是断面的成形控制 和掘进方向控制，断面成形控制具体反映到悬臂式掘进机本身上面就是如何在作业过程 中控制掘进机的悬臂带动截割头运动( 截割头自身也作回转运动) ，使其能够切削出预 先规定轨迹的断面形状。而掘进方向和速度的控制是研究如何使掘进机在行走或施工时 始终都能按照设定好的路线运动，保持机器中心始终落在规划好的行进路线( 即巷道中 心线) 上，保证断面在开挖过程中不会因为机器自身定位不准而出现巷道一边欠挖而另 一边超挖的情况。 本文的研究也是假设掘进机行走系统的智能控制问题已经得到很好的解决，并以 e b j 1 3 2 a 型掘进机为例展开讨论的。 1 4 本课题的研究内容 本课题的主要任务有以下几点： ( 1 ) 根据悬臂式巷道掘进机的功能，在选定机型的基础上研究其主要工作机构的 构成要素；对悬臂式巷道掘进机主要工作机构和作业特点进行分析。 ( 2 ) 在对工作机构进行运动轨迹分析的基础上，经过合理的简化，对悬臂式巷道 掘进机截割头的运动轨迹进行规划，并建立相应的数学模型。 ( 3 ) 针对不同的断面形状，编制悬臂掘进机工作机构油缸行程的计算程序， 并绘 制出掘进头截割轨迹的包络线图，进行轨迹规划合理性的验证。 ( 4 ) 通过分析悬臂式掘进机手动液压控制系统，建立掘进机悬臂摆动自动液压控 制系统，并对系统的主要元件进行选型，在此基础上建立悬臂摆动自动控制系统的数学 模型。 ( 5 ) 根据建立的控制系统数学模型，对悬臂摆动液压控制系统速度仿真。 4 2 纵轴悬臂掘进机土要构造和t 作机构 2 纵轴式悬臂掘进机主要构造和工作机构分析 悬臂式掘进机按照截割头与悬臂的布置方式来划分有横轴式和纵轴式两种。它们的 工作原理如图2 1 所示【7 】，其中横轴式悬臂掘进机的截割头旋转轴与悬臂轴线垂直布置， 如图2 2 所示，这种形式的掘进机的截割头一般不易截割出平整的巷道侧壁，截割头运 动轨迹为空间螺旋线，在巷道两侧壁上会出现与截割头形状相应的台阶，为此，必须加 设专门的附属设备，或通过控制行走部，使截割悬臂的伸出长度可以调节，才能截割出 平整的巷道侧壁。纵轴式悬臂掘进机的截割头旋转轴与悬臂轴线同轴布置，截割头运动 轨迹近似平面摆线。因此，当截割头的形状和悬臂的铰接点与巷道断面形状相适应时， 如图2 3 所示，能够截割出平整的巷道。 图2 1 横轴式和纵轴式悬臂掘进机工作原理图 图2 2 横轴式掘进机所掘巷道侧壁情况图2 - 3 纵轴式掘进机所掘巷道侧壁情况 5 西安科技大学硕士学位论文 本章主要以e b j 1 3 2 a 型掘进机为例，简要介绍了纵轴式悬臂掘进机的基本构成， 并在分析其主要工作机构运动关系的基础之上推导建立了悬臂掘进机工作机构的相关 数学模型。 2 1e b j 1 3 2 a 型掘进机主要结构及主要技术特征 e b j 1 3 2 a 型掘进机是一种半煤岩重型巷道掘进机，主要由履带行走部、截割部、 转载部以及喷雾降尘等部分组成，其外形如图2 4 所示。 截割头 行走部 图2 4e b j 1 3 2 a 型掘进机外形图 e b j 1 3 2 a 型掘进机主要技术特征如表2 1 所示。 表2 1e b j 1 3 2 a 型掘进机主要技术特征0 8 i l 、总体驱动方式油马达 最大掘进高度 4 4 m5 、液压系统 最大掘进宽度 5 6 m 泵站电机功率 1 1 0 k w 最大卧底量0 2 5 m油泵数 6 掘进头伸缩量 0 总供油量 4 0 0 l m i n 掘进断面形状任意油箱容积0 8 5 m 3 爬坡能力 1 6 。 