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第４６卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ４６ Ｎｏ１２ ２０１８年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ.２０１８ ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型竖井掘进机自动纠偏系统研究荆国业１ꎬ２ꎬ高 峰１ꎬ２(１.北京中煤矿山工程有限公司ꎬ北京 １０００１３ꎻ２.煤炭科学研究总院建井研究分院ꎬ北京 １０００１３)摘 要:为解决ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型竖井掘进机在凿岩掘进过程中存在的偏斜问题ꎬ讨论了竖井掘进机在破岩掘进过程中的姿态检测与控制方式ꎬ编制了基于模糊控制理论的纠偏控制器ꎬ并根据实际情况ꎬ设计了以灰色系统理论为基础的偏斜预测算法ꎬ介绍了偏斜预测的相关算法ꎮ为了验证纠偏系统的可靠性ꎬ进行了调试状态下的模拟纠偏试验ꎬ监测和记录了模拟偏斜条件下纠偏系统的输出量ꎮ试验结果表明ꎬ纠偏系统的输出量符合人工纠偏操作过程ꎬ能够满足竖井掘进机在掘进过程中的姿态控制问题ꎮ基于模糊控制和灰色预测的自动纠偏系统的成功研发ꎬ为竖井掘进机的安全、稳定运行提供了保障ꎮ关键词:竖井掘进机ꎻ自动纠偏ꎻ模糊控制ꎻ灰色预测中图分类号:ＴＤ４２ 文献标志码:Ａ 文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１２－００２７－０８Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ－ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆＭＳＪ５.８/１.６ＤｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅＪＩＮＧＧｕｏｙｅ１ꎬ２ꎬＧＡＯＦｅｎｇ１ꎬ２(１.ＢｅｉｊｉｎｇＣｈｉｎａＣｏａｌＭｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＭｉｎｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｄｅｆｌｅｃｔｉｖｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅꎬａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｏｆｔｈｅｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｄｒｉｖｉｎｇｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄꎬｔｈｅｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬｔｈｅｐｏｓｔｕｒａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｒｅｙ－ｓｙｓｔｅｍｔｈｅｏｒｙｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒｅｌｉａ￣ｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ－ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｎｄｅｒｌａｂｏｒａｔｏｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎬａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｄｅｆｌｅｃｔｉｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｍｏｎｉｔｏｒｅｄａｎｄｒｅｃｏｒｄｅｄ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｍａｎｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎꎬａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｃｏｎｔｒｏｌｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ－ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｂｉｎｅｄｇｒｅｙｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｅｎｓｕｒｅｄｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｈａｆｔ－ｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅꎻａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ－ｄｅｖｉａｔｉｏｎꎻｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌꎻｇｒｅｙｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ收稿日期:２０１８－０６－１３ꎻ责任编辑:赵 