機(jī)電新技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用講義

1、目 錄第二講 機(jī)電新技術(shù)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用12.1 掘進(jìn)機(jī)的分類12.2 掘進(jìn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)22.3 掘進(jìn)機(jī)截割工藝路線52.4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能控制發(fā)展方向62.5 新技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用92.6 組態(tài)系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用13思考題：17參考文獻(xiàn)1719第二講 機(jī)電新技術(shù)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用煤炭是重要的一次能源。隨著工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤炭在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要。隨著科技進(jìn)步和煤炭清潔化利用水平的不斷提高，煤炭作為能源和化工原料的應(yīng)用將更廣泛，煤炭對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展仍將起著重要的促進(jìn)作用。掘進(jìn)機(jī)機(jī)作為煤炭巷道掘進(jìn)的主要工具，其自動(dòng)化程度無疑嚴(yán)

2、重制約著礦井生產(chǎn)效益。工作面的推進(jìn)速度越來越快，這就要求加快掘進(jìn)速度，以達(dá)到采掘平衡。國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)實(shí)踐已證實(shí)，只有實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化才能滿足這一要求。2.1 掘進(jìn)機(jī)的分類目前國(guó)內(nèi)外研制和使用巷道掘進(jìn)機(jī)中，按照結(jié)構(gòu)形式劃分可分為兩種：全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM Tunneling Boom Machine）和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)（partial-size tunneling machine）。按照開挖巖土類型可分為軟土掘進(jìn)機(jī)及硬巖掘進(jìn)機(jī)4-17，如圖1.1所示。圖1 掘進(jìn)機(jī)的分類在長(zhǎng)距離、大斷面的硬巖隧道施工中，全斷面掘進(jìn)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，例如世界著名的英吉利海峽海底隧道就是用11臺(tái)全斷面掘進(jìn)機(jī)

3、完成的，我國(guó)秦嶺西康鐵路隧道也是用兩臺(tái)德國(guó)產(chǎn)TB880E全斷面掘進(jìn)機(jī)完成的。但是全斷面掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線投資偏高，對(duì)隧道圍巖地質(zhì)和巷道適應(yīng)性較差，一旦開工，只能單向作業(yè)，不能調(diào)頭，影響了其大量推廣使用，尤其在礦業(yè)部門，對(duì)于中短巷道的掘進(jìn)采用全斷面掘進(jìn)機(jī)是很不經(jīng)濟(jì)的。懸臂式掘進(jìn)機(jī)（boom-type roadheader）是一種部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，工作時(shí)通過截割頭的旋轉(zhuǎn)和懸臂（也稱為截割臂）的上、下、左、右自由擺動(dòng)，能夠截割出任意形狀的斷面。以煤礦巷道掘進(jìn)為代表，懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)在煤礦地下巷道施工中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是近些年來，隨著掘進(jìn)機(jī)在土木工程和采礦工程中的大量使用，目前掘進(jìn)機(jī)已成為各產(chǎn)煤國(guó)不

4、可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，且各國(guó)制造、推廣使用的煤、巖和煤-巖巷掘進(jìn)機(jī)多以懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)為主。懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)有以下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）由于工作機(jī)構(gòu)可在機(jī)器的允許范圍內(nèi)任意擺動(dòng)，截割頭能夠截割出任意形狀不同斷面的巷道，可以臥底、鉆柱窩和挖水溝；還可以分別截割半煤巖巷道的煤和巖石，對(duì)采準(zhǔn)巷道斷面的規(guī)格形狀和煤巖賦存情況的適應(yīng)性較好，所掘進(jìn)巷道斷面的變化范圍較寬。 圖1-2 全斷面掘進(jìn)機(jī) 圖1-3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)（2）掘進(jìn)速度快，質(zhì)量好。如果支護(hù)作業(yè)安排在作業(yè)后進(jìn)行，掘進(jìn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破煤巖、運(yùn)輸?shù)裙ぷ?，效率高，并且掘進(jìn)機(jī)是機(jī)械破巖，掘進(jìn)后煤巖巷道周圍煤巖壁完整光滑，超挖掘量少，減少支護(hù)

5、量，這與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，掘進(jìn)速度可提高1.52倍，并避免了爆破作業(yè)時(shí)巷道周圍煤巖因爆破振動(dòng)而破壞的現(xiàn)象發(fā)生。（3）結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)先進(jìn)。目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)多采用耙裝式裝載機(jī)構(gòu)和履帶式行走機(jī)構(gòu)。其裝載能力大、調(diào)運(yùn)靈活、工作可靠。（4）經(jīng)濟(jì)、安全、成本低。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度快，能夠連續(xù)作業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益高。改善了工人的勞動(dòng)條件，體力勞動(dòng)減少了0.51倍（與鉆爆法相比）。同全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）相比，在巷道斷面尺寸大致相同的情況下，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的基本投資費(fèi)用約為全斷面掘進(jìn)機(jī)的15%，尤其是在中短巷道的施工中，因此對(duì)于絕大多數(shù)的礦山井下巷道掘進(jìn)，懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)是很適用的。同時(shí)避免了因爆破鉆進(jìn)而造

