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2014 年 12 月 第 42 卷 第 23 期 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS Dec 2014 Vol 42 No 23 DOI10.3969/ j issn 1001-3881 2014 23 003 收稿日期 2013-11-15 基金项目 国家自然科学基金资助项目 (51175448); 河北省自然科学基金资助项目 (E2012203071); 流体动力与机电系统 国家重点实验室开放基金资助项目 (GZKF⁃201103) 作者简介 赵静一 (1957), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事新型液压系统开发和机电控制方面的研究。 通信作者 杨宇静, E-mail yangyujing1989@ yeah net。 巷道轮式液压动车组独立转向控制策略与轨迹分析 赵静一1,2, 杨宇静1,2, 纪弘祥3 (1 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室, 河北秦皇岛 066004; 2 先进锻压成形 技术与科学教育部重点实验室 (燕山大学), 河北秦皇岛 066004; 3 中国兵器集团北京北方车辆集团有限公司, 北京 100072) 摘要 巷道轮式液压动车组 (简称动车组) 是在分体式连采机搬运车技术基础上研制的井下大型采煤设备辅助运输平 台, 具有高速度、 高效率、 超运力的优点。 针对巷道中对车辆转向的苛刻要求, 提出了整车转向协调控制策略, 对该控制 策略中直行偏差消除、 转向过程轨迹跟踪控制方法及整车可通过性进行研究。 该控制策略为多节独立转向车组的研发提供 了理论依据, 对工程实践具有指导意义。 关键词 独立转向; 控制策略; 动车组 中图分类号 TH238; U16 文献标识码 A 文章编号 1001-3881 (2014) 23-009-5 Control Strategy and Trajectory Analysis of Independent Steering on Tunnel Wheeled Hydraulic Power Transportation Unit ZHAO Jingyi1, 2, YANG Yujing1, 2, JI Hongxiang3 (1 Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 2 Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University), Ministry of Education of China, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 3 Beijing North Vehicle Co., Ltd., CNIGC, Beijing 100072, China) Abstract The tunnel wheeled hydraulic Power transportation unit (PTU as brief) used in the coal mine tunnel is large under⁃ ground mining auxiliary transport platform with high speed, high efficiency and ultra⁃capacity advantages, which was on the basis of the technology of split transport vehicle. Aimed at the high demanding of vehicles steering in tunnel, a coordinated vehicle steering control strategy is proposed. Research on elimination of the deviation in straight way, method of tracking control in the process of turning and the units passing ability was conducted. The control strategy provides a theoretical basis to the development of multi⁃section independ⁃ ent steering vehicle, and it has significance of an introduction for the engineering practice. Keywords Independent steering; Control strategy; Power transportation unit 0 前言 结合我国矿井特点, 燕山大学与连云港天明机械 集团在原连采设备快速搬运车的基础上, 研发了世界 上首台分体式巷道无轨胶轮搬运车。 分体式结构不但 满足了巷道窄小、 低矮的实际工况, 也提升了连采设 备搬运车的转向灵活度, 更减小了连采机登上搬运车 的高度, 实现了井下大型采煤设备的快速转场运 输[1]。 巷道轮式液压动车组是建立在分体式连采机搬运 车技术基础上的巷道无轨胶轮辅助运输平台, 具有高 速度、 高效率、 超运力的优点。 该动车组将运输车模 块化, 并将两节液压驱动的运输车串联, 组成运输车 组。 整车由一节动力源车与两节液压动力运输车组组 成, 三车运动速度保持同步。 前后两车中间由弹性拉 杆连接, 对电缆和液压胶管起支撑作用, 如图 1 所 示。 与普通载重车和平板挂车相比, 巷道重载运输车 的机械、 动力、 液压、 电气控制等系统的设计都更加 复杂。 由于井下巷道的影响, 难以通过 GPS 卫星定位 进行两车间的位置识别, 造成转向控制上的困难。 