樊文超

（北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036000）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)為煤礦生產(chǎn)必不可少的生產(chǎn)設(shè)備，其承擔(dān)著對(duì)巷道的掘進(jìn)任務(wù)；而且，掘進(jìn)機(jī)是一套集機(jī)械、電氣、液壓控制為一體的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。目前，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)雖然在截割功率和噸位上達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但是整機(jī)生產(chǎn)的可靠性仍與國(guó)外存在較大的差距，比如掘進(jìn)機(jī)截齒磨損、回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接耳斷裂、行走輪磨損嚴(yán)重等。本文主要針對(duì)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中所面臨的可靠性低的問(wèn)題，采用虛擬樣機(jī)分析手段對(duì)其在不同工況下的工作狀態(tài)和控制策略進(jìn)行研究[1-3]。

1 掘進(jìn)機(jī)橫擺控制系統(tǒng)模型的建立

本文將掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)作為主要研究對(duì)象，建立橫擺機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型和液壓機(jī)構(gòu)模型。

1.1 掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)液壓模型的構(gòu)建

本文所研究掘進(jìn)機(jī)的具體型號(hào)為EBZ300，該型掘進(jìn)機(jī)的具體性能參數(shù)如表1 所示。

表1 EBZ300 掘進(jìn)機(jī)主要性能參數(shù)

本文將基于表1 所示的掘進(jìn)機(jī)的主要性能參數(shù)完成模型的搭建，并對(duì)其橫擺機(jī)構(gòu)的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)研究。在實(shí)際生產(chǎn)中，掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)將液壓油缸中的液壓壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力。因此，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的工況特點(diǎn)，主要對(duì)橫擺機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行模型，建模所采用的軟件為EASY5?；贓ASY5 軟件所構(gòu)建的掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理

如圖1 所示，掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中直接作用對(duì)象為通過(guò)對(duì)油缸推理力臂、油缸伸縮長(zhǎng)度以及油缸伸縮速度等指標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)了整個(gè)機(jī)構(gòu)的控制。

1.2 掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)實(shí)體模型的構(gòu)建

掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)主要包括截割頭、本體架、齒輪、花鍵、回轉(zhuǎn)臺(tái)和內(nèi)伸縮套等零部件。其中，截割頭主要由截齒、葉片、齒座和頭體等組成；針對(duì)截割頭實(shí)體建模的需求，本文將采用參數(shù)化建模的方式實(shí)現(xiàn)其功能。在實(shí)際工作中，掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的本體架無(wú)相互間的作用，為了減少仿真過(guò)程的計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，采用拉伸命令構(gòu)建本體架的基本結(jié)構(gòu)，而后在通過(guò)旋轉(zhuǎn)、打孔以及抽殼等操作完成本體架模型的構(gòu)建。

基于Pro/E 三位建模軟件構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的模型，并將模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中；根據(jù)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的實(shí)際材料屬性對(duì)模型中各零部件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置；根據(jù)各零部件之間的相互作用關(guān)系完成約束關(guān)系的設(shè)置。

在上述步驟下建立了掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的剛性模型。但是，為了能夠準(zhǔn)確反應(yīng)掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際工作中所承受的載荷情況，并得出掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)在惡劣工況下的薄弱環(huán)節(jié)，需要對(duì)上述所構(gòu)建的剛性模型進(jìn)行柔化處理，即得到了剛?cè)狁詈夏Ｐ?；具體操作：對(duì)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)臺(tái)賦予特殊的特性材料參數(shù)。

最終，所構(gòu)建的掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ腿鐖D2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?/p>

2 掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果分析

將“1”中所構(gòu)建的掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)和掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ陀袡C(jī)結(jié)合后得到了掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)機(jī)液耦合仿真模型，對(duì)掘進(jìn)機(jī)在不同工況條件下（不同閥口開(kāi)度與不同煤巖層堅(jiān)固系數(shù)的組合）掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)心位置變化、懸臂擺動(dòng)角度與截割頭合力及力矩；懸臂擺動(dòng)的角速度、角度變化等情況進(jìn)行對(duì)比分析。仿真分析的工況參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真工況參數(shù)

通過(guò)對(duì)上述不同工況下仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出回轉(zhuǎn)臺(tái)為掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。在四種工況下且時(shí)刻點(diǎn)0.01 s 對(duì)應(yīng)橫擺機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力位置處于回轉(zhuǎn)臺(tái)與其左側(cè)回轉(zhuǎn)油缸的鉸接耳部位置，不同工況下的應(yīng)力值如表3 所示。

表3 不同工況對(duì)應(yīng)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)應(yīng)力值 單位：MPa

根據(jù)其材料屬性，掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)臺(tái)材料的許用應(yīng)力為108 MPa。對(duì)比表3 中的數(shù)據(jù)，掘進(jìn)機(jī)的最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)大于其許用應(yīng)力值；而且隨著閥口開(kāi)度的增加和煤巖層堅(jiān)固系數(shù)的增加，其所承受的最大應(yīng)力值均在增加。同時(shí)，掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，工況二、工況三回轉(zhuǎn)臺(tái)所承受的應(yīng)力值與其許用應(yīng)力值相近，而在工況四時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力值大于其許用應(yīng)力值。

綜上，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)在全速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)無(wú)法適應(yīng)堅(jiān)固系數(shù)為8 的煤巖層的工作。

3 掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)的控制優(yōu)化

鑒于掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)屬于一個(gè)非線性且多變量強(qiáng)耦合的工作過(guò)程中，實(shí)踐中表明僅采用簡(jiǎn)單的PID控制器難以達(dá)到與其的控制效果；而且鑒于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境的惡劣性，容易受到周圍環(huán)境的影響，要求其控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾特性。因此，本文擬提出采用SVR 內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)取代其傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)?；凇?”中所構(gòu)建的掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蠙C(jī)液仿真模型對(duì)比PID 控制器和SVR 內(nèi)?？刂频男Ч瑢?duì)比結(jié)果如表4 所示。

表4 PID 控制器和SVR 內(nèi)?？刂破鞯男Ч麑?duì)比

如表4 所示，采用SVR 內(nèi)?？刂破飨啾扔赑ID控制器具有全優(yōu)的控制效果。具體分析如下：在延遲時(shí)間和上升時(shí)間方面兩類控制器相差不大；而在調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量方面，SVR 內(nèi)?？刂破骶哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)。即基于SVR 內(nèi)?？刂破鞯木蜻M(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)具有較快的響應(yīng)速度；同時(shí)，非常小的超調(diào)量對(duì)應(yīng)的實(shí)際生產(chǎn)中巷道的超挖量較小。

4 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)為煤礦生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，其主要用于對(duì)巷道的開(kāi)拓，巷道開(kāi)拓的效率和最終巷道的成型質(zhì)量對(duì)于保障后續(xù)的高效生產(chǎn)具有重要意義。本文采用虛擬樣機(jī)確定掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)橫擺機(jī)構(gòu)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化[4-5]。具體總結(jié)如下：

1）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)在全速運(yùn)行時(shí)，無(wú)法適應(yīng)堅(jiān)固系數(shù)為8 的煤巖層的工作，且薄弱環(huán)節(jié)為回轉(zhuǎn)臺(tái)。

2）基于SVR 內(nèi)模控制器的掘進(jìn)機(jī)橫擺機(jī)構(gòu)具有較快的響應(yīng)速度；同時(shí)，非常小的超調(diào)量對(duì)應(yīng)的實(shí)際生產(chǎn)中巷道的超挖量較小。說(shuō)明，基于SVR 內(nèi)模控制器可獲得快速掘進(jìn)和高質(zhì)量的巷道。