6、成的人員傷亡，事故率大大減少。2.2 掘進(jìn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)1.2.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)S100型掘進(jìn)機(jī)是一種半煤巖重型巷道掘進(jìn)機(jī)，主要由履帶行走部、截割部、轉(zhuǎn)載部以及噴霧降塵等部分組成，其外形如圖2所示。圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（1）截割機(jī)構(gòu)截割機(jī)構(gòu)由掘進(jìn)頭（截割頭）、伸縮部、減速機(jī)、截割電機(jī)組成，見圖2-2。截割頭為圓錐臺(tái)形。在其圓周分布40把截齒。主軸與截割頭采用漸開線花鍵連接，使主軸帶動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)。伸縮部在截割頭和減速器中間，通過伸縮油缸可使截割頭具有510mm的行程。它的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)復(fù)雜的礦山地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，對(duì)掘進(jìn)巷道的形狀一般沒有限制，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，便于檢帶和更換截齒，也

7、可以及時(shí)支護(hù)巷道。截割頭在傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下可旋轉(zhuǎn)，同時(shí)懸臂可前后伸縮，還可上下及左右擺動(dòng)。工作時(shí)，截割頭從工作面一角開始切入煤壁，按照一定的工作路線在巷道斷面內(nèi)連續(xù)移動(dòng)，從而掘出任意形狀的斷面。圖3 截割部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（2）裝載機(jī)構(gòu)裝載機(jī)構(gòu)由鏟板部、第一運(yùn)輸機(jī)、本體部組成。鏟板部是由主鏟板、側(cè)鏟板、鏟板驅(qū)動(dòng)裝置、從動(dòng)輪裝置等組成，通過兩個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)弧形三齒星輪，把截割下來的物料裝到第一運(yùn)輸機(jī)內(nèi)。第一運(yùn)輸機(jī)位于機(jī)體中部，底板取直，并采用新型耐磨材料，雙鏈刮板式。采用兩個(gè)馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng)鏈輪，帶動(dòng)刮板鏈組實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸。（4）行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)主要由定量液壓馬達(dá)、減速機(jī)、履帶鏈、漲緊組輪、漲緊油缸、履帶架等

8、組成。定量液壓馬達(dá)通過減速機(jī)及驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶鏈實(shí)現(xiàn)行走，使掘進(jìn)機(jī)能夠按照指定的指令自如的行走。行走裝置采用履帶式結(jié)構(gòu)，適用于底板不平和松軟的條件，行走時(shí)不需要修路鋪軌，牽引能力大，行走靈活。（5）液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用油泵油缸系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)鏟板和皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)的垂直和水平擺動(dòng)，以及截割機(jī)構(gòu)的伸縮、機(jī)體的支撐等。履帶行走機(jī)構(gòu)、皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)也采用油泵油馬達(dá)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、操縱方便、調(diào)速性能和過載保護(hù)性能好。1.2.2主要性能指標(biāo)這里以S100型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例說明掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：表2-1 S100型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)特征 1、總體5、行走部定位截割高度4

9、.63m形式履帶式定位截割寬度5.3m履帶板寬度450mm最大臥底量0.25m制動(dòng)方式一體式多片制動(dòng)器（減速機(jī)內(nèi)置）掘進(jìn)頭伸縮量510mm掘進(jìn)斷面形狀任意對(duì)地壓強(qiáng)0.127MPa爬坡能力180行走速度3-7m/min可截割煤巖硬度60MPa漲緊形式油缸漲緊+卡板總功率145kW原動(dòng)機(jī)（液壓馬達(dá)+減速機(jī)）15kW/臺(tái)機(jī)重28t6、液壓系統(tǒng)截割最大面積21m2系統(tǒng)壓力18MPa最大外形尺寸(長(zhǎng)寬高)8.72.81.48m三聯(lián)泵1臺(tái)（CBGj2040/2032/2025）三聯(lián)泵1臺(tái)（CBGj2063/2032/2032）2、截割機(jī)構(gòu)7、液壓馬達(dá)排量截割功率100kW行走部90ml/r（2臺(tái)）截割頭最

