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煤炭是我国的主体能源,随着开采深度的不断增加,采掘作业区各种自然灾害更趋严重。因此,无人采掘装备已成为我国煤炭工业的重要发展目标。在综掘工作面,悬臂式掘进机的应用大幅提高了巷道掘进效率,但仍存在很多问题,严重制约了智能化无人综掘的发展,其中悬臂式掘进机的机器人化自主导控是首要问题,其关键基础科学问题的解决更是当务之急。聚焦关键科学问题:悬臂式掘进机截割过程位姿响应和截割臂摆速控制方法,本文通过动力学建模与分析,得到了掘进机截割过程位姿响应规律与截割臂径向跳动规律;提出并研究了一种截割臂摆速控制方法,根据煤岩硬度的变化自动调整截割臂摆速;为掘进机机器人化自主导控的实现提供了理论依据与支撑。(1)基于Lagrange方程建立了悬臂式掘进机截割过程位姿动力学耦合模型。分析了悬臂式掘进机截割过程位姿变化现象及影响因素,确定了位姿变化参数为偏向位移、后向位移、卧底位移、俯仰角、横滚角和偏向角,影响因素为截割载荷、截割臂摆角和煤层倾角,并提出了一种截割载荷离散化计算方法。对第二类Lagrange方程进行变形,完整地计算了掘进机截割过程中整机系统的动能、势能和耗散能;针对横向截割与纵向截割两种工况,推导了掘进机位姿变化运动微分方程组,建立了掘进机截割过程位姿动力学耦合模型,为掘进机的动力学分析提供了完整的理论模型。(2)分析得到了悬臂式掘进机截割过程位姿响应规律。基于Simulink对掘进机截割过程位姿动力学耦合模型进行了仿真求解分析,得到了不同工况多种因素影响下的掘进机截割过程位姿响应规律:横向截割过程中,偏向位移最大可达6.5cm,后向位移最大可达5.2cm,卧底位移最大可达11cm,俯仰角最大可达7.8°,横滚角最大可达2.1°,偏向角最大可达7°;纵向截割过程中,偏向位移最大可达6.2cm,后向位移最大可达3.7cm,卧底位移最大可达13.3cm,俯仰角最大可达9.3°,横滚角最大可达4.5°,偏向角最大可达6.4°。针对倾角为30°的大倾角煤层特殊工况,分析了掘进机截割过程位姿响应规律:横向截割过程中,偏向位移最大可达8.8cm,后向位移最大可达4.5cm,卧底位移最大可达14.6cm,俯仰角最大可达9.1°,横滚角最大可达2.4°;纵向截割过程中,偏向位移最大可达9cm,后向位移最大可达4.1cm,卧底位移最大可达16.9cm,俯仰角最大可达8.8°,横滚角最大可达2.9°。在所有工况中,截割载荷对掘进机位姿变化的影响较大,截割臂摆角和煤层倾角的影响相对较小;偏向角的变化与煤层倾角无关,只受截割载荷与截割臂摆角的影响。(3)基于Lagrange方程建立了掘进机截割过程截割臂径向跳动动力学模型,分析得到了截割臂径向跳动规律。分析了掘进机截割过程截割臂径向跳动现象及影响因素,主要为截割载荷与截割臂摆角。基于变形后的Lagrange方程,针对水平方向与垂直方向的截割臂径向跳动现象,推导了相应的运动微分方程,建立了截割臂径向跳动动力学模型,并基于Simulink对其进行了仿真求解,分析得到了截割臂径向跳动规律:水平方向截割臂径向跳动量最大可达到5.3°,最小为0.5°;垂直方向截割臂径向跳动量最大可达到5.4°,最小为0.3°;截割载荷对截割臂径向跳动的影响较大,截割臂摆角的影响相对较小。最后通过井下现场实测数据,验证了掘进机截割过程截割臂径向跳动规律的正确性。(4)提出了一种截割臂摆速控制方法与策略,并进行了仿真研究。构建了截割臂摆速控制策略,通过控制截割臂摆速来实现恒功率截割。提出了一种基于多参数判据的截割载荷变化判定策略,根据截割电机电压和电流,截割臂驱动油缸压力和截割臂振动加速度的变化来准确判断截割载荷的变化。利用BP神经网络保证截割电机输出功率恒定,对BP神经网络进行了设计,并用遗传算法对其进行了优化;基于井下实测数据,获取了训练样本;基于Simulink建立了截割臂摆速仿真控制系统,并进行了仿真分析。结果表明:该方法能够根据煤岩硬度的变化自动调整截割臂摆速,保证截割电机以额定功率进行恒功率截割,而且控制精度较高,响应速度较快。