（机械制造及其自动化专业论文）锚杆钻车自动分度锁紧系统的研究.pdf

摘要 摘要 、 目前，我国虽已具备独立研制生产大型多臂锚杆钻车的能力，但与国外先进 的同类产品相比，不论在生产率、安全可靠性，还是在使用性能上均存在较大差 距。 本文基于对现有国产锚杆钻车的结构及功能特点进行了深入的调研和研究， 提出了通过对锚杆钻臂的智能化制动以实现其自动分度锁紧的功能，在此基础上 建立了制动系统的理论模型，根据制动系统的具体组成，构建了各子系统的数学 模型，并采用了现代控制方法对模型进行了校正。 基于模糊控制与神经网络各自的优缺点，本文提出了以模糊神经推理方法作 为锚杆钻臂制动系统控制器的控制算法，并根据制动系统的数学模型，进行了锚 杆钻臂制动系统控制方法的研究。本文根据隶属度函数的结构参数对推理系统的 影响以及p i d 控制器的三个参数各自对控制系统的作用，建立了合理的初始模糊 系统和训练样本，在此基础上设计出了高性能的自适应模糊神经推理系统和神经 模糊p i d 控制器。 根据所建立的数学模型和控制算法，利用功能强大的m a t l a b 仿真软件对 锚杆钻臂制动系统进行了仿真，在此基础上分析并验证了系统的制动性能，并与 模糊p i d 控制下的制动系统进行了对比。仿真结果表明：该神经模糊控制系统具 有良好的自适应性、定位精度高、抗干扰能力强、能满足井下锚杆钻臂的自动分 度锁紧的性能指标，与模糊p i d 控制器的控制效果相比，不论在制动时间，还是 在制动精度上均有较大的优势。 图【5 2 】 表【5 】 参 5 2 】 关键词：锚杆钻车；自动分度锁紧系统；制动器；神经模糊控制；m a t l a b 仿真 分类号：t d 4 2 1 2 摘要 a b s t r a c t a l t h o u g ho u rc o u n t r yh a sa c q u i r e dt h ec a p a b i l i t yt or e s e a r c ha n dp r o d u c ej u m b o m u l t i - h e a dr o o fa n dr i b b o l t e r s ，i th a saf a rc r yf r o mt h ea d v a i l c e dw o r l dl e v e li n p r o d u c t i v i t y ，s a f e t yr e l i a b i l i t y ，a n dp e r f o r m a n c e t h es o l u t i o n sw a sp u tf o r w a r dt h a tw a st oa c c o m p l i s ht h ej u m b ob o l t e r s a u t o m a t i cd i v i d i n ga n dl o c kf u n c t i o nb ym e a n so fi n t e l l i g e n tb r a k i n gs y s t e mo nt h e b a s i so fi n - d e p t hi n s i g h ta b o u tn a t i o n a lj u m b ob o l t e r sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n db r a k i n g s y s t e m st h e o r e t i c a l m o d e l sw a ss e t u pb a s e do ni t b e s i d e s ，e a c hs u b s y s t e m s m a t h e m a t i c a lm o d e lw a ss e tu pa c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t es t r u c t u r eo ft h eb r a k i n g s y s t e m ，a n dt h em o d e lw a sc o r r e c t e db ym o d e mc o n t r o lm e t h o d c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ff u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r k ，t h en e u r a l - f u z z y r e a s o n i n gm e t h o dw a sb r o u g h tf o r w a r d , w h i c ha c t e da sc o n t r o la l g o r i t h mo fb r a k i n g s y s t e m sc o n t r o l l e r t h er e s e a r c hw a sc a r r i e do u to nd r i l l i n ga r n lb r a k i n gs y s t e m s c o n t r o lm e t h o