10、大直徑840mm鏟板部1234 ml/r（2臺(tái)）截割頭轉(zhuǎn)速46rpm第一運(yùn)輸機(jī)397 ml/r（2臺(tái)）噴霧內(nèi)外噴霧方式油箱容量395L3、行走機(jī)構(gòu)油泵電動(dòng)機(jī)55Kw(防爆風(fēng)冷1臺(tái))裝載形式弧形三齒星輪式換向閥手動(dòng)式履帶板寬度2.8m油冷卻器水冷卻式（1臺(tái)）星輪轉(zhuǎn)速34rpm8、水系統(tǒng)最大裝載能力4.5m3/min外來水量100L/min液壓馬達(dá)12kW/臺(tái)外噴霧水壓2.8MPa4、第一運(yùn)輸機(jī)內(nèi)噴霧水壓3.0MPa型式雙邊鏈刮板式9、電氣部分溜槽斷面尺寸500300mm額定電壓AC1140/660V鏈速70.8m/min額定電流165A漲緊形式絲杠張緊額定頻率50HZ運(yùn)輸能力5.3 m3/min

11、輸出分路數(shù)3路液壓馬達(dá)13kW/臺(tái)額定功率163kW2.3 掘進(jìn)機(jī)截割工藝路線掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)應(yīng)根據(jù)巷道斷面的大小和形狀，以及煤層的儲(chǔ)存情況，合理地進(jìn)行截割工作，如果超挖會(huì)給支護(hù)工作帶來困難，并使巷道掘進(jìn)效率降低，施工成本增加，而欠挖時(shí)又達(dá)不到施工的要求。嚴(yán)格地說，要提出一種適用于任何斷面截割的作業(yè)程序是不可能的，但對(duì)于一般較均勻的中等硬度煤層，采取由下而上的作業(yè)程序，而對(duì)于相當(dāng)堅(jiān)硬的煤巖巷道，也可以采取由下而上的作業(yè)程序，截割時(shí)應(yīng)注意煤層的層理情況，沿層理進(jìn)行截割，盡量避免出現(xiàn)大的煤巖塊，以利于裝載轉(zhuǎn)運(yùn)。掘進(jìn)作業(yè)：（1）操作順序1）開動(dòng)油壓用電 開動(dòng)第二運(yùn)輸機(jī) 開動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī) 開動(dòng)耙爪

12、開動(dòng)截割頭，以此作為開動(dòng)順序。2）當(dāng)沒有必要開動(dòng)裝載時(shí)，也可開動(dòng)油壓用電機(jī)后，再起動(dòng)截割電機(jī)。3）在裝載時(shí)，如先開動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)，就會(huì)在與第二運(yùn)輸機(jī)的接頭處造成堆積和落煤現(xiàn)象同時(shí)會(huì)帶來后退時(shí)的困難。（2）截割1）截割頭的上下、左右移動(dòng)截割，形成截割斷面，此截割斷面與實(shí)際所要求的形狀和尺寸，是有一定差別的。另外根據(jù)煤壁的情況，利用截割頭的伸、縮截割修整斷面。2）一般來說，當(dāng)截割較軟的煤壁時(shí)，應(yīng)該采用左右的循環(huán)，自下而上的截割方法。但是，當(dāng)截割硬煤或者軟巖時(shí)，截割的進(jìn)給方向參考圖2-5。圖2-5截割頭掘進(jìn)時(shí)的受力示意圖3）當(dāng)截割硬巖石時(shí)，可采用圖的由下而上左右截割的方法。4）不管采用那種方法，而最根

13、本的是要從下向上截割。5）當(dāng)遇有硬巖時(shí)，不應(yīng)勉強(qiáng)截割，對(duì)有部分露頭硬石時(shí)，應(yīng)首先截割其周圍部分，使其墜落。對(duì)大塊墜落體，采用適當(dāng)辦法處理后再行裝載。6）當(dāng)挖柱窩時(shí)，應(yīng)將截割頭伸到最長(zhǎng)位置向下掘，然后，在此狀態(tài)下將截割頭向回收縮，以便將煤巖拖拉到鏟板附近，利于裝載。另一方面，由前面分析不難看出，懸臂掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行截割作業(yè)過程中，機(jī)器本身沿巷道中心線方向布置，掘進(jìn)頭如果擺動(dòng)到左、右、上、下極限位置時(shí)，那么所得到的極限斷面形狀呈腰鼓形（如圖2-6所示），其中最寬處出現(xiàn)在巷道中部，巷道頂部和巷道底部的寬度均小于巷道中部寬度；而在實(shí)際作業(yè)過程中，懸臂掘進(jìn)機(jī)所截割斷面的形狀均小于極限斷面，一般為標(biāo)準(zhǔn)的梯形，