额定工作压力 1 6 m p a 可截割煤岩硬度 f 6 ，局部f = 7 8 工作介质n 6 8 # 抗磨液压油 6 总功率 2 4 2 k w 6 、喷雾降尘系统 机重 4 2 t 内喷雾压力5 m p a 最大外形尺寸 内喷雾流量3 0 4 0 l m i n 9 7 3 2 1 5 5 m ( 长宽高) 冷却水压力l 1 5 m p a 2 、截割机构外喷雾压力3 5 m p a 截割功率 1 3 2 k w 总流量 4 0 8 0 l m i n 截割头最人直径 0 9 2 5 m 7 、电气系统 截割头转速3 4 r m i n 供电电压 6 6 0 11 4 0 v 切向力 9 4 4 k n 电机总功率 2 4 2 k w 最大升力8 0 川照明功率1 4 0 2 1 0 w 最人降力 9 0 l d q 照明电压 2 4 v 最大侧推力 9 6 5 k n 8 、其它 最大钻进力4 0 0 k n 升降油缸行程 6 0 0 m m 3 、行走机构回转油缸行程 8 1 7 m m 履带板宽度5 0 0 m m升降油缸内径1 8 0 m m 行走速度 2 6 3 m 7 8 7 m m i n 同转油缸内径 1 8 0 m m 平均接地比压 0 1 4 m p a 升降油缸外径 2 1 9 m m 最大牵引力2 2 0 0 k n 回转油缸外径 2 1 9 m m 履带中心距 1 8 0 0 m m 同转台最人摆角 4 0 o 履带接地长度2 9 5 m悬臂最大摆角上：5 3o 下：2 9 o 4 、装运机构 装运形式星轮式输送机形式双边圆环链刮板 装载宽度 3 2 m 输送机槽宽 5 2 0 m m 星轮转速 2 7 5 r m i n 输送机链速0 7 9 m s 工作时，由掘进机司机通过控制操作台上的各种手柄改变各个流量阎的开度使流向 液压缸工作腔的液压油流量改变，从而使液压缸的位移得到控制，以此达到控制悬臂在 垂直面和水平面的摆动，最终使掘进头依照规定的要求经过多次工作循环切割出巷道断 面。 2 2e b j 13 2 a 型掘进机行走部简介 行走机构既是驱动掘进机行走、调动的执行机构，又是整台掘进机的连接、支撑基 础。 7 西安科技大学硕士学位论文 悬臂式掘进机通常采用履带式行走机构，掘进机在足够的牵引力驱动下，以一定的 速度按工作要求，作前进、后退和左、右转弯的调动。履带式行走机构具有机动性好、 工作可靠、调动灵活和对巷道底板适应性好等优点。e b j 1 3 2 a 型掘进机行走部也使用 履带式行走机构。 履带机构是依靠接地履带与巷道底板之间相对运动所产生的摩擦力驱动机器行走 的，其最大静摩擦力取决于机器重量以及履带板与底板之间的粘着系数。在行走机构电 动机容量一定或油马达转矩一定的情况下，行走阻力如果小于粘着力，当主动链轮旋转 时，链轮上的槽齿会拔压履带链板上的凸台，由于粘着力的存在，因此阻止了履带链运 动，从而迫使机器整体向前移动。反之，当行走阻力大于粘着力时，主动链轮的槽齿拔 压履带链板上的凸台，履带链能够克服履带板与底板之间的粘着力，则会出现履带链空 转即履带打滑现象。因此，为了保证掘进机的正常行走，行走机构必须具有足够的牵引 力。 悬臂式巷道掘进机的行走机构，需要满足驱动机体前进、后退以及左右转弯调动的 工作要求，所以履带式行走机构的左、右履带装置都采用分别单独驱动的传动方式。掘 进机前进、后退时，左、右履带装置同时驱动主动链轮带动履带运转，而当掘进机需要 转弯时，可以单独驱动转弯方向的另外一侧履带装置，而使转弯一侧的履带装置停止运 转；或者可以采用以相反方向分别驱动左右履带装置的方法，使机体急转弯。 履带式行走机构的驱动方式主要有电动机驱动和油马达驱动两种方式。