di na c c o r d a n c e 谢吐ls y s t e m sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，r e a s o n a b l ei n i t i a l f u z z ys y s t e ma n dt r a i n i n gs a m p l ew e r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o t h ee f f e c to f m e m b e r s h i pf u n c t i o n ss t r u c t u r a lp a r a m e t e ro nt h er e a s o n i n gs y s t e ma n dt h ee f f e c to f p i dt h r e ec o n t r o lp a r a m e t e r so nt h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h i s ，h i 曲p r o p e r t y n e u r a l - f u z z yr e a s o n i n gs y s t e ma n dn e u r a l f u z z yp i dc o n t r o l l e rw e r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o la l g o r i t h m ，d r i l l i n g a l t n sb r a k i n gs y s t e mw a ss i m u l a t e dw i t ht h eh e l po fm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e ， b r a k i n gs y s t e m sp r o p e r t yw a sa n a l y z e da n dt e s t e d , a n dc o m p a r e dt h er e s u l t 、j i ，i mt h e r e s u l to ff u z z yc o n t r o lb r a k es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o l s y s t e mh a sg o o da d a p t a b i l i t y ，h i g hl o c a t i o na c c u r a c y ，a n dh a sc e r t a i na n t i - j a m m i n g a b i l i t y ，t h u si tc a l ls a t i s f yf u n c t i o ni n d e xo f j u m b ob o l t e r sa u t o m a t i cd i v i d i n ga n dl o c k s y s t e mw h e ni ti su s e du n d e rt h em i n i n ge n v i r o n m e n t c o m p a r e d 、析t l lf u z z yp i d c o n t r o l l e r , n e u r a l f u z z yp i dc o n t r o l l e rh a so b v i o u ss u p e r i o r i t yn o to n l yo nc o n t r o l a c c u r a c y ，b u ta l s oo nc o n t r o lt i m e f i g u r e 【5 2 】t a b l e 5 】5r e f e r e n c e 5 2 】 k e y w o r d s ：j u m b ob o l t e r , a u t o m a t i cd i v i d i n ga n dl o c k ，b r a k e ，n e u r a l f u z z yp i d c o n t r o l l e r , m a t l a bs i m u l a t i o n i i i 安徽理工大学硕士学位论文 c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 4 21 2 i v 引言 引言 随着我国经济的快速发展，煤炭供给需求还在不断的日益扩大【l j 。因此我国 的煤矿企业也由原先依靠工作效率低、安全隐患高的人工炮采逐渐被设备先进、 生产效率高、劳动条件好和安全系数高的大型机械化和自动化的采掘工艺措施所 取代。但就目前煤矿生产来看，严重制约我国煤矿企业进一步向大型化发展的主 要因素并非采煤环节，而是巷道的掘进和支护，尤其是支护环节。