14、半圓拱形、三心拱形等等，因此可以針對(duì)具體形狀的標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行截割工藝路線的初步規(guī)劃。圖2-6 極限斷面和幾種標(biāo)準(zhǔn)斷面情況2.4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能控制發(fā)展方向2.4.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況目前，世界上各主要產(chǎn)煤國(guó)用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的巷道已占巷道總長(zhǎng)的40%50%。近年來，懸臂式掘進(jìn)機(jī)不僅用于煤及軟巖巷道的掘進(jìn)，在中等硬度的半煤巖巷道掘進(jìn)中也取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，國(guó)外的某些重型掘進(jìn)機(jī)已能切割某些較硬的巖石巷道。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展與研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）切割功率能力穩(wěn)定提高，機(jī)器的可靠性高。據(jù)報(bào)道,日本成功地使用TM60K型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)全巖巷引水隧道，截割抗壓強(qiáng)度高達(dá)170200MPa的巖石，目前

15、最大的WAV408型掘進(jìn)機(jī)重達(dá)160t，切割功率可達(dá)408 kW,定位切割斷面面積可達(dá)87.5m2。多年來,掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)技術(shù)都是遵循著巖石機(jī)械破碎而發(fā)展。高壓水射流掘進(jìn)機(jī)的研制，沖擊振動(dòng)式截割機(jī)具的研制等改變了傳統(tǒng)的截割方式。德國(guó)一家公司開發(fā)了一種水力掘進(jìn)技術(shù)。它是在機(jī)械截割中以200MPa壓力的高壓水射流輔助截割的一種合成巖石破碎技術(shù),具有降低截齒溫度、減輕截齒磨損量(減輕30%)、減小截割力(減幅可達(dá)25%)、粉塵生成量少等優(yōu)點(diǎn)。水力掘進(jìn)具有諸多其他機(jī)械掘進(jìn)所不及的優(yōu)點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)正在研發(fā),一旦成熟,市場(chǎng)廣闊。我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)經(jīng)過近50年的發(fā)展, 已能適應(yīng)我國(guó)煤巷掘進(jìn)的需要,半煤巖巷的掘進(jìn)技

16、術(shù)已達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?，出現(xiàn)了重型機(jī)。我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用已經(jīng)跨入國(guó)際先進(jìn)行列。（2）采用機(jī)電一體化技術(shù)，提高電控系統(tǒng)的智能化水平掘進(jìn)機(jī)的早期控制、操作回路一般都通過操作安裝在隔爆型主令箱上的按鈕或手把開關(guān)來控制傳統(tǒng)的交流中間繼電器電路，進(jìn)而通過繼電器接點(diǎn)來對(duì)主回路交流接觸器進(jìn)行二次控制。近年，體積小、功耗低、可靠性高的光電耦合元件作為隔離和轉(zhuǎn)換器件在本安型控制先導(dǎo)回路中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了良好的效果。可編程序控制器(PLC)的應(yīng)用更是使掘進(jìn)機(jī)的控制技術(shù)和可靠性上了一個(gè)臺(tái)階。國(guó)外新型掘進(jìn)機(jī)均配有完善的工況檢測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，從而可以在早期發(fā)現(xiàn)機(jī)器故障，并快速排除故障，大大縮短了機(jī)

17、器的停機(jī)時(shí)間，生產(chǎn)率相應(yīng)大幅提高 。如波蘭EMAG礦山電氣自動(dòng)化研究中心研制的監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控SKD-1掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀況。該系統(tǒng)能夠全面監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，工作可靠，測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)；監(jiān)視器通過LED指示器直觀顯示掘進(jìn)機(jī)各部位情況；通過讀寫器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，配合專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理；可根據(jù)用戶需要進(jìn)行二次開發(fā)。（3）發(fā)展掘錨機(jī)組一體化為充分發(fā)揮掘進(jìn)機(jī)效能，各國(guó)都十分重視綜掘作業(yè)配套設(shè)備的研究。為縮短支護(hù)時(shí)間，在中等穩(wěn)定頂板條件下，常用機(jī)載錨桿鉆機(jī)支護(hù)；為使掘進(jìn)機(jī)與支護(hù)平行作業(yè)，運(yùn)用超前液壓支架或自帶盾牌掩護(hù)支架，但使用效果都不理想。掘錨機(jī)組是適用于高產(chǎn)高效礦井煤巷高效掘進(jìn)的

