護盾式智能掘進系統截割機器人截割能力研究

薛力猛,馬宏偉,王川偉,張 恒

(1.西安科技大學 機械工程學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 陜西省礦山機電裝備智能檢測與控制重點實驗室,陜西 西安 710054)

0 引 言

煤礦巷道快速掘進面臨兩大挑戰[1-3],一是快速截割,二是快速支護,尤其是面對夾矸厚度大、硬度高、片幫嚴重等復雜地質條件的大斷面巷道截割問題,亟待探究截割理論和方法[4],研發新型截割裝備[5-7],實現智能截割。

在巷道截割方法研究方面,馬宏偉等針對小保當煤礦夾矸與片幫共存的掘進難題,研發護盾式智能掘進機器人系統,創新了大斷面全寬橫軸截割的新模式,探索煤巖截割控制新策略[8-11]。李旭等基于微分幾何理論建立了EBZ160型掘進機工作機構運動學模型,用牛頓迭代法求解出運動學方程,并進行仿真分析,結果表明橫擺時的截齒運動與實際路徑相吻合,截割部回轉中心速度和回轉臺角速度有較強的相關性,截齒的加速度只在掘進截割方向有較大的變化[12]。李曉豁等建立橫軸式掘進機截割時的截齒運動軌跡的幾何模型及運動方程,并進行截割頭運動特性仿真分析和研究[13-14]。黃建農等針對EBH300A型煤礦橫軸掘進機建立實體模型和坐標系,并進行截割部運動學分析,得到了掘進頭截齒速度、位移和加速度的運動變化過程[15]。劉旭南等用三維設計軟件、仿真分析軟件等工具建立采煤機截割滾筒受力力學模型,并進行仿真分析,研究滾筒的可靠性,得出輸出軸、殼及行星架等的可靠度,發現行星架和殼體的應力集中過程,得到了最大應力值所處位置[16]。尹力等研究采煤機滾筒的載荷情況,分析不同截割工況下截割參數的關系,得出所用方法準確有效[17]。年魁等對連續采煤機滾筒載荷進行仿真分析,為裝載、行走和整機的設計提供參考[18]。針對護盾式大斷面半煤巖全寬橫軸滾筒截割能力、滾筒截割力與煤礦巷道煤巖硬度之間的相互關系及變化規律的研究較少,無法為快速掘進系統掘進截割的控制提供強有力的支撐。

針對復雜地質條件煤礦巷道智能截割難題,以西安科技大學等[10]研發的護盾式智能掘進機器人系統的截割機器人為研究對象,分析其截割特點,建立運動學與動力學模型[19],通過截割仿真分析,獲得截割機器人截割力與滾筒轉速、滾筒截割速度、截割深度、煤巖硬度之間的變化關系,可為截割機器人定形截割的智能控制提供理論依據。

1 截割機器人基本構成與工作原理

護盾式智能掘進機器人系統(圖1),主要包括截割機器人、臨時支護機器人、鉆錨機器人、電液控平臺等。其中截割機器人集成于臨時支護機器人底座平臺之上,通過臨時支護機器人上盾體、下盾體2部分與圍巖的相互作用,可為截割機器人提供一個穩定的滑移平臺(圖2)。截割機器人由截割滾筒、截割臂、滑臺、液壓油缸等部件構成(圖3)。通過滑臺推移油缸的伸縮控制可實現截割部前后滑移運動,通過2個截割臂油缸的伸縮量控制可實現截割滾筒的上下擺動,利用滑臺推移油缸和2個截割臂油缸的復合運動,可實現巷道斷面的成形截割,截割機器人的主要技術參數(表1)。

圖1 護盾式智能掘進機器人系統Fig.1 Shield intelligent tunneling system

圖2 截割機器人與臨時支護機器人Ⅰ和ⅡFig.2 Cutting robot and temporary support robot Ⅰ&Ⅱ

圖3 截割機器人構成Fig.3 Composition of cutting robot

表1 截割機器人技術參數Table 1 Technical parameters of cutting robot

2 截割機器人運動學與平面力學模型

2.1 截割機器人運動學模型

根據截割機器人結構及組成原理,把截割機器人簡化為多連桿機構。建立截割機器人空間運動位姿坐標系(圖4,表2)。

圖4 截割機器人空間運動位姿坐標系Fig.4 Spatial motion coordinate system of the cutting robot

表2 截割機器人D-H參數Table 2 D-H parameters of cutting robot

設定掘進截割總坐標系為(O0,X0,Y0,Z0),滑臺局部坐標系為(O1,X1,Y1,Z1),截割臂局部坐標系(O2,X2,Y2,Z2),截割滾筒軸心局部坐系(O3,X3,Y3,Z3)。