因为我国在掘 进和采煤的机械化设备的开发和研制方面，经过了从事煤机设备研发方面的技术 人员半个多世纪的努力，不论是用于巷道掘进的掘进机，还是用于原煤开采的采 煤机，在整机性能、对环境地质条件的适应性、使用的可靠性及设备的生产率方 面均接近甚至在某些指标上已超过国际同类产品，但是在成巷的支护施工方面大 多仍然依靠传统的手工作业。至目前为止，国产的先进机械化支护设备还很少见， 因此开发高效、安全和自动化程度高的巷道支护设备已十分迫切。 另外，我国在煤矿生产领域的业界人士一致认为锚杆支护技术是保证煤矿安 全生产最有效的生产施工工艺方法，然而到目前为止，我国现行的锚杆支护的施 工方法一般均按照相关的设计要求和施工规范，先由人工划线确定锚杆孔眼的位 置，然后再由锚杆钻机或钻车进行逐一打孔、安装锚杆、灌浆支护，生产效率十 分低下，在每一施工环节的安全隐患十分突出，并且支护进度远远落后于掘进速 度，经常出现掘进设备停机等候支护的局面，掘进设备的效能发挥和利用率极低， 造成极大的浪费。可喜的是我国近年来有些企业和研究单位已经投入了大量的人 力和物力用于自动化支护设备的开发，如甘肃省天水风动机械有限责任公司研制 的c l m l 5 型钻车，煤科院太原分院研制的c m m 系列锚杆钻车等，它们虽能实 现锚杆支护的部分机械化作业，但就生产率和安全性方面仍不能满足大型矿井生 产的需要，锚杆孔眼的定位仍然依赖于工人的手工划线作业，安徽理工大学的研 究生孙伦业等虽已开展了多臂钻车自动划线施工作业设备的自动分度系统的理论 研究，但仍然没有很好地解决自动分度过程中平稳工作、准确定位及打孔施工过 程中的可靠自锁等问题，总的来讲，锚杆支护施工设备的整体发展还相当落后， 现已成为煤矿生产向大型化、高效化发展的瓶颈。 1绪论 1绪论 1 1 锚杆支护技术简介 锚杆支护技术发展至今已有1 0 0 多年的历史，它是巷道建设过程中的一项关键 技术，在现代巷道支护工程中发挥着重要作用。与其他支护方式相比，锚杆支护 具有安全系数和效率高，劳动强度和成本低，易维护等优点，因而世界各国的锚 杆支护率正在日趋提高。 般来讲，巷道被爆破开挖后，巷道顶部的围岩处于悬吊松动状态，巷道壁 的强度被大大削弱圆。在巷道围岩中安装锚杆可极大地改善围岩的结构力学状态， 锚杆杆体的纵向( 沿锚杆轴向) 拉力作用可限制岩体的进一步变形，同时由于提高 了围岩体的粘聚力和内摩擦角，使松动的岩体得到加固。因此，锚杆与煤岩形成 的新的组合体能有效阻止岩体由于巷道开挖后造成的强度下降、变形、松动等安 全隐患，使围岩形成了新的稳定平衡状态，为高产高效的矿井开采提供了必要的 安全生产保障【3 】。 纵观当今国内外锚杆支护理论，应用最为成熟和广泛的有：悬吊理论、组合 梁理论、组合拱理论、围岩松动圈理论等，但由于在实际应用过程中，锚入岩体 的锚杆对岩体的强化因素非常复杂，既存在巷道岩体结构、围岩强度等地质因素 的影响，又存在锚杆支护参数的选择( 如：锚杆直径和长度，锚钻深度，锚杆间隔 距离及排距) 等影响，因而现行的上述各种理论都存在各自的局限性。 老顶 ，直接顶锚杆 图1 悬吊理论 f i g 1s u s p e n s i o nt h e o r y 1 如图l 所示，悬吊理论一般认为：将锚杆悬吊于上层稳定的老顶上，利用锚 杆的预紧力将松动的岩块连接到稳定的岩体上，因而能限制直接顶的下沉与离层。 3 安徽理工大学硕士学位论文 图2 组合拱理论 f i g 2c o m b i n e da r c ht h e o r y 2 如图2 所示，组合拱理论通常认为：各锚杆形成的压应力相互重叠，形成 一个均匀连续的压缩拱形加固区域，该承载结构能阻止围岩的松动和变形。 图3 减跨理论 f i g 3r e d u c t i o ns p a nt h e o r y 3 如图3 所示，减跨理论总体的看法是：锚杆自紧固端形成的支点减小了顶 板的跨度，因而增加了顶板的强度和稳定性f 4 - 6 。 随着锚杆支护理论的不断成熟以及锚杆支护设备的不断改进，它对改善巷道 的支护效果、提高巷道建设效率、减轻支护的劳动强度以及提高巷道的断面利用 率等方面的优势表现得更为突出，锚杆支护技术带来的经济效益和安全效果日益 显著，因此在世界各国的矿井建设中己得到越来越广泛的应用。锚杆支护技术除 用于矿井工程领域外，现已迅速扩展到其他领域，如：隧道、大型地下洞室、深 基坑维护、边坡治理与加固等，锚杆支护的重要性已得到普遍的认可，正受到国 4 1 绪论 内外同行们越来越高的重视。由于锚杆支护理论及其应用领域不断扩展，也大大 推动了锚杆支护设备的革命，对锚杆支护设备的研究现已越来越深入，也越来越 广泛【7 罐1 。 1 2 锚杆支护设备 锚钻设备是锚杆支护作业中的关键装备之一，其性能的优劣( 如：锚杆孔钻 方位的准确性、锚钻深度以及锚杆安装质量、操作条件等) 将直接影响到施工效 率、工人的劳动强度、支护效果及安全性。随着锚杆支护技术的不断应用与发展， 不断促进了锚杆孔眼钻进设备的技术进步，锚杆孔钻进设备已具备品种与功能多 样化，性能优越、可靠性高等特点。 按锚杆钻机的结构可以分为以下三大类： 1 2 1单体式 如图4 所示，单体式锚杆钻机主要由操纵机构、支撑机构、转向机构、推进及 钻头旋转机构组成。工作时先展开支架将钻机固定，通过转向机构由人工来任意 调整钻机的方向以确保理想的钻孔眼位置，待推进机构推动钻头沿导轨上升至工 作位置后，钻头旋转机构驱动锚杆钻具旋转进行钻孔作业。