18、掘錨一體化設(shè)備，是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型掘進(jìn)機(jī)型。掘錨機(jī)組是將掘進(jìn)與支護(hù)有機(jī)地組合起來，減少掘進(jìn)與支護(hù)設(shè)備的換位作業(yè)時(shí)間，在同一臺(tái)設(shè)備上完成掘進(jìn)和支護(hù)工藝。其作業(yè)方式是截煤和安裝錨桿同時(shí)平行作業(yè)，錨桿鉆機(jī)則與發(fā)生履帶主機(jī)架停在原位固定，錨桿鉆機(jī)向頂板的側(cè)幫打眼安裝錨桿。隨后，行走機(jī)構(gòu)帶著機(jī)體及錨桿機(jī)向前移動(dòng)，完成一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)。目前國(guó)內(nèi)已有9臺(tái)掘錨機(jī)組，其中7臺(tái)ABM20掘錨機(jī)組和2臺(tái)12CM15-15DDVG掘錨機(jī)組。2006年自主研發(fā)生產(chǎn)出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)裝置和可旋轉(zhuǎn)作業(yè)的掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)裝置，并申報(bào)了國(guó)家專利。2.4.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能化發(fā)展趨勢(shì)礦工的工作是世

19、界上最艱苦和最危險(xiǎn)的工作之一，2006年全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)為4746人，可見礦工的工作的危險(xiǎn)性，為減少礦難事故及死亡人數(shù)，煤礦生產(chǎn)急需自動(dòng)化。盡管機(jī)器人技術(shù)在地面上各行業(yè)的發(fā)展迅速、應(yīng)用較廣，然而將機(jī)器人技術(shù)用在煤礦的開采是相當(dāng)?shù)纳佟ｋS著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，技術(shù)創(chuàng)新是目前礦山機(jī)械所面臨的新挑戰(zhàn)。礦山機(jī)械將向大型化、智能化、無人化方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外研制和使用的掘進(jìn)機(jī)可分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)又稱懸臂式掘進(jìn)機(jī)，具有生產(chǎn)效率高、掘進(jìn)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為各主要產(chǎn)煤國(guó)家不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。然而大多數(shù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)仍是手工操作，司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，

20、舒適性較差，勞動(dòng)生產(chǎn)率也低，而且施工質(zhì)量、施工安全很大程度上取決于人為因素，因事故而傷亡的人數(shù)也較多。因此急需加速井下懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化功能的研究。（1）可視化礦石識(shí)別技術(shù)要想真正實(shí)現(xiàn)無人化的自動(dòng)控制操作操作，就必須使掘進(jìn)機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別出巖石和各種礦石，這就需要有相應(yīng)的傳感器和識(shí)別技術(shù)。目前，西班牙和法國(guó)正在通過一項(xiàng)目掘進(jìn)機(jī)的機(jī)器人技術(shù)用于自動(dòng)選擇性切割來做這方面的研究。通過實(shí)驗(yàn)來研究射線在巖石表面的吸收情況，利用微波和其它技術(shù)，他們已經(jīng)取得了快速發(fā)展和找到了有效的方法。利用四架攝象機(jī)同時(shí)對(duì)一塊巖石進(jìn)行攝像（攝像面積可達(dá)45m2），然后對(duì)四張圖片進(jìn)行分析，可以辨別出不同的巖石和他們的分界線。

21、將這項(xiàng)技術(shù)用于掘進(jìn)機(jī)，可以修改掘進(jìn)機(jī)的挖掘軌跡，提高效率。目前我國(guó)在這方面的研究尚處在起步階段。（2）斷面成型控制技術(shù)截割斷面的成形控制，可獲得規(guī)整的斷面形狀尺寸，從而減少無用的掘進(jìn)量和充填量，提高掘進(jìn)效率，并大大降低巷道掘進(jìn)成本，其經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，這是掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化截割中的新課題。目前，國(guó)外已有能夠?qū)崿F(xiàn)斷面成型控制的掘進(jìn)機(jī)，德國(guó)艾柯夫公司研制的微機(jī)輪廓和導(dǎo)向及機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其持點(diǎn)是用激光導(dǎo)向。由掘進(jìn)機(jī)后面巷道頂部懸掛一激光發(fā)生器，用棱柱水晶體將激光束分裂為兩個(gè)互相垂直面，激光接收器有三條攝像晶體管線，可在600 mm寬的激光束面上捕捉激射光，井將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，控制掘

22、進(jìn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)位置的乎行偏差和推進(jìn)方向上的角度偏差。這套系統(tǒng)于1983年開始在ET-160和ET-110掘進(jìn)機(jī)上使用。奧地利阿爾卑尼公司的AMCS斷面輪廓與方向控制不用計(jì)算機(jī)采用光電傳感器和邏輯電路，利用三維比例顯示器，顯示切割頭在巷道中位置，相應(yīng)同步跟蹤動(dòng)作，當(dāng)切割頭截齒接觸巷道斷面邊緣時(shí)，即發(fā)出聲響信號(hào)，然后由人工操作控制，這是一種比較簡(jiǎn)單實(shí)用，沒有反饋功能的非閉環(huán)控制系統(tǒng),已在AM75、AM65掘進(jìn)機(jī)上使用。我國(guó)對(duì)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的斷面成形控制這一研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)尚未正式開始，還處于理論研究階段。（3）行走機(jī)構(gòu)的智能化控制掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)大都采用履帶行走機(jī)構(gòu)，它支承機(jī)器的自重和牽引轉(zhuǎn)載機(jī)行走、當(dāng)掘