截割機器人齊次變換矩陣為[20]

T=T1T2T3T4

式中T為截割機器人滾筒相對于總體坐標系的齊次變換矩陣;T1為截割機器人滑臺相對于總坐標系的齊次變換矩陣;T2為截割機器人截割臂相對于滑臺坐標系的齊次變換矩陣;T3為截割機器人截割滾筒軸心相結于截割臂坐標系的齊次變換矩陣。

(1)

式中θ1,θ2為截割臂和截齒轉角;H1為滑臺高度;L1為滑臺到原點長度;L2為截割臂長度;R為截割滾筒半徑。

滾筒上截齒的軌跡運動方程為

(2)

式中zi,yi分別為截齒在Z和Y方向的運動軌跡。

對任意截割時刻的截齒軌跡方程求導數可得截齒速度。

(3)

則截齒速度大小[18]

(4)

2.2 截割機器人平面力學模型

掘進機器人所受截割阻力是滾筒上的截齒截割煤巖所產生的,滾筒和截齒力學分析是掘進機器人力學分析的基礎,截割一段時間后截齒會產生磨損現象,對于磨鈍截齒的截割力有[21-22]

(5)

(6)

截齒的截割阻力和牽引阻力按坐標系進行分解,巷道軸線方向為Z向,牽引方向為Y向,則每條截線上Z向合力為[23-25]

(7)

每條截線上Y向合力為

(8)

式中Yij,Zij分別為第i條截線上第j個截齒在Y,Z方向的分力。

作用在滾筒Y方向的合力,Z方向的合力分別為

(9)

(10)

式中i為第i條截線;j為任一條截線上第j個截齒;z為任一條截線上截齒數;N為截線數量。

根據截割臂受力析(圖5)及截齒及滾筒受力計算得,在截割機器人穩定截割時滿足

(11)

式中MA為截割臂力合力矩;Fx,Fy分別為截割臂x和y方向合力。

3 截割機器人截割仿真

3.1 截割機器人運動軌跡仿真

截割機器人截割截割滾筒截割速度2.3 m/min,巷道斷面高度4.25 m,滾筒轉速25.6 r/min。對截割機器人截齒、截割滾筒、截割臂及滑臺運動軌跡進行仿真(圖6),曲線①②③④分別為滾筒上截齒、截割滾筒軸、滑臺、截割臂的運動軌跡?；_和截割臂的曲線運動合成截割滾筒的上下運動,使截割滾筒上的截齒以滾筒軸為中心做周期運動,完成巷道斷面的平面截割。

圖6 截割機器人運動軌跡仿真Fig.6 Motion trajectory simulation of cutting robot

3.2 機器人截割力與截割硬度仿真

設定截割滾筒截割速度分別設置為3,2.3 m/min,巷道斷面高度為4.25 m,巷道斷面設定有f1～f7不同硬度的煤巖,煤巖單軸抗壓強度分別為10,20,30,40,50,60 MPa和70 MPa(大致相當于煤巖硬度f1～f7)。當截割機器人截割深度為300 mm,對截割機器人進行仿真,得到不同滾筒截割速度下機器人截割力與截割硬度關系(圖7),其中曲線①表示滾筒截割速度為3 m/min時的截割力,曲線②表示滾筒截割速度為2.3 m/min時的截割力,曲線③表示截割機器人滾筒可提供的截割力。

圖7 不同滾筒截割速度下機器人截割力與截割硬度關系Fig.7 Relationship between cutting force and cutting hardness under different roller lifting speeds

通過對截割機器人不同滾筒截割速度下機器人截割力與截割硬度關系(圖7)。隨著滾筒截割速度的增加,截割機器人所需要的截割力也會隨之增加。當截割機器人運動到煤巖硬度為f1-f6時,截割機器人所需要滾筒截割力均小于75 kN,說明此時截割機器人能夠完成巷道斷面的截割任務。當截割機器人運動到煤巖硬度為f7時,需要滾筒截割力分別為78 kN和85 kN,其值大于75 kN,此時截割機器人不能完成巷道斷面的截割任務。