操纵机构可与主机分 离，以保证工人作业的安全性。 图4 单体式锚杆钻机 f i g 4t h em o n o m e rs t y l eo f r o o fb o l t e r 与机载式、钻车式相比，单体式锚杆钻机的特点主要有： 1 结构简单、体积小、便于携带与操作、维修方便； 2 每次只能进行单个锚杆孔钻作业，因而效率低； 3 工人劳动强度大。 一5 - 安徽理工大学硕士学位论文 1 2 2 机载式 鉴于单体式锚杆钻机的不足之处，为了进一步提高巷道掘进及支护效率、减 轻工人的劳动强度，机载式锚杆钻机在国外发达国家已得到普遍使用，它的设计 思想是在掘进机或连续采煤机上安装单个或多个锚杆钻机。 图5 机载式锚杆钻机 f i g 5t h el o c o m o t i v es t y l eo f r o o f b o l t e r 图5 所示的是美国j o y 公司生产的安装在掘进机上的机载式六臂锚杆钻机。 四台相同的锚杆钻机安装在掘进机回转台上，实现对巷道顶板的支护；另外两台 安装在掘进机的侧部，以实现对巷道侧帮的支护，六台钻机可平行作业。钻机由 钻机架、动力头、推进机构、支护机构等组成，当进行打锚杆孔眼作业时，掘进 机停止工作，摆动油缸使钻架转动到工作位置，支护机构沿钻臂的滑轨上升顶住 巷道的项板和侧帮以实现在钻孔作业过程中的临时支护，钻臂上的推进机构为钻 杆提供轴向压力以进行钻孔作业，另外还配备有锚杆夹持机构实现自动上卸锚杆 作业，通过上述各部件的协同工作实现高效率的机械化作业【9 j 。 机载式锚杆钻机的主要特点是：具备在掘、采的同时，及时进行机械化锚钻 打孔和安装锚杆等功能，从而实现了掘、采与锚钻、支护的一体化，满足现代矿 井建设的机械化、高效化与安全化的要求。 1 2 3 钻车式 钻车式锚杆钻机是用于井巷工程中巷道顶板和侧帮的打孔及安装锚杆的专用 6 1 绪论 机械化锚杆支护设备，它可完成巷道支护作业中的钻孔眼、锚固、整机移动、临 时支护等工作。 图6 钻车式锚杆钻机 f i g 6t h ed r i l l i n gc a r r i a g es t y l eo f r o o f b o l t e r 图6 所示的是煤科院太原分院自主研制开发的c m m 2 5 - 4 型锚杆钻车，该机 型先后在神东矿区和内蒙古伊泰集团所属矿等投入使用，取得了良好的使用效果 【1 0 1 。履带式行走机构可灵活地将整机移动到作业位置，四个钻臂和滑轨组件联接 在操作平台上，可以根据作业需要通过升降机构作上下运动。钻臂与滑轨组件固 联，滑轨组件由左右滑轨和固定滑轨组成，其中外侧两个钻臂连接在左右滑轨上， 可随同滑轨自由平移并可在9 0 。范围内的旋转以满足侧帮打锚杆孔眼的需要，中 间的两个钻臂连接在固定滑轨上，可实现在固定位置处5 。范围内的打锚杆孔眼 作业，该角度的微量调整可避免因顶板不平而引起的偏钻。每个钻臂均配备有钻 杆夹持机构，以限制钻杆在高速旋转过程中的窜动。其四个锚杆钻臂平行作业， 可满足高效、安全、可靠的锚钻作业【l l - 1 4 1 。 钻车式锚杆钻机的主要特点是：与连续采煤机或巷道掘进机配套使用，在掘、 采完成后及时进行快速高效的机械化锚钻与支护，专用性强、支护效率高。 1 3 国内外发展动态 1 3 1国外发展概况 1 8 7 2 年，英国北威尔士露天页岩矿首次应用了锚杆支护技术加固边坡【5 】。5 0 年代初，锚喷与锚杆支护在澳大利亚、美国、英国、法国等发达国家主要产煤国 的煤矿、金矿及地下工程等诸多领域得到了广泛的应用，国外的锚杆支护技术已 7 一 安徽理工大学硕士学位论文 有相当久远的历史。随着锚杆支护理论以及锚杆支护装备的设计理论与制造技术 的不断成熟与发展，自2 0 世纪7 0 年代发达国家主要产煤国便开始大力推广应用 机载式锚杆钻机和钻车式锚杆钻机，如美国i n g e r s o l lr a n d 公司的l m 5 0 0 c 型钻车，美国j o y 公司的r a m t r a k2 3 0 0 钻车系列和12 c m 3 0 型机载锚杆钻机( 图 8 所示) ，瑞典a t l a s c o p c o 公司的r o c 钻车系列和s a n d v i c 的a b m 2 0 型掘 锚机组等。时至今日，发达国家的锚杆钻车已发展成为品种与功能多样、工作性 能优越、可靠性与可维护性高、符合人机工程学等特点，具备多个锚杆钻机同时 作业，并且集钻孔、锚杆安装全由机械完成，自动化程度高。如美国j o y 公司的 q u a d b o l t e r 型四臂锚杆钻车( 图7 所示) ，其钻臂可在左右方向灵活摆动，由 半自动化的操作系统控制，两个操作员分别控制两个钻臂，该钻车还配备有临时 支护装置和排瓦斯装置以加强井下作业的安全性，它的每班最高纪录可达到2 0 0 多划9 1 。 