23、進(jìn)作業(yè)時(shí)它承受切割機(jī)構(gòu)的反力、傾覆力矩及動(dòng)載荷。要實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的智能化控制，就必須解決自動(dòng)導(dǎo)航與跟蹤、機(jī)器自身姿態(tài)等問題。世界各地的科學(xué)家都在積極探索將機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于礦山機(jī)械上。一方面，礦山機(jī)器人能夠高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的在各種工作環(huán)境中從事簡(jiǎn)單的重復(fù)性勞動(dòng)，使礦工從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來；另一方面，它對(duì)工作環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能代替人在有害環(huán)境中從事危險(xiǎn)作業(yè)。美國(guó)礦業(yè)局移植機(jī)器人技術(shù)，研制具有視覺和某些智力功能的導(dǎo)向系統(tǒng)等。目前我國(guó)也在加緊這方面的研制工作。（4）截割功率自動(dòng)調(diào)節(jié)控制對(duì)大功率懸臂式半煤巖巷道掘進(jìn)機(jī)來說，當(dāng)截割煤層時(shí)，因截割阻力較小，這時(shí)需給截割機(jī)構(gòu)提供較大的進(jìn)給速度來提高生產(chǎn)

24、率；當(dāng)截割巖石時(shí)，截割阻力較大，為避免截割電機(jī)過載,同時(shí)也為減少截齒損耗，這時(shí)應(yīng)對(duì)截割機(jī)構(gòu)提供較小的進(jìn)給速度。由于在巷道同一斷面內(nèi)通常是煤巖共存,在功率一定的條件下，當(dāng)截割煤時(shí),需要高進(jìn)給速度、低進(jìn)給力；當(dāng)截割硬煤或半煤巖時(shí)，則需要低進(jìn)給速度、高進(jìn)給力。日本三井三池公司研制了切割功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.5 新技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用這里以SKD-1 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例說明新技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用2.5.1 技術(shù)特點(diǎn)（1）全面監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，工作可靠，測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)；（2）監(jiān)視器通LED指示器直觀顯示掘進(jìn)機(jī)各部位情況；（3）通過讀寫器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，配合專用軟件進(jìn)行

25、數(shù)據(jù)分析和處理；（4）可根據(jù)用戶需要進(jìn)行二次開發(fā). SKD-1 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2.5.2系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用SKD1系統(tǒng)用于在線監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)（例如AM50）的運(yùn)行狀態(tài)，并通過圖4所示監(jiān)視器直觀地表示出來，同時(shí)記錄在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中。記錄的數(shù)據(jù)可以用讀寫器（圖2）傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)系統(tǒng)（圖3），并通過專門軟件進(jìn)行分析和處理（圖5）。系統(tǒng)有14路二進(jìn)制輸入，4路模擬輸入，以及繼電器輸出以實(shí)現(xiàn)在油箱液位、壓力、溫度等超出允許范圍時(shí)切斷油泵電源。監(jiān)視器圖形上的LED指示器可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的不同閃爍綠光、橙光和紅光，可以直觀地反映掘進(jìn)機(jī)不同部位的工作狀態(tài)。它們可以分為三類：（1）二進(jìn)制輸入（2）模擬量傳感器用多段

26、指示器表示（3）SKD1系統(tǒng)及其子系統(tǒng)傳感器故障和通訊錯(cuò)誤通過監(jiān)視器上特定的紅色LED閃爍來表示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SKD1系統(tǒng)由下列部分組成：（1）帶有IP54防爆殼體的本安型主接口單元KG1/SKD1安裝在掘進(jìn)機(jī)上；（2）帶有本安型電源ZL12r 42V AC/12V DC，1.6A的工作單元KL1/SKD1安裝在CHAMBER，負(fù)責(zé)收集來自掘進(jìn)機(jī)工作CHAMBER的傳感器的信息；（3）帶有IP84防爆殼體的本安型監(jiān)視器單元M1/SKD1安裝在掘進(jìn)機(jī)控制室內(nèi)。測(cè)量系統(tǒng)包括：（4）電流傳感器2個(gè)，監(jiān)控切割頭電機(jī)和油泵電機(jī)的電流；（5）雙金屬溫度多路開關(guān)連接6個(gè)溫度傳感器：切割頭、液壓泵、兩個(gè)裝載部和兩