e b j 1 3 2 a 型掘进机行走机构的驱动方式为低速大扭矩油马达驱动方式，左右分别单独驱动，行走 机构主要由履带架、履带、张紧轮组、张紧油缸、下支重轮、拖轮、行走减速机、履带 限护板以及油马达等组成，履带行走速度的调节是通过改变油马达的转速来实现的。行 走部示意简图如图2 5 所示。 卜驱动轮2 一导向轮3 一下支重轮4 一履带5 一托轮 图2 5 履带式行走机构工作原理图 8 2 纵轴式悬臂掘进机：卜要构造和t 作机构 2 3e b j 1 3 2 a 型掘进机截割部工作机构分析 截割部是悬臂掘进机中直接在工作面截割煤岩、实现巷道掘进的执行机构。因此， 工作机构的结构形式、截割能力、运转情况，对掘进机的生产能力、掘进效率和机体的 稳定性影响很大，虽然使用液压传动可以获得较大的调速范围并易于控制，油马达的体 积也比同样输出扭矩的电动机小，但液压系统过载能力小，对于煤岩硬度变化较大的掘 进工作来说，适应性和可靠性差，所以掘进机工作机构一般都采用电动机驱动。e b j 1 3 2 a 型掘进机也采用这种方式，截割电机功率为1 3 2 k w ，截割头额定转速为3 4 r m i n 。 悬臂式掘进机的截割部一般由电动机、联轴器、减速器、悬臂和截割头等组成，布 置在掘进机的前端，有些悬臂式掘进机的悬臂还带有伸缩机构，可以使悬臂沿巷道前进 方向伸缩，e b j 一1 3 2 a 型掘进机不带这种伸缩机构，工作时依靠机器自身的重力将掘进 头顶进截割断面，联轴器将掘进头和悬臂联接在一起，掘进头绕悬臂轴线的转动是依靠 电动机经过减速器和联轴器来实现的，电动机和减速器均安装在悬臂内部，这样设计的 好处一方面是可以使工作机构结构更加紧凑，提高悬臂的刚性，另一方面也可以有效地 防止掘进机工作时截割断面落下的煤岩损伤电动机与减速器。 e b j 1 3 2 a 型掘进机的截割头呈圆台形，在圆台体上焊接有螺旋叶片，在螺旋叶片 上沿螺旋线方向并按照截线间距布置了一系列齿座，截齿安装在各个齿座上，这样设计 的目的是为了有效的进行截割并减少掘进头在钻入工作面时引起的截割阻力。 作台 图2 6e b j - 1 3 2 a 型掘进机截割部不意图 2 3 1 悬臂垂直摆动机构分析 由图2 6 可以看出，e b j 1 3 2 a 型掘进机的悬臂升降是由一对同步升降油缸来完成 的，一对同步升降油缸分别与掘进机的机架和悬臂进行铰接，关于机器中心线对称布置， 悬臂也与机架铰接，当升降油缸的行程改变时，悬臂将绕其与机架的铰接点在垂直面内 作摆动，当升降油缸伸长时，悬臂向巷道上方摆动，当升降油缸缩短时，悬臂向巷道下 方摆动，因而可以方便地改变掘进头在巷道断面上的高度。 值得注意的是，因为掘进机自身具有一定的高度，悬臂的最大上摆角和最大下摆角 一般并不相等，并且悬臂在处于水平中位时，悬臂与机架的铰接点和悬臂轴线并不在同 9 西安科技大学硕士学位论文 一个水平面内，二者在垂直方向有一段固定的间距，而且这个间距随机型不同而不同。 2 3 2 悬臂水平摆动机构分析 e b j 1 3 2 a 型掘进机悬臂的水平摆动是依靠水平回转工作台的回转来实现的，机架 部分整体安装在水平回转工作台上，当回转台水平摆动时，安装在其上的机架将带动悬 臂作水平摆动。如图2 7 所示，回转台由一对对称布置的油缸来推动，工作油缸的两端 分别与水平回转工作台、机身铰接。工作时，一侧的油缸伸长，而另一侧的油缸相应缩 短，需要改变悬臂的水平摆动方向时，只需相应改变一对对称摆动油缸柱塞杆的运动方 向。由液压系统联系，升降油缸和水平回转油缸既可以单独运动，也可以同时作复合运 动。 