【摘要】：煤炭資源是基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的原料,合理開發(fā)和使用煤炭是關(guān)系著當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。目前我國煤炭經(jīng)過多年開采,淺層資源日趨枯竭,隨著開采深度的不斷加大,開采難度也逐漸增大。傘鉆作為煤炭深層立井鑿巖開拓中的關(guān)鍵設(shè)備,對(duì)于深層煤炭開采中的巖層鉆爆起到至關(guān)重要的作用。目前工程應(yīng)用中的傘鉆設(shè)備主要分為氣動(dòng)傘鉆和液壓傘鉆兩類,相較于硬巖鉆孔效率低、進(jìn)尺慢、噪音大的氣動(dòng)傘鉆而言,液壓傘鉆在立井開拓的不斷發(fā)展中逐漸成為了國內(nèi)外專家學(xué)者的研究重點(diǎn)。日前,中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研制了一種新型全液壓四臂傘鉆,其結(jié)構(gòu)由液壓系統(tǒng)、鑿巖系統(tǒng)、風(fēng)水系統(tǒng)和臂架系統(tǒng)組成,其中液壓系統(tǒng)為整個(gè)液壓傘鉆提供動(dòng)力;鑿巖系統(tǒng)完成釬桿推進(jìn)與撥釬、回轉(zhuǎn)和沖擊動(dòng)作;風(fēng)水系統(tǒng)在傘鉆鑿巖過程中起到通風(fēng)、清洗炮眼的作用;臂架系統(tǒng)中各機(jī)械結(jié)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動(dòng)完成釬桿位置與姿態(tài)的動(dòng)作調(diào)節(jié)。液壓傘鉆臂架系統(tǒng)特點(diǎn)在于由輕質(zhì)量化的細(xì)長(zhǎng)機(jī)械結(jié)構(gòu)串聯(lián),不同于其他的工程機(jī)械臂架系統(tǒng),結(jié)構(gòu)剛性較差導(dǎo)致各個(gè)臂架在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中彈性變形和振動(dòng)非常明顯。各臂架的驅(qū)動(dòng)液壓缸位移產(chǎn)生的微小變化,經(jīng)過臂架系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的放大作用,將導(dǎo)致臂架系統(tǒng)末端位置與姿態(tài)發(fā)生較大偏移,因而使釬桿位姿不易精確控制。新型全液壓傘鉆雖在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方式上都進(jìn)行了創(chuàng)新并達(dá)到了很好的效果,但在控制方式上任保留了傳統(tǒng)的手動(dòng)開環(huán)控制方法。由于液壓傘鉆的工作條件惡劣且存在一定的安全隱患,在控制方式上,現(xiàn)有的人工手動(dòng)開環(huán)控制方法因其控制精度低、效率不高等問題已不能夠滿足施工要求。因此針對(duì)液壓傘鉆現(xiàn)有控制方式中存在的問題,為提高控制性能,本文以中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院所研制的一種新型全液壓四臂傘鉆為模型,將實(shí)現(xiàn)液壓傘鉆中臂架系統(tǒng)的電液自動(dòng)控制作為主要研究?jī)?nèi)容,設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)σ簤簜沣@臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)化控制的電液控制系統(tǒng)。通過新型四臂全液壓傘鉆臂架系統(tǒng)試驗(yàn)型樣機(jī)的設(shè)計(jì)、臂架系統(tǒng)電液自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn),論證了該自動(dòng)化電液控制系統(tǒng)的可行性。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研制的新型全液壓四臂傘鉆的工作原理、整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),設(shè)計(jì)用于自動(dòng)控制的液壓傘鉆電液控制系統(tǒng)。以新型全液壓四臂傘鉆為模型制造其試驗(yàn)用機(jī)械結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)滿足其工作需要的電液系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)。在電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,改善傳統(tǒng)的機(jī)液負(fù)載敏感動(dòng)態(tài)響應(yīng)和功率匹配效率,在電液比例伺服控制下,提高液壓系統(tǒng)控制精度和可靠性。采用D-H法建立液壓傘鉆臂架系統(tǒng)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,采用幾何法建立逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及確立關(guān)節(jié)空間變量與驅(qū)動(dòng)液壓缸空間變量的函數(shù)關(guān)系,使用MATLAB Robotics Toolbox驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的正確性。通過剛體動(dòng)力學(xué)理論建模與虛擬樣機(jī)建模,得到臂架系統(tǒng)關(guān)節(jié)力矩變化曲線,分析理論計(jì)算與虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果的誤差來源,建立更符合傘鉆臂架系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況的剛?cè)狁詈夏Ｐ?通過仿真分析得出大臂與鉆臂運(yùn)動(dòng)過程中均有不同程度彈性變形,且鉆臂變形量大于大臂變形量,臂架運(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)相對(duì)較小,啟停過程中有較大振動(dòng),鉆臂末端點(diǎn)速度震蕩表現(xiàn)得更加明顯。隨機(jī)將貼近實(shí)際液壓缸運(yùn)行速度曲線導(dǎo)入剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?仿真結(jié)果表明速度規(guī)劃可實(shí)現(xiàn)液壓傘鉆臂架系統(tǒng)鉆臂末端平穩(wěn)位姿調(diào)節(jié),減小臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)。為了快速完成液壓傘鉆臂架系統(tǒng)鉆臂末端的位姿控制,抑制系統(tǒng)抖動(dòng)以提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及鉆臂末端位姿的控制精度,進(jìn)行液壓缸速度軌跡規(guī)劃,減少臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)。通過PID和模糊PID算法控制臂架運(yùn)動(dòng)的軌跡跟蹤,比較仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究中兩種控制方式的效果。從現(xiàn)場(chǎng)PID實(shí)驗(yàn)中大臂液壓缸及傾斜液壓缸運(yùn)行速度的波動(dòng)情況看,二者運(yùn)動(dòng)沖擊都很大,這也說明液壓傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中有明顯的彈性變形與臂架振動(dòng)伴隨。模糊PID整體控制效果良好,雖然液壓缸速度也有一定波動(dòng),但是波動(dòng)幅度并不大,時(shí)間也明顯減少。通過參數(shù)整定,實(shí)現(xiàn)模糊PID校正下液壓缸穩(wěn)態(tài)速度誤差1mm/s以內(nèi)的鉆臂末端位姿快速、精確控制,大幅度減少釬桿位置和姿態(tài)調(diào)整時(shí)間。最后通過變量補(bǔ)償降低鉆臂末端的重復(fù)位姿誤差和絕對(duì)位姿誤差,配合變量補(bǔ)償方法控制鉆臂末端與基準(zhǔn)孔的位置偏差在30mm以內(nèi),角度偏差在0.5°以內(nèi),保證液壓傘鉆臂架系統(tǒng)的40mm直徑釬桿能通過預(yù)設(shè)的直徑100mm的孔。本文首次提出液壓傘鉆自動(dòng)化控制的電液系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用電液比例伺服技術(shù)的負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用于液壓傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制中,提高液壓系統(tǒng)控制精度及可靠性,改進(jìn)傳統(tǒng)的機(jī)液負(fù)載敏感系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和功率匹配效率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高精度的鉆臂末端位姿控制。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論分析與仿真驗(yàn)證研究液壓傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制問題,獲得液壓傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)及剛?cè)狁詈夏Ｐ?通過仿真研究證明建模的正確性;根據(jù)適合液壓傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法、控制策略的仿真及實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的有效控制,大幅度減少釬桿位置和姿態(tài)的調(diào)整時(shí)間,提高位姿精度。本文以實(shí)現(xiàn)液壓傘鉆臂架系統(tǒng)自動(dòng)控制為目的,立足于該實(shí)際對(duì)象開展切實(shí)可行的研究,研究成果也能應(yīng)用于類似工程機(jī)械的臂架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制問題中。
【圖文】：