27、個(gè)履帶部；（6）除塵系統(tǒng)水位開關(guān)；（7）水流開關(guān)；（8）4個(gè)監(jiān)控油缸動(dòng)作的壓力開關(guān)；（9）油箱液位開關(guān)；（10）油泵回路壓力模擬傳感器；（11）油箱溫度模擬傳感器。工作原理SKD系統(tǒng)方框圖SKD1系統(tǒng)的工作原理是通過三個(gè)部分的微控制器的連續(xù)工作程序?qū)崿F(xiàn)的：主控單元、工作單元和監(jiān)視器。三個(gè)部分之間的信息交換通過串行通信實(shí)現(xiàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)量非常大。在此基礎(chǔ)上，每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的測(cè)量值被平均值處理。下列操作是不斷進(jìn)行的：（1）傳遞測(cè)量值到監(jiān)視器；（2）根據(jù)報(bào)警閾值壓縮測(cè)量數(shù)據(jù)量；（3）將數(shù)據(jù)和時(shí)間標(biāo)記一同記錄在非易失性存儲(chǔ)器上。每一個(gè)傳感器的狀態(tài)都通過LED指示器的顏色表示出來?；炯夹g(shù)參數(shù)額定供電電壓

28、42V AC 工作條件電壓波動(dòng)范圍 0.75Un-1.2Un 環(huán)境溫度 0-40 C電源消耗 15VA 相對(duì)溫度 95%防護(hù)等級(jí) IP54 (溫度不高于40C)防爆類型 本質(zhì)安全型 大氣壓力 0.086-1.1 MPa半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 操作中方位 任意存儲(chǔ)容量 2 MB 操作方式 連續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期 最后24小時(shí)數(shù)據(jù)保存周期 3年CR1/SKD1數(shù)據(jù)讀寫器 SKD1系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理分析裝置SKD1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件SKD1系統(tǒng)監(jiān)視器2.6 組態(tài)系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用2.6.1 系統(tǒng)組成在控制過程日趨復(fù)雜，對(duì)機(jī)器和設(shè)備功能的要求不斷增加的背景下，獲得最大的透明性對(duì)操作員來說至關(guān)重要。人機(jī)界面

29、(HMI)提供了這種透明性。HMI是人(操作員)與過程(機(jī)器/設(shè)備)之間的接口，HMI系統(tǒng)承擔(dān)下列任務(wù)：（1）過程可視化過程顯示在HMI設(shè)備上，HMI設(shè)備上的畫面可根據(jù)過程變化動(dòng)態(tài)更新。（2）操作員對(duì)過程的控制操作員可以通過GUI(圖形用戶界面)來控制過程，例如，操作員可以預(yù)置控件的參考數(shù)值或者啟動(dòng)電機(jī)。（3）顯示報(bào)警過程的臨界狀態(tài)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，例如，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)。（4）歸檔過程值和報(bào)警HMI系統(tǒng)可以記錄報(bào)警和過程值，該功能可以記錄過程值序列，并檢索以前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。（5）過程值和報(bào)警記錄HMI系統(tǒng)可以輸出報(bào)警和過程值報(bào)表，例如，可以在某一輪班結(jié)束時(shí)打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。（6）過程和設(shè)備的參數(shù)管

30、理HMI系統(tǒng)可以將過程和設(shè)備的參數(shù)存儲(chǔ)在配方中，例如，可以一次性將這些參數(shù)從HMI設(shè)備下載到PLC，以便改變產(chǎn)品版本進(jìn)行生產(chǎn)。C7-636觸摸屏C7-636部件和接口示意圖SIMATIC C7緊湊型控制系統(tǒng)在一個(gè)單元中集成了一個(gè)S7-300 PLC和一個(gè)操作員面板(OP)，既315-2DP CPU和高性能的TP/OP270面板，SIMATIC C7-636中集成的各個(gè)組件對(duì)應(yīng)于也可在包含315-2 DP CPU的模塊化結(jié)構(gòu)中使用的組件，包括314C-2 DP I/O子模塊以及OP 270 6，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。SIMATIC C7-636中集成的各個(gè)組件均獨(dú)立運(yùn)行，每個(gè)處理器均分配到一個(gè)其自己

31、的存儲(chǔ)區(qū)。C7 CPU和C7 TP/OP通過MPI接口進(jìn)行內(nèi)部通訊。C7 CPU與C7 TP/OP無關(guān)，當(dāng)C7 CPU切換至STOP模式時(shí)C7 TP/OP仍可繼續(xù)運(yùn)行。C7-636控制器集成的輸入/輸出和MPI/DP通信接口使由C7-636配置的系統(tǒng)更為小巧、緊湊。通過C7面板上的鍵進(jìn)行CPU操作模式選擇(通過授權(quán)輸入跳線保護(hù))，而通過MMC卡備份數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，MMC卡是運(yùn)行C7 CPU必須的選件，有不同存儲(chǔ)容量的MMC卡可供選擇。C7-636的插入式I/O端子實(shí)現(xiàn)永久接線，使得整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了尺寸最小化，工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)化。C7-636可以在STEP 7 V5.3或更高版本下組態(tài)編程，其集