趴 对称油缸与机架铰接点夕 点 图2 7 水平回转工作台示意图 2 4 本章小结 本章首先分析了e b j 1 3 2 a 型掘进机主要结构和技术特征，简约地介绍了其行走机 构，重点分析了其截割部工作机构，对工作机构中悬臂的垂直摆动和水平摆动的工作原 理分别作了分析。 1 0 3 掘进机悬臂摆动机构数学模型的建市 3 掘进机悬臂摆动机构数学模型的建立 本章首先介绍了我师兄张士勇研究的一些内容，根据机构运动学分析的一般方法， 结合悬臂掘进机工作机构的构成以及悬臂掘进机作业时的一些特点，在上一章对悬臂掘 进机工作机构分析的基础之上，采用几何投影的方法，进行了掘进头截割轨迹的简化和 截割工艺路线的确定，最后在此基础上建立了巷道断面高度从宽度b 和掘进机升降油 缸长度以及一对水平回转油缸长度厶。，厶。之间的数学关系【9 j 。 3 1 机构运动学分析的一般方法 机械系统一般由驱动装置、运动传递机构( 可以是各种关节及连杆等机构) 以及末 端执行机构组成，在进行系统的运动学分析时，大多数情况下都是将驱动装置去掉后进 行的，因为末端执行器的运动主要还是由中间的运动传递机构来决定。 机械系统的运动分析包括两方面的内容，从构成机械系统的各个关节( 包括回转关 节和平移关节) 的位移来求机构末端执行器的位置姿态，叫做运动学正解问题，也称为 解析( a n a l y s i s ) ；在求解运动学正解问题中，普遍采用的是齐次坐标变换法( 位移矩阵 法) ，即d h 法( 因为是d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 于1 9 5 5 年提出的一种为关节链中每一杆 件建立构件坐标系的矩阵方法，因此而得名) 。 由机构学理论可知，空间中任意坐标系中的向量，均可以经过合适的齐次变换转换 到另一个坐标系中；因此，这种方法是首先选定一个固定坐标系，再通过在机构的各个 环节建立各自的局部坐标系，然后根据机构中各个关节的结构参数，依据齐次坐标变换 方法来确定局部坐标系到固定坐标系的对应关系，以此达到求解机构中各个构件在固定 坐标系中的位置姿态的目的。坐标系的选取根据机构的构成情况不同可以分为：直角坐 标系，极坐标系，柱坐标系和球坐标系等。 相反，假定已知末端执行器的位置姿态，求出机构中各个关节的位移称为运动学逆 问题，也称为综合( s y n t h e s i s ) ：运动学逆问题的求解通常有数值解法、几何解法、雅可 比矩阵法。一般来讲，运动学逆问题的求解比较复杂，几何解法直观而且可靠，它完全 针对于所研究的机构形式，利用几何关系图解求得未知量的表达式，适合于自由度较少 的机构；而解析法则是利用齐次坐标变换矩阵，对其进行矩阵求逆的方法来求出相应的 未知量，这种方法适合于机构自由度比较多的场合，经常会出现无解或解不唯一的情况。 本课题的研究属于机构运动学逆问题，前面已经介绍过，悬臂掘进机工作部主要由 水平回转工作台、机架( 位于水平回转工作台之上，用于联接悬臂及升降油缸) 、悬臂、 与悬臂和机架分别铰接相连的升降油缸、掘进头( 安装在悬臂端部) 等部分组成，从机 构学的角度看，这是一个串联开链机构，从悬臂的运动来看，它有在垂直面内的摆动和 西安科技大学硕士学位论文 水平面内的摆动两个自由度。工作时，掘进头工作位置的变换是靠调整悬臂的姿态来实 现的，而悬臂又是通过升降油缸和水平回转油缸的驱动来分别实现在垂直面和水平面内 的摆动；一对升降油缸和一对水平回转油缸分别关于掘进机机身中心线对称布置，根据 这些特点，将工作机构简化后，可以采用几何解法，将悬臂掘进机工作机构分别在垂直 面内和水平面内进行投影，然后找出掘进头在巷道断面上投影的位置坐标与各个工作油 缸长度之间的数学关系，由于掘进头中心的位置坐标与升降油缸及水平回转油缸的长度 之间存在一一对应关系，因此，如果掘进头在巷道断面上的投影位置坐标可知时，则可 由上述数学关系反求出相应工作油缸的长度，而本节第二部分的任务就是根据悬臂掘进 机工作时的特点，按照一定的截割工艺路线将其工作过程离散化，这样当断面的形式和 具体尺寸已知时，可以方便地获得悬臂掘进机作业过程中，掘进头各个时刻在巷道断面 上的投影位置坐标。 