图7q u a d b o l t e r 型四臂锚杆钻车 f i g 7j u m b of o u r - h e a dr o o fa n dr i b b o l t e r so fq u a d b o l t e r 图8 搭建在连续采煤机上的1 2 c m 3 0 把多臂锚杆钻机 f i g 8j u m b om u l t i h e a dr o o f a n dr i b b o l t e r so f12 c m 3 0o nc o a lc u t t e r 8 1 绪论 国外锚杆钻车多已大量使用新材料、新技术以求在性能上得到进一步的升级， 如：模块化结构增加了机器的柔性，减少维修时间；采用计算智能控制技术实现 锚杆施工的智能化及远程作业，先进的操作机构使操作者可以距锚杆钻机一定的 距离操作，以改善工人的作业环境和安全性：使用高性能的复合材料，如：塑料 玻璃钢碳素纤维缸体以减轻重量；以难燃液作为工作液提高井下作业安全性：大 量零部件已实现了标准化，因而生产成本低、维护简单等，这些新技术都极大地 提高了井下巷道掘进效率与安全性。 鉴于日趋成熟的锚杆支护理论与先进的技术装备，发达国家主要产煤国( 如： 美国、澳大利亚等) 的锚杆支护率已达到9 0 以上，而西欧、中欧以及日本等国 家的锚杆支护率也在逐年上升，成为井巷工程的主要支护方式聊1 5 1 。 1 - 3 2 国内发展概况 目前，我国煤巷的锚杆支护率仅有4 0 左右，与发达国家相比差距十分明显。 我国的锚杆支护技术开始于1 9 5 6 年，起步相对较晚，由于受到当时的国内经济与 政治等各方面因素的综合影响，直至上世纪9 0 年代，对该项技术才开始引起重视， 开始大力引进、消化和研究国外先进的技术和装备，迅速推动了锚杆支护技术的 发展 5 1 。 我们目前面临的现实问题是：我国锚杆支护设备的实际应用极大的滞后于对 锚杆支护理论的研究及锚杆支护设备的研制，许多中小煤矿的锚杆支护施工中普 遍使用的还是气动凿岩机与煤电钻等一些传统的手工工具，而且由于国产锚杆机 械化设备与发达国家的同类产品在性能上的差距，许多机械化程度相对较高的大 型煤矿企业中使用的设备如：掘锚机组、台式钻车等大部分均是从国外引进，由 于国外企业对这些设备在关键技术上进行了封锁，因此价格昂贵，备件的供应周 期长，相关售后服务同样也得不到有效的保证，直接影响了煤矿企业的经济效益 和正常生产，在一定程度上延缓了我国锚杆支护设备行业及其相关技术的发展。 煤科院太原分院在综合分析和解剖国外的多种先进锚杆钻车机型的基础上， 于2 0 0 4 年正式立项着手于锚杆钻车的研究，终于成功开发出国产第一台用于煤矿 采掘巷道支护的锚杆钻车c m m 2 5 - 4 ，该机型不论在设计方案的论证和技术设计阶 段，还是在样机的试制和试验的过程中，都充分吸收和使用了成熟的设计理论和 相当先进的制造技术，如：采用了先进的虚拟样机技术对其进行整机及部件的动 力学和运动学、关键零部件的静力学进行设计与校核，大大提高了设计的可靠性、 合理性，同时也大大缩短了研发周期，该机于2 0 0 5 年就已开始在井下试验，试验 9 安徽理工大学硕士学位论文 结果表明该机已具备了整机机构布局合理、锚钻稳定性好、液压及电气系统的运 行稳定、锚钻效率高等优点，其总体性能已基本达到了国外同类产品的技术水平 i o - 1 2 1 ，这对进一步提高我国煤矿建设井下工程的机械化、高效化和安全化等具有 重要推动作用。 综合现有的文献报道，到目前为止，我国已自主研制的锚杆钻车的典型机型 有：c l m l 5 型单臂式锚杆钻车以及适用于不同巷道高度的c m m 2 5 、c m m 2 0 、 c m m l 3 型履带式四臂锚杆钻车等。尽管这些锚杆钻车的性能已逐步接近发达国 家的技术水平，产品也已逐渐投放市场，但与发达国家同类产品在体积、重量、 噪音、稳定性、钻孔效率、使用寿命以及自动化水平上相比还存在一定的差距【1 6 】。 总之，国内在锚杆支护施工理论、技术以及锚杆支护设备等方面均已开展了 较为广泛和深入的研究，并取得了一些令人振奋的成果，对我国煤矿的安全高效 生产和国民经济的快速发展均作出了巨大的贡献。但就总体发展水平，特别是锚 杆支护设备的设计与制造技术上与发达国家相比还存在一定的差距。因此，发展 性能优越、经济实用、系列化的现代化锚杆钻车势在必行。 1 4 课题的研究目的 锚杆钻车自动分度锁紧系统的基本原理是：通过检测仪器将测得的巷道截面 形状参数传递给计算机，计算机将根据编制的程序得到相应的控制信息( 钻臂的下 一个工位信息) 并传递给钻臂的控制系统，控制系统对运动着的钻臂的实时位置进 行判断，当钻臂当前位置与下一工位( 目标位置) 之间的角度达到设定值时，在 自动控制系统控制下的制动系统开始工作，锚杆钻臂在制动力矩的作用下逐渐减 速，控制器根据锚杆钻臂的实时速度不断对制动转矩进行调整直至锚杆钻臂在下 一工位准确停止，在实现分度功能的同时，也实现了当锚钻打眼作业时对钻臂的 夹紧。基于锚杆钻车的自动分度锁紧系统的工作要求，应实现以下功能： 1 适应不同巷道条件下的快速锚杆支护的需要，柔性高； 2 能够提供高效的锚杆支护，确保打出的孔眼位置准确，增强锚固效果，提 高巷道支护的安全性能； 3 为缩短作业时间、节约成本、减轻工人的劳动强度，钻臂的分度及锁紧采 用自动化控制，并且当井下环境十分恶劣时，该系统可支持远程遥控，因而能提 高操作工人的安全系数，改善工人的工作条件，更适应现代化的矿井建设需要； 4 钻臂的制动装置由电动作机构取代传统的液压动作机构，不仅可减轻整机 重量，而且也可避免大量使用液压元件所带来的维护困难、可靠性差等缺点。 1 0 1 绪论 1 5 课题的研究意义 目前，我国煤矿巷道可采用的断面形状主要有矩形和拱形两种。