32、成的OP/TP270可通過新一代面板組態(tài)工具進(jìn)行組態(tài)，如ProTool或WinCC flexible組態(tài)軟件，WinCC flexible包括了從Micro Panel到簡(jiǎn)單的PC可視化的一系列產(chǎn)品。因此，WinCC flexible的功能性可以與ProTool系列的產(chǎn)品和TP Designer相媲美。而且可以將現(xiàn)有的ProTool項(xiàng)目集成到WinCC flexible中。2.6.2 監(jiān)控顯示系統(tǒng)C7-636控制系統(tǒng)一開機(jī)則自動(dòng)進(jìn)入起始畫面，在起始畫面中組態(tài)了一個(gè)急停按鈕，用于意外事故發(fā)生時(shí)緊急停機(jī)?？刂葡到y(tǒng)的起始畫面如圖所示，起始畫面中組態(tài)了一個(gè)切換開關(guān)，用于控制系統(tǒng)的停止與運(yùn)行，另外還組態(tài)

33、了四個(gè)按鈕，分別標(biāo)有名稱，單擊按鈕則可進(jìn)入相應(yīng)畫面，在起始畫面中單擊向下按鈕進(jìn)入“鏟板運(yùn)動(dòng)”畫面（與單擊鏟板運(yùn)動(dòng)按鈕等效）。起始畫面在“鏟板運(yùn)動(dòng)”監(jiān)控畫面中，組態(tài)了一個(gè)“棒圖”用于實(shí)時(shí)顯示鏟板與地平面間的垂直距離，通過監(jiān)控畫面操作司機(jī)可方面的了解到鏟板的狀態(tài)，在畫面的右下角組態(tài)了報(bào)警窗口，當(dāng)鏟板垂直上下運(yùn)動(dòng)超過系統(tǒng)設(shè)置值時(shí)，則監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警窗口并提示“鏟板運(yùn)動(dòng)超限”。鏟板運(yùn)動(dòng)畫面懸臂運(yùn)動(dòng)畫面懸臂水平運(yùn)動(dòng)畫面懸臂垂直運(yùn)動(dòng)畫面在懸臂水平運(yùn)動(dòng)與垂直兩個(gè)畫面中各組態(tài)了一個(gè)趨勢(shì)圖，用于顯示懸臂運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化曲線，并將數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)的儲(chǔ)存卡中。并組態(tài)了數(shù)值顯示窗口，用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)指針?biāo)谖恢脮r(shí)答

34、應(yīng)懸臂運(yùn)動(dòng)數(shù)值。與鏟板畫面類似，這兩個(gè)畫面也組態(tài)了報(bào)警窗口，用于顯示懸臂水平擺動(dòng)或垂直擺動(dòng)超過巷道挖掘的邊界線時(shí)報(bào)警信息。思考題：初級(jí)：1、懸臂式掘進(jìn)機(jī)的基本組成和工作原理。高級(jí)：1、懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能化發(fā)展趨勢(shì)有哪些？2、懸臂式掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控的新技術(shù)有哪些？參考文獻(xiàn)1 蘇巴塞爾著，趙殿明譯.掘進(jìn)機(jī)M北京：煤炭工業(yè)出版社，1980.5-232 雷覺天液壓工程手冊(cè)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199028-293 黃日恒.懸臂掘進(jìn)機(jī)M.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.15-244 Neil, Taylor. A First Look at Roadheader Construction and Estimating Techniques for Site Characterization at Yucca Mountain, Nevada. HLNWC Las Vegas, 2007.51-535 叢鐵軍.巷道掘進(jìn)機(jī)M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1982.5-176 吳翠艷.懸臂式掘進(jìn)機(jī)發(fā)展與展望J.水力采煤與管道運(yùn)輸，1997（3）：10-127 任葆銳.煤及半煤巖巷道掘進(jìn)設(shè)備技術(shù)發(fā)展及思考J.煤礦機(jī)電，2006（5）：21-238 張士勇.懸臂掘進(jìn)機(jī)巷道斷面成形控制研究D：碩士學(xué)位論文.西安：西安科技大學(xué)，19999 汪昌齡，韓崎.我國(guó)掘進(jìn)機(jī)發(fā)展分析J.煤礦機(jī)械