3.3 機器人截割力與截割深度仿真

設定截割滾筒截割速度分別設置為3,2.3 m/min,巷道斷面高度為4.25 m,截割深度設定有300,400,500,600 mm和700 mm。當煤巖單軸抗壓強度40 MPa(大致為硬度f4),對截割機器人進行仿真,得到截割機器人不同滾筒截割速度下機器人截割力與截割深度關系(圖8)。

圖8 不同滾筒截割速度下機器人截割力與截割深度關系Fig.8 Relationship between cutting force and cutting depth under different roller lifting speeds

在截割速度為3,2.3 m/min時(圖8),隨著截割機器人截割深度的增加,截割機器人所需要的截割力也會隨之增加,截割力的大小與截割深度成正比。當煤巖單軸抗壓強度40 MPa時,截割深度為700 mm時,截割力為74 kN,此時截割機器人能夠完成巷道斷面的成形截割任務。

4 試驗驗證

為了驗證理論分析結果的準確性,設計了現場試驗,在小保當礦業公司護盾式智能掘進機器人系統進行測試。測試平臺(圖9),為壓力傳感安裝位置和數據監測平臺。截割機器人截割硬度f4,截割速度2.3 m/min,斷面高度4.25 m,截割深度分別為300,400,500,600,700 mm,位移/流量傳感器2個(表3)。

圖9 試驗測試系統及系統壓力監控界面Fig.9 Experimental testing system and system pressure monitoring interface

表3 截割機器人及圍巖參數Table.3 Parameters of cutting robot and surrounding rock

在測試截割機器人滑臺推移油缸及截割臂升降油缸的推拉力時,油缸推拉力與液壓系統壓力之間的關系式為

F推=πR2P,F拉=π(R2-r2)P

(12)

式中F推為油缸推力,kN;F拉為油缸拉力,kN;R為缸筒半徑,mm;r為活塞桿徑,mm;P為測得的油缸壓強,kPa。

測試截割臂油缸壓力曲線及計算所得截割力比較數據(圖10,表4)。曲線①②③④⑤分別為300,400,500,600 mm和700 mm截割深度時油缸受力情況(圖10),截割臂油缸拉力在截割開始階段減小來平衡截割臂重力產生的油缸推力,然后迅速增大,截割臂趨水平時,油缸拉力增大趨勢減緩,達到最大值,隨后油缸拉力逐漸減小,根據截割機器人力學模型及油缸參數,得到速度為2.3 m/min時,不同截割深度的截割力(表4),最大誤差在2%左右。誤差原因有仿真模型為簡化模型,各參數的設定與實際還有一定的偏差,還需要通過多次模擬仿真與實際試驗進行對比分析,調速各仿真參數,使仿真試驗盡可能與實際相一致。

圖10 不同截割深度截割臂油缸受力Fig.10 Stress diagram of cutting arm cylinder at different cutting depths

表4 不同截割深度截割力比較Table 4 Comparison of cutting forces at different cutting depths

為測試不同煤巖硬度斷面截割效果,設定截割速度為2.3 m/min,截割深度為300 mm,截割高度為4 250 mm,進行了煤巖硬度分別為f4和f6的斷面截割試驗。測試效果(圖11),為煤巖硬度為f4的斷面截割效果和煤巖硬度為f6的斷面截割效果。由圖可知,條件相同的情況下,煤巖硬度低的斷面較為平整,硬度高的斷面平整度較低。經過對截割機器人截割力的仿真和試驗測試分析,可知理論分析與試驗結果相一致,可為截割機器人智能截割的截割參數優化提供理論支持。

圖11 煤巖硬度f4和f6斷面效果Fig.11 Cutting effect of coal rock hardness f4 &f6

5 結 論

1)根據截割機器人結構及組成原理,將截割機器人簡化為多連桿機構,建立護盾式截割機器人運動學模型及平面力學模型,得到截割機器人滾筒位移量與各油缸伸縮量的對應關系及滾筒截割阻力、滑臺牽引力與煤巖接觸強度之間的變化關系。

2)建立截割機器人虛擬樣機模型,完成不同截割速度、截割深度、煤巖硬度下截割能力仿真分析。當截割速度一定時,截割力隨煤巖硬度增大而增大,且機器人截割煤巖的最大硬度為f6。當煤巖截割硬度不變時,截割機器人的截割力隨截割深度的增加而增大,且截割速度、煤巖硬度一定時,可確定截割機器人的最大截割深度。

3)試驗表明建立的截割機器人的模型是正確的,試驗結果與仿真結果一致,證明該方法可用于截割機器人真實截割作業控制的支撐,為煤礦巷道快速掘進截割提供理論依據。