3 2 掘进机截割头运动轨迹的简化及截割工艺路线的规划 3 2 1 掘进机截割头运动轨迹的简化 掘进机在工作时，除开切钻进以外，在一个工作循环以内截割头均处于水平摆动截 割状态，截割头上截割煤岩时的截齿运动是截割头自身旋转和悬臂水平摆动的复合运 动，由于悬臂在水平摆动时所形成的是一个圆柱面，因此掘进头上截齿的运动轨迹为与 之相切的空间摆线。同样，悬臂在垂直面内作上下摆动所形成的也是一个圆柱面。综合 这两种情况，在完成一个工作断面的开挖任务后，实际上形成的是一个内凹的断面( 如 图2 3 所示) ，而我们主要关心的是巷道的轮廓是否符合施工要求，因此可将这个内凹面 向巷道断面方向投影，得到的即是巷道断面的轮廓。 当掘进机截割头切入巷道断面开始截割时，切入深度和水平进给量一般保持不变， 由于e b j 1 3 2 a 型掘进机的截割头近似为圆台状，则截割头在巷道断面上的投影可简化 为一个大小已知的圆( 根据掘进头钻进的深度不同，其在巷道断面上的投影大小也不 同) ，因此可将截割头的运动简化成水平平动和绕悬臂轴线转动的复合运动：同时考虑 到掘进机悬臂长度通常比截割头直径大很多，而悬臂的摆动速度又比截割头自身转速慢 很多，因此可认为截割头运动所形成的包络线即是巷道断面的轮廓。 这样简化和掘进头的真实运动相比误差是很小的，这点在文献i lo j 中有详细叙述。 1 2 3 掘进机悬臂摆动机构数学模型的建椤 3 2 2 截割工艺路线的规划 图3 1 极限断面和儿种标准断面情况 掘进机在进行截割作业时应根据巷道断面的大小和形状，以及煤层的赋存情况，合 理地进行截割工作，超挖会给支护工作带来困难，并使巷道掘进效率降低，施工成本增 加。严格地说，要提出一种适用于任何断面截割的作业程序是不可能的，但对于一般较 均匀的中等硬度煤层，采取由下而上的作业程序，而对于相当峰硬的煤岩巷道，也可以 采取由下而上的作业程序，截割时应注意煤层的层理情况，沿层理进行截割，尽量避免 出现大的煤岩块，以利于装载转运。 另一方面，由前面的分析不难看出，悬臂掘进机在进行截割作业过程中，机器本身 沿巷道中心线方向布置，掘进头如果摆动到左、右、上、下极限位置时，那么所得到的 极限断面形状呈腰鼓形( 如图3 1 所示) ，其中最宽处出现在巷道中部，巷道顶部和巷道 底部的宽度均小于巷道中部宽度：而在实际作业过程中，悬臂掘进机所截割断面的形状 均小于极限断面，一般为标准的梯形，半圆拱形、三心拱形等等，因此可以针对具体形 状的标准断面进行截割工艺路线的初步规划。 另外一个重要的方面是，悬臂掘进机在进行截割作业时必须特别注意扫底，否则由 于底板上堆积大量煤岩，会影响清底，不注意清底工作，还会使掘进机的履带向前行走 时煤岩越积越高，截割底面随之越掘越高，这样会使巷道断面形状的积累偏差越来越大， 严重影响巷道掘进质量。 根据掘进机现场作业情况，在掘进机完成巷道断面成形任务后，还需要经过刷帮这 一作业程序，以提高修整断面成形质量。因此在进行截割工艺路线规划的时候，综合这 几方面的因素，本文考虑采用如图3 2 所示的截割工艺路线。