一般来讲， 矩形和梯形断面利用率高，但承载能力低，一般用于顶压、侧压都不大，服务年 限短的巷道，而拱形断面则具有较大的支撑强度，常用于服务年限长或围岩不稳 定、地压大的巷道【1 7 1 。由于我国幅员辽阔，北方和南方的煤矿开采区地质状况也 大不相同，因此巷道的断面采用形状也存在一定的差异，因此所采取的锚杆孔钻 及支护方式应有所不同。根据组合拱理论( 如图2 所示) ，对于圆弧拱形巷道，沿 着巷道顶部圆弧截面的径向进行锚钻打眼，所形成的应力作用范围将相互重叠形 成一个连续的挤压加固带，因而更能增强锚杆的锚固强化效果，支护可靠性更高， 从而能有效提高拱形巷道的安全性能，保证巷道支护的质量要求。 然而，就锚杆支护的关键设备锚杆钻车的使用功能来看，不论是国产的， 还是发达国家生产的锚杆钻车，均不具备钻臂自动分度锁紧的智能化系统【1 4 】，也 就是说，在功能上还不能完全摆脱传统的人工划线作业的锚杆施工工艺，还不具 备根据实际的巷道截面参数自动检测、计算锚杆孔钻的方位并自动控制锚杆钻臂 作相应的位置调整，还无法满足现代矿井建设的自动化、智能化、无人化的技术 要求。 如果通过本课题的研究，能真正实现锚杆支护施工过程的自动化作业，彻底 克服人工施工的缺点，那么不论是在高效、安全生产，还是在解放工人的劳动强 度、改善工人的作业环境方面，都具有很高的实际应用价值。 1 6 课题研究的主要内容 1 根据我国锚杆支护水平的发展现状，通过对国产锚杆钻车与发达国家同类 产品的比较并结合国产锚杆钻车自身的特点进行分析，提出了国产锚杆钻车的不 足之处及具体改进措施； 2 提出自动分度锁紧系统的原理并建立数学模型，采取适当的措施对系统进 行补偿与校正，确保建模的精确性和实用性； 3 针对自动分度锁紧系统的工作特点，研究先进的自适应神经模糊控制算 法，设计出高性能的控制系统，以保证系统的智能化、高稳定性及可靠性、高控 制精度等要求； 4 利用m a t l a b 仿真软件对整个系统模型进行仿真，通过仿真获得结果， 并与其他控制方法进行比较，以验证自适应神经模糊控制算法的优越性，并在此 安徽理工大学硕士学位论文 基础上分析系统的关键性能，验证锚杆钻臂自动分度锁紧系统的可行性、稳定性 及分度精度。 1 2 2 自动分度锁紧系统 2自动分度锁紧系统 自动分度锁紧系统在实现钻臂自动分度的同时，还可以实现当分度过程结束、 钻机进行锚钻作业时锁紧钻臂，以确保钻臂在锚钻作业过程中保持稳定状态。 自动分度锁紧系统是通过对钻臂的智能精确制动来实现的，它是以无刷电机 作为动力源的电动作传动机构，通过对钻臂角速度及角位移的反馈，智能控制系 统实时调整制动器制动力矩的大小以实现钻臂的自动分度及锁紧。该系统主要由 控制器、永磁无刷电机、减速器、滚珠丝杠、钳盘式制动器、角速度传感器、光 栅式位移传感器等关键零部件组成。 2 1自动分度锁紧系统的工作原理 对于不同截面的巷道，利用数据采集装置获取巷道截面轮廓参数，计算机将 通过编制的程序自动求出顶板所需打眼的位置、间排距、数目以及顶板圆弧中心， 并将此数据传送到控制器。在锚钻作业过程中，锚杆钻臂由中心竖直位置向两侧 逐一打眼，待完成当前工位的锚钻作业后，无刷电机驱动钻臂转动，此时钻臂的 角位移传感器连续测算当前位置与下一目标工位之间的角度，当到达设定位置时， 控制器发送指令使系统立即切换到钻臂制动的传动路线，速度调节器根据钻臂的 速度反馈信号与给定信号之间的差值，实时调整电机的运行状态以调节丝杠进给 系统所施加的制动力矩大小，直至钻臂停止在理想位置时，钻臂的自动分度过程 结束【1 8 1 ，其控制采集参数主要是钻臂的角速度。在实现钻臂自动分度的同时，通 过制动器将钻臂锁紧，避免了锚钻作业过程中的钻进反作用力、振动及钻臂自重 等综合因素的作用导致钻臂不稳定，制动系统的原理如图9 所示： 图9 制动系统的原理框图 f i g 9t h eb l o c kd i a g r a mo fb r a k i n gs y s t e m 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 图1 0 所示的是钻臂自动分度锁紧系统的传动示意图，齿轮z 3 是滑移变换齿 轮，可分别与z 4 、z 5 啮合，因此该传动机构有两条传动路线，分别控制锚杆钻臂 在制动和非制动时的运动。 图l o 自动分度锁紧系统的传动示意图 f i g 10t r a n s m i s s i o ni l l u s w a t i v ed i a g r a mo fa u t o m a t i cd i v i d i n ga n dl o c ks y s t e m 1 非制动时的传动路线 1 ) 作用 当钻臂不需要通过制动系统实现其自动分度锁紧的功能时，电机通过齿轮传 动机构直接驱动钻臂； 2 ) 传动路线 电机一锥齿轮z 1 一锥齿轮z 2 一直齿轮z 3 一直齿轮z 5 一直齿轮z 6 一离合器一 锚杆钻臂： 3 ) 工作过程 1 4 2 自动分度锁紧系统 滑移变换齿轮z 3 与z 4 分离，因而滚珠丝杠进给机构与无刷电机脱离，同时， z 3 与z 5 啮合，用于连接齿轮z 6 与制动盘的离合器也处于啮合状态，从而将直齿 轮3 的运动通过z 5 、z 6 、离合器、销轴传递给钻臂，实现由电机直接驱动锚杆钻 臂。 