瑞 ＤＯＩ:１０１３１９９/ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０１８１２００５基金项目:国家高技术研究发展计划(８６３计划)资助项目(２０１２ＡＡ０６Ａ４０３)ꎻ国家重点研发计划资助项目(２０１６ＹＦＣ０６００８０２)作者简介:荆国业(１９８０—)ꎬ男ꎬ山西临猗人ꎬ副研究员ꎬ硕士ꎮＴｅｌ:０１０－８４２６３０８１ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｊｉｎｇｇｙ＠１２６.ｃｏｍ引用格式:荆国业ꎬ高 峰ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型竖井掘进机自动纠偏系统研究[Ｊ]煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１２):２７－３４ＪＩＮＧＧｕｏｙｅꎬＧＡＯＦｅｎｇＲｅｓｅａｒｃｈｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ－ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆＭＳＪ５.８/１.６Ｄｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ[Ｊ]ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ￣ｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１２):２７－３４０ 引 言随着我国矿山开采机械化水平的提高ꎬ大型矿井和千万吨级别高产高效工作面的增加ꎬ矿井建设和矿井开拓接续问题凸显[１－３]ꎮ“十二五”期间ꎬ国家“８６３计划”重点项目“煤炭智能化掘采技术与装备”的“矿山竖井掘进机研制”课题ꎬ已开发出具有安全防护的竖井综合凿井装备———ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型矿山竖井掘进机ꎮＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型矿山竖井掘进机是一种涉及多学科的技术密集型施工设备ꎬ主要应用于竖井井筒建设ꎬ能够实现快速机械破岩、支护ꎬ是大型现代化矿井建设机械化的发展方向ꎬ具有广阔的应用前景[４－８]ꎮ溜渣孔偏斜、复杂的地质地层条件、现场人为因７２２０１８年第１２期煤炭科学技术第４６卷素等ꎬ都会干扰竖井掘进机的掘进方向ꎬ使井筒产生偏斜ꎮ竖井井筒工程对成井偏斜有严格的要求ꎬ以风井为例ꎬ允许的偏斜率可限制至０.０３％以下ꎬ对主、副井等有提升要求的井筒偏斜要求更高ꎮ若无法在井筒施工过程中有效地解决偏斜控制问题ꎬ就只能在设计过程中增大井筒直径ꎬ这将显著增加建井成本ꎮ为提高井筒施工质量ꎬ保证成井的有效圆断面满足井筒要求ꎬ降低井筒的建设成本ꎬ要求竖井掘进机在井筒的施工过程中须具备严格控制钻进偏斜的能力ꎮ当偏斜值超过允许值时ꎬ竖井掘进机能够及时纠正ꎬ以确保井筒中心线和截面符合设计要求ꎮ此外ꎬ实际井筒施工中可能会出现不可控因素ꎬ造成掘进机纠偏系统失效ꎮ为防止发生无法逆转的工程事故ꎬ在纠偏系统失效前ꎬ竖井掘进机应具备准确的偏斜预测能力ꎬ提前预警ꎬ使技术人员在事故发生前对问题进行排查ꎮ基于此ꎬ笔者详细讨论了竖井掘进机在凿岩掘进过程中可能存在的偏斜问题ꎬ编制了基于模糊控制理论的纠偏算法ꎬ并跟据实际情况ꎬ设计了以灰色系统理论为基础的偏斜预测系统ꎮ１ 竖井掘进机凿井工艺ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型矿山竖井掘进机(图１)是一种具有安全防护的竖井综合凿井装备ꎬ其凿井工艺如图２所示ꎮ图１ ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型矿山竖井掘进机Ｆｉｇ.１ ＭＳＪ５.８/１.６ＤｔｙｐｅｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｎｍｉｎｅＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型矿山竖井掘进机的凿井工艺可归纳为以下过程:首先采用反井钻机施工导井ꎬ导井施工完成后ꎬ施工井筒锁口ꎬ并安装竖井掘进机和相关辅助设备ꎬ利用竖井掘进机进行扩井ꎮ竖井掘进机运行过程中ꎬ岩渣自导井掉落至下部水平巷道ꎬ由下部运输系统装运ꎮ竖井掘进机掘进井筒至一定深度后ꎬ安装吊盘和保护盘ꎬ向下掘进的同时完成井壁支护ꎮ竖井掘进机掘进至井筒底部ꎬ拆除吊挂系统ꎬ利用专用井架将竖井掘进机提出地面ꎬ完成井筒施工ꎮ图２ 竖井掘进机凿井工艺Ｆｉｇ.２ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ２ 偏斜控制系统及原理２.１ 竖井掘进机偏斜控制系统竖井掘进机在掘进过程中ꎬ易受到多种因素的影响而发生偏斜[２－４]ꎮ溜渣孔偏斜、复杂的地质地层条件、现场人为因素等ꎬ都会干扰竖井掘进机的掘进姿态ꎬ使机体运行轨迹曲线偏离设计轴线ꎬ产生位移和角度的偏斜ꎬ影响工程质量ꎬ严重的甚至会威胁竖井掘进机的安全运行ꎮ为了应对偏斜ꎬ应采取有效措施ꎬ对竖井掘进机进行实时纠偏ꎮ竖井掘进机的偏斜控制系统工作原理如图３所示ꎬ包括测斜系统和纠偏系统ꎮ测斜系统由位移测量系统和姿态测量系统组成ꎮ位移测量系统包含井筒上部的激光发射器和掘进机上部的ＰＳＤ光电位移传感器平板ꎬ可以从光电传感器平板读取竖井掘进机轴线与井筒设计轴线的偏斜量ꎻ姿态测量系统包含２个高精度角度传感器ꎬ可实时监测竖井掘进机主轴倾角ꎮ图３ 偏斜控制系统工作原理Ｆｉｇ.３ Ｗｏｒｋｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ－ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ８２荆国业等:ＭＳＪ５.８/１.６Ｄ型竖井掘进机自动纠偏系统研究２０１８年第１２期竖井掘进机的支撑系统如图４所示ꎬ主要由支撑油缸、支撑靴板、扶正杆和框架构成[８]ꎬ其运行姿态由分布在上、下横梁处的８个支撑油缸进行控制ꎮ８个支撑油缸在上、下两横梁处均匀、相向分布ꎬ两两正交ꎮ根据油缸的排列位置ꎬ以设计轴线为垂直坐标轴ｚ轴ꎬ以竖井掘进机底部中心为原点ꎬ可建立空间直角坐标系ꎬ以便量化竖井掘进机在破岩掘进过程中的姿态ꎮ１—８号为支撑油缸编号图４ 竖井掘进机支撑系统Ｆｉｇ.４ Ｂｒａｃｅｓｙｓｔｅｍｏｆｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ不同平面上的支撑油缸分布如图５所示ꎬ其中ꎬＸＯＺ平面和ＹＯＺ平面各由４个支撑油缸调控ꎮ当竖井掘进机发生偏斜时ꎬ其任意偏斜量均可分解为ＸＯＺ平面和ＹＯＺ平面上的分量ꎬ各平面上的偏斜分量通过控制该平面的４个油缸进行纠正ꎮ图５ 不同平面上的支撑油缸分布Ｆｉｇ.５ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃｙｌｉｎｄｅｒｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｎｅｓ竖井掘进机掘进过程中的三维纠偏问题可以分解为ＸＯＺ平面和ＹＯＺ平面上的２个二维纠偏问题ꎬ设计２套相互独立的偏斜控制子系统ꎬ每套子系统通过纠偏算法控制４个支撑油缸的运行ꎬ在纠偏结束时ꎬ将２套子系统的纠偏效果相叠加ꎬ即可实现对竖井掘进机姿态的控制ꎮＸＯＺ平面和ＹＯＺ平面上的纠偏问题其本质完全相同ꎬ以任一平面为基础研究偏斜控制算法ꎬ即代表整套纠偏控制算法的设计ꎮ２.２ 竖井掘进机姿态分析竖井掘进机在工作工况下ꎬ其机体轴线与设计轴线Ｚ轴之间可能的相对位置如图６所示ꎮ图６ 竖井掘进机的偏斜状态Ｆｉｇ.６ Ｄｅｆｌｅｃｔｉｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ竖井掘进机姿态的控制可经由４个支撑油缸压力的调节而实现ꎬ当竖井掘进机姿态需要调整时ꎬ首先利用上部一对支撑油缸将掘进机上部横梁固定ꎬ再调节下部支撑油缸的伸缩量ꎬ从而改变机体轴线角度ꎮ根据图６列出的各位置姿态ꎬ可制定相应的姿态控制方法:１)如图６ａ所示情况ꎬ掘进机轴线与隧道设计轴线共线ꎬ此时不需要纠偏ꎬ控制支撑油缸伸缩量相等ꎬ保持稳定的运行姿态ꎮ２)如图６ｂ所示情况ꎬ掘进机虽发生偏移ꎬ但其运行趋势逐渐靠近设计轴线ꎬ此时亦不需要过度干预ꎬ继续保持有利运行趋势ꎮ当偏移量足够小时ꎬ需要反向调整掘进机角度ꎬ防止掘进机向设计轴线另一侧发生偏移ꎮ３)如图６ｃ所示情况ꎬ机体轴线与设计轴线平行ꎬ存在偏移量ꎬ此时需调节支撑油缸ꎬ使掘进机向设计轴线靠拢ꎬ转变为图６ｂ状态ꎮ４)如图６ｄ所示情况ꎬ机体轴线与设计轴线发生偏移ꎬ且其运行趋势偏离设计轴线ꎬ此时需进行及时纠偏ꎬ控制掘进机的钻进路线ꎮ当偏移量过大ꎬ超过工程要求的最大限制值时ꎬ为防止出现工程事故ꎬ掘进机应停止工作ꎬ并派遣技术人员对偏斜因素进行详细排查ꎮ２.３ 纠偏条件分析竖井掘进机在掘进施工过程中ꎬ通过其自身的导向系统ꎬ可得到目前机体轴线相对于设计轴线的偏移量和偏斜角度ꎮ讨论不同的偏移量和偏斜角度ꎬ制订竖井掘进机的纠偏条件ꎬ如图７所示ꎮ当竖井掘进机偏斜角度存在时ꎬ控制系统按照纠偏算法进行合理纠偏ꎮ若偏斜角度过大ꎬ例如超过限