大學(xué)同中煤集團(tuán)合作的委托，進(jìn)行液壓傘鉆臂架系統(tǒng)運(yùn)（Research Backgroun生產(chǎn)不可或缺的原料，合理問題[1-2]。根據(jù)中華人民共我國新增煤炭查明資源儲(chǔ)儲(chǔ)量為 15980 億噸；雖然煤世界平均水平的 58%。經(jīng)斷地加大開采深度，開采難過程中，立井井筒開拓是極已發(fā)展到一定水平的情況7-8]。目前立井施工中掘進(jìn)井筒工作面炮孔鑿巖時(shí)間 1-1 為豎井施工作業(yè)中掘、

博士學(xué)位論文以前，在中國立井施工建設(shè)中，主要采方式一方面勞動(dòng)量大，需要大量的人手炮的進(jìn)尺，從而使得煤礦建井整體進(jìn)度包括鉆眼在內(nèi)的關(guān)鍵工序，并且該工序施工進(jìn)度。高了鉆進(jìn)速度和鉆眼深度，使得每個(gè)循m-4m，從而大幅度提高施工速度，，縮短動(dòng)了我國整個(gè)立井井簡(jiǎn)建井技術(shù)向前發(fā)底面，懸掛抓巖機(jī)的三層吊盤通過絞車施工裝備布置示意圖如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD42

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2620189