2 制动时的传动路线 1 ) 作用 通过智能制动系统对钻臂运动的实时制动，实现钻臂的精确分度和锁紧； 2 ) 传动路线 电机一锥齿轮z 1 一锥齿轮z 2 一直齿轮z 3 一直齿轮z 4 一丝杠- - - n 动器； 3 ) 工作过程 滑移变换齿轮z 3 与z 4 啮合，与z 5 脱离，钻臂的制动系统开始工作。通过一 对螺旋锥齿轮和一对斜齿圆柱齿轮构成的减速器，将电机的动力传递给滚珠丝杠。 与常规丝杠的不同之处在于，该丝杠由左右两个旋向相反的螺旋副构成，每个螺 旋副上独立安装一套丝杠螺母，当丝杠转动时，两丝杠螺母的直线运动方向相反， 同时压紧制动盘或同时松开，从而将丝杠的旋转运动转变为丝杠螺母的轴向运动， 制动片与丝杠螺母组件相连，最终将电机的旋转运动转换成制动片的直线运动以 对制动盘施加压力，利用制动片与制动盘之间产生的摩擦阻力矩实现制动。 2 2 系统的特点及组成 与传统的制动系统相比，该制动系统具有如下特点：速度调节器采用神经模 糊p i d 控制，它能根据目标给定信号与钻臂实时速度反馈信号形成的时变误差及 误差率信号连续在线自调整p i d 控制器的控制参数以达到最优的控制效果，具备 较强的自适应能力，锚杆钻臂的制动系统形成了以钻臂转速为负反馈的智能闭环 控制系统。 从图1 0 可以看出，锚杆钻臂自动分度锁紧系统主要由以下几大关键零部件组 成：神经模糊p i d 控制器( 速度调节器) 、无刷电机、减速器、滚珠丝杠进给传动 机构、钳盘式制动器、钻臂角速度与角位移传感器等。钻臂角速度与角位移传感 器安装在钻臂上，使用抑制共模干扰能力强的r s 4 8 5 串行数据线，将各种反馈信 号及给定指令传输给控制器，控制器以此控制制动系统作出相应的动作，实现对 锚杆钻臂的实时自动控制。系统工作的程序框图如图1 l 所示： 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 图1 1 自动分度锁紧系统程序框图 f i g 1lt h ep r o c e d u r ef l o wc h a r to fa u t o m a t i cd i v i d i n ga n dl o c ks y s t e m 2 2 1永磁无刷直流电机 本系统以永磁无刷直流电机作为锚杆钻臂运动的动力源。由于井下作业 时，设备维修十分困难，作为锚杆钻臂制动系统的核心动力元件电机应 具备良好的使用性能、高质量、长寿命，另外由于矿井中存在大量瓦斯，防 爆安全性能显得尤为重要。传统有刷直流电机的碳刷及整流子在电机转动时 会产生火花，并且运行电流大，电机磁钢易退磁，因此在电机的寿命和安全 性能等方面显然不符合上述要求，而永磁无刷直流电机则克服了此类弊端， 它在本系统中具备以下优点： 1 以电子换向取代了机械换向，因此电机运行时基本不会产生火花，具 有良好的隔爆防护能力，而且寿命比有刷电机提高了约6 倍； 2 可以实现无级调速，并且工作转速范围很大。由于本系统采用d s p 芯 片将驱动器及控制器集成于一体，操作者可方便地在驱动器上编制程序，可 根据控制器发出的指令实现各种变速，动作灵敏。 1 6 2 自动分度锁紧系统 2 2 2 减速器 减速器的作用主要是将无刷电机的旋转运动降速后传递给丝杠进给机 构。如图1 0 所示，它采用一对锥齿轮与一对直齿轮二级减速，第- 级采用 g l e a s o n 螺旋锥齿轮减速，用于9 0 。的正交轴传动，g l e a s o n 螺旋锥齿轮具有渐 进接触的啮合特点，且重合度较大，因此传动平稳，承载能力强；另一特点是 g l e a s o n 螺旋锥齿轮最少齿数可达到5 齿，因而可获得较小的结构尺寸。 第二级采用斜齿圆柱齿轮减速，斜齿轮在啮合过程中产生轴向力可以部分抵 消锥齿轮产生的轴向力。此外，斜齿轮同样具有渐进接触啮合的特点，因此啮合 性能好，传动平稳，承载能力高，结构更为紧凑。 因此，该减速器的设计具有体积小，重量轻，使用寿命长，所配电机功率范围 广等优点。根据所需的减速比及功率确定减速器的技术性能指标，还应确保加速 度的最大转矩值不超过减速器的最大负载扭力。 2 2 3 滚珠丝杠 采用高性能的滚珠丝杠，它在本系统中作为制动系统的执行元件，将旋 转运动转化成直线运动以施加制动力。滚珠丝杠副的驱动力矩仅为滑动丝杠 副的1 3 ，并且不会出现爬行现象，能根据所需制动力矩的大小实现精确的微 进给。 本系统中的丝杠螺杆由左右两个旋向相反的螺旋副构成，每个螺旋副上 独立安装一套丝杠螺母，当丝杠转动时，两丝杠螺母的轴向直线运动方向相 反，同时向制动盘靠近或同时离开，实现对制动盘的双向夹紧或松开，在增 加了制动力矩的同时，避免了单只制动片对制动盘施加单向推力时产生的附 加弯矩，如图1 2 所示。 为保证制动精度，需要施加一定的预紧载荷以提高丝杠副的刚度，但预 紧载荷不应超过额定动载荷的1 0 ，以避免摩擦转矩太大。 由于该装置工作过程处于中低速状态，因此本系统采用脂润滑方式以减 少滚珠丝杠副的摩擦和磨损，选用锂基润滑脂。该装置在井下的工作条件恶 劣，在锚钻时产生大量的粉尘，本系统采用丝杠防护罩将丝杠轴完全防护起 来，在螺母两端采用刮屑式防尘圈，以防止粉尘的侵入造成的磨料磨粒磨损。 