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 ( a ) 断面成形阶段( b ) 断面修整阶段( 刷帮) 图3 2 截割t 艺路线的规划 由以上的分析可知，当给定巷道断面形状和具体尺寸时，假设初始时刻掘进头中心 在巷道断面投影上的位置坐标为( x o ，y o ) ，其中x 为任一时刻掘进头中心距巷道中心线 的水平距离，y 为任一时刻掘进头中心距巷道底板的垂直高度；如果按照规划好的截割 工艺路线，以时间为坐标，给定掘进头截割时的进给量，将掘进机整个作业过程离散化， 则可得到掘进头中心在巷道断面投影上的位置坐标序列 ( x o ，y o ) ，( 而，m ) ， ( x 2 ，y 2 ) ，( 矗小y k 一。) ，( 砟，y k ) ) ，由这个序列的每个元素可方便地求出掘进头 在任一时刻的运动轨迹，而由整个序列可作出掘进头运动轨迹的包络线，即巷道断面轮 廓。 经过掘进头运动轨迹简化和截割作业工艺路线的规划，可将表示巷道断面特征的高 度、宽度等要素和掘进头中心在巷道断面投影上的位置坐标联系在一起，为下一步计算 悬臂在作业过程中任意时刻在垂直面内的升降角以及悬臂在水平面内的摆动角奠定基 础【l l 】。 3 3 悬臂摆动数学模型的建立 由f j 面的分析可知，掘进机在进行巷道断面截割作业时，是通过悬臂带动掘进头分 别在垂直面内和水平面内摆动来完成断面截割任务的，因此需要在垂直面内和水平面内 分别对悬臂的运动加以分析。 为了简化分析，不考虑悬臂掘进机主要工作机构各个部件的具体结构形式，把截割 头等效为球形，由于工作机构本身具有很大的刚度，受外力而引起的形变很小，并且由 液压油的压缩而引起的工作机构形变也很微小，因此可将它们简化为和实际长度相等的 刚性杆件，则掘进机悬臂升降机构可简化为如图3 3 所示的摇杆机构，因为一对同步升 降油缸是关于机器中心线对称布置的，因此可将其简化为一个中心油缸，它的长度和实 际的升降油缸长度是相等的。 1 4 3 掘j f 机悬臂摆动机构数学模型的建市 图3 3 悬臂垂直摆动示意图 其中，a 为升降油缸与机架的铰接点，b 为升降油缸与悬臂的铰接点，0 3 为掘进头 中心在巷道断面上的投影位置，升降油缸a b 的长度记为，a b ，a b 7 ，a b 。，a b ”分 别表示悬臂在巷道不同高度时升降油缸厶的长度，悬臂轴线q b 在水平面内时刨0 2 b i g 为，q 为水平回转工作台中心线在垂直面内的投影，0 2 为悬臂垂直回转中心，么 b q 0 3 = b 0 2 0 3 7 = b ”0 2 0 3 ”= b ”0 2 0 3 ”记为死，这是由工作部件具体尺寸和安装位置决定 的，并不随悬臂绕点d 2 的转角改变而改变。而升降油缸长度和都随着口的改变而改 变。、分别为掘进头在掘进最高处、地板、卧底时悬臂的转角。悬臂长为， 其余尺寸见图3 3 。 由图3 3 可见，当悬臂轴线处于水平位置时，悬臂垂直回转中心口与悬臂轴线q b 并不在同一水平面内，二者的垂直距离a 0 = 1 5 1 2 1 4 1 2 = 1 0 0 m m 。 铰接点0 2 与b 的距离：q b = , j 1 5 5 0 2 + ( 1 5 1 2 1 4 1 2 ) 2 = 1 5 5 3 m m q b = 3 7 8 5 1 5 5 0 = 2 2 3 5 m m 当悬臂绕d 转过口角时，掘进头中心与水平面之间的夹角可表示为： 悬臂上升( 1 5 1 2 h 4 4 0 0 ) 时：口一唬， 悬臂下降( 一2 5 0 h 1 5 1 2 ) 时：口+ 九， 其中： 。 1 5 1 2 1 4 1 2 ，。 纯2 黜印试面r 刮 1 5 西安科技大学硕士学位论文 在三角形以0 3 b 中由余弦定理有： ，= 0 2 0 3 = d 2 8 2 + q