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 4 制动器 本系统采用钳盘式制动器控制钻臂的分度运动，如图1 2 所示。在本系 统中，制动盘随同钻臂运动，制动片固定在丝杠螺母上，该制动器具有以下 优点： 1 在输出相同制动力矩的情况下，尺寸和质量较小，本系统中可通过 调节滚珠丝杠的旋转运动十分灵敏的控制制动力矩的大小，保证制动过程的 平稳性和精度要求。 2 易通过调节滚珠丝杠的旋转运动进行间隙补偿，制动片易于更换， 维修方便，并可根据制动力矩大小的需要增设制动片的对数，因此适应性强。 井下工作环境恶劣，环境因素如温度、湿度、粉尘等对其性能及寿命的 影响很大，必须增加防护装置；制动器的关键部件是制动摩擦片副，不同的 应用场合应选用不同材料成份的制动盘片，由于本系统中的制动器一般工作 在中、低速和中等载荷下，在工作过程中不会产生过多的热量，对耐热性、 热衰退性等要求相对较低一些，但对制动器摩擦片材料的耐磨性、摩擦系数 稳定性、湿度及温度敏感性和机械强度等特性的要求较高，以保证制动器在 恶劣环境下运行的可靠性和高寿命。本系统选用f e 3 a i 基摩擦材料制动盘， 铁基金属陶瓷制动摩擦片。 2 2 5 角速度传感器 图1 2 钳盘式制动器 f i g 12p l i e r s - d i s cb r a k e 角速度传感器用于实时测量锚杆钻臂的角速度，并将输出信号传递给控制系 统。本系统采用a d x r s 4 0 i 单轴小体积微机械陀螺仪作为锚杆钻臂的角速度传感 器，如图1 3 所示，它完全集成于一个微小的芯片上，并且冲击耐受力强，可提供 对精确应用的绝对速率输出，与传统的机械式陀螺相比具有体积小、功耗低、可 1 8 2 自动分度锁紧系统 靠性高、易于集成和实现智能化等优点。 2 2 6 光栅式位移传感器 图1 3a d x r s 4 0 1 f i g 13a d x r s 4 0 1 光栅式位移传感器利用光栅形成的莫尔条纹现象来测量位移，由于光栅形成 的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因此可以达到很高的测量精度。 此外，它还具有抗电磁干扰、灵敏度高等优点。 在本系统中，光栅式直线位移传感器主要传输丝杠螺母的直线位置信号，如 图1 4 ( a ) 所示；光栅式角位移传感器主要传输锚杆钻臂的角度位置信号，如图1 4 ( b ) 所示。 图1 4 光栅式位移传感器 ( a ) 直线式( b ) 角度式 f i g 14o p t i c a lg r a t i n gd i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r ( a ) l i n e rs t y l e( b ) a n g u l a rs t y l e 传感系统工作流程图如图1 5 所示： 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 7 控制器硬件构成 图1 5 传感系统工作流程图 f i g 15f l o wc h a r to fs e n s i n gs y s t e m 控制器是锚杆钻臂的自动分度锁紧控制系统的核心元件，它的性能优劣直接 影响锚杆钻臂自动分度过程中的平稳性及分度精度等关键性能。锚杆钻臂的自动 分度锁紧系统是一个复杂的非线性、大时滞系统，在工作过程中要进行大量的数 据运算与交换，因此对数据转换及处理的速度、灵活性、稳定可靠性等均有很高 的要求，传统微处理器的性能很难满足本系统的要求。而数字信号处理器( d s p ) 不仅具有可编程性，而且它面向高性能、高运行速度和数据处理的能力，性能远 远超过通用微处理器1 1 9 1 。 然而，在高速信号处理系统中，通用d s p 将占用较多端口资源和较多的外围 元器件，而c p l d 具有集成度高、编程灵活、设计开发周期短等特点，因此，本 系统的数据处理系统采用d s p 与c p l d 相结合的结构，充分利用各自的优势以提 高系统处理能力，更好的满足控制系统的实时性、快速性及稳定性要求。利用d s p 完成计算方式及复杂的信号处理算法，而c p l d 则用来完成控制系统中大量的逻 辑运算。 锚杆钻臂自动分度锁紧系统的数字控制器采用基于t m s 3 2 0 c 6 4 5 7 和 e m p l 2 7 0 的数据处理系统。 此外，为了减小干扰，增加控制电路的可靠性，采用光电隔离将控制电路与 功率驱动电路完全分开，本文选用了3 片t l p 2 6 3 0 作为光电隔离元件。控制器硬 件框图如图1 6 所示： 2 0 2 自动分度锁紧系统 磐锰的钽蕊缓谊 图1 6 控制器的硬件框图 f i g 16b l o c kc h a r to fc o n t r o l l e r sh a r d w a r e 2 1 3 钻臂制动系统模型的建立 3 钻臂制动系统模型的建立 钻臂自动分度锁紧系统的功能是实现锚杆钻臂在分度过程中运动平稳无冲击 和智能化的精确分度，工作时锁紧钻臂以避免所钻孔眼偏斜、钻头折断等缺陷， 同时还希望在分度的过程中，启动时能快速加速，当到达某一接近目标工位的位 置后即时按给定的要求减速，钻臂最终准确停止在下一目标