其 次, 柔性连接的动力能源车与动力载重运输车如何在 同步行走的基础上进行各悬挂轮组的转向控制, 以及 如何有效地使动力能源车与载重运输车协同转向, 对 该车独立转向控制策略研究具有重要的理论和现实意 义[2-3]。 图 1 巷道轮式重载液压动车组结构原理图 1 整车控制策略 前后车之间转向协调方式主要有两方面内容 (1) 前后车在保持直线行驶过程中, 由于外界因素 或转向过后前后车不在一条直线上, 使得后车与前车 之间产生偏移, 如图 2 所示, 连杆与后车坐标轴 Y 轴 之间夹角为 ε, 当 ε 大到一定程度时, 将会影响转向 过程轨迹跟踪控制精度, 故需调整后车轨迹, 使后车 向减小两车偏差的方向运动;(2) 前后车协调转向 过程中, 前车按照驾驶员操控轨迹行驶, 完成转向动 作, 后车要跟随前车轨迹, 完成相应转向动作, 保证 车辆的高效通过性[4-5]。 为此, 对整车协调转向需要 设置两种控制模式 (1) 直行过程的偏差消除; (2) 转向过程的轨迹跟踪。 PLC 控制器需要适时完成两种 控制模式的切换, 以满足不同工况下车辆的行驶轨迹 需求。 图 2 偏差消除求解图 2 直行过程偏差消除 直行过程中由于外力因素可能导致前后车出现偏 移, 使得前后车不在同一直线上行驶, 连杆与后车坐 标轴 Y 轴之间产生一偏角 ε, 当 ε 过大时, 需要调 整后车姿态, 使得偏移角度减小到误差允许范围内, 以保证转向时轨迹跟踪偏差满足设计需求。 由于直行 过程中后车跟踪前车行驶, 故偏差消除过程中前车行 驶姿态保持不变, 后车通过转向机构的不断动作调整 姿态[6-7]。 以动力源车与第一运输车偏移调节为例, 如图 2 所示。 前后车偏移量为 X, 前后车连杆与后车坐标轴 Y 轴夹角为 ε (设定此时 ε>0), 连杆长度为 L, 后车 连杆铰接点相对于转向中心的转向半径为 R, 转角为 θ。 调整方法主要为以下几步。 (1) 采集前后车偏移为 X, 当 X >X′时程序进 入下一步, 否则程序循环回继续读取 X 的值。 (2) 在判断 X >X′后, 程序继续读取夹角 ε 的 值, 进而判断当前前后车位姿状态。 (3) 判断完位姿后, 根据两车位姿情况进行下 一步, 若 ε<-ε′且 X<-X′, 或者 ε>ε′且 X >X′, 则 后车不需进一步动作便可自动恢复到正常的直线跟踪 状态, 此时程序返回读取 X 值处继续循环; 若 ε>ε′ 且 X<-X′, 则后车右转调节; 若 ε<-ε′且 X>X′, 则 后车左转调节。 转向调节时主要通过调节驱动蝴蝶板 的液压缸的伸缩量来实现, 液压缸伸缩变化量为 x, 与 X 和 ε 有关, 即 x=f (X, ε)。 直行消除偏差控制 流程如图 3 所示。 图 3 偏差消除程序 以上 3 步骤为一个大循环, 若一次调整之后前后 车偏移量 | X | 仍超出设定值 X′, 则由 PLC 发出指 令, 再次进行上述步骤的循环。 经过 n 次循环后, 最 终满足前后车偏差在允许范围内。 该调节过程满足整 车在协调转向时, 前后车偏差不过大。 3 转向过程轨迹跟踪 前后车协调转向过程中, 前车按照驾驶员操控轨 01机床与液压第 42 卷 迹行驶, 完成转向动作, 后车要跟随前车轨迹, 完成 相应转向动作, 保证车辆的高效通过性。 巷道轮式重载液压动车组由一节动力源车与两节 运输车串联而成, 动力源车采用半八字转向模式, 运 输车采用八字转向模式。 两节运输车的转向模式及整 体结构参数均相同, 故只需将第一运输车的转向参数 复制给第二运输车即可实现运输车转向过程的轨迹跟 图 4 轨迹跟踪 控制流程 踪。 而第一运输车与动力源 车转向机构、 转向模式以及 几何参数均不相同, 故第一 运输车跟踪动力源车的过程 需将动力源车的轨迹参数传 递给中央处理器, 中央处理 器经过对其计算处理, 将转 换后的轨迹参数传递给第一 运输车, 以此实现运输车对 动力源车的轨迹跟踪。 巷道 轮式重载液压动车组转向过 程的轨迹跟踪控制流程如图 4 所示。 动力源车到达某点开始转向, PLC 轨迹跟踪程序 启动, 编码器记录动力源车行驶姿态变化及时间, 并 将该信息通过 CAN 总线实时传递给中央处理器。 中 央处理器经过轨迹反求后, 将控制信号传递给后车控 制器。 经过时间间隔 Δt 后, 第一运输车转向; 经过 时间间隔 Δt′后, 第二运输车转向。 时间间隔 Δt 及 Δt′为 Δt= d+L+0 5Y v Δt′= d+2L+1 5Y v 式中 d 为动力源车后轴线到动力源车车体后边缘的 距离; L 为刚性连杆长度; Y 为运输车长度。 由于驾驶员需根据实际情况对动力源车进行姿态 调整, 动力源车轨迹根据动力源车转向半径的改变而 改变。 该方案中, 通过非接触式编码器对动力源车转 角进行实时监测, 监测时间步长为 10 ms。 做相同转 角时间累计, 与驱动轮行驶参数相结合, 构成动力源 车轨迹参数。 4 转向过程轨迹转换及整车可通过性验证 转向过程中, 运输车与运输车之间的跟踪不需进 行轨迹转换, 以下只讨论运输车跟踪动力源车之间的 轨迹转换过程。 由于运输车载质量远比动力源车大, 设计时在充 分考虑空间利用率情况下, 运输车外围尺寸比动力源 车大。 为保证动车组在转向时的高通过性, 选取动力 源车的几何中心点为运输车几何中心的轨迹跟踪点, 两几何中心点的转弯半径及转向中心相同。 设动力源 车转向时, 转弯半径为 R, 转向中心为 O。 需要运输 车转向半径也为 R, 转向中心为 O。 当运输车几何中 心到达动力源车后轴中心时, 由于几何关系, 运输车 转向中心相对于动力源车转向中心前后会偏移一段距 离。 控制这段距离使其尽量小, 即可实现两车几何中 心轨迹的小偏差跟随。 如图 5 所示。 图 5 前后车轨迹跟踪示意图 通过建立动力源车与运输车的相关数学模型, 即 能找出运输车跟踪动力源车的轨迹转换关系。 虽然二 者的几何参数与转向参数不同, 但是二者均为液压缸 驱动完成转向任务的, 建立动力源车转向油缸伸缩量 与运输车转向油缸伸缩量的关系, 即可完成轨迹跟 踪。 轨迹跟踪方案的成功与否, 关键取决于在转弯处 整车通过性的好坏。 由于同一节车上面的任意一点与 该车的轨迹跟踪点均为刚性关联, 故验算整车的可通 过性过程, 计算轨迹跟踪点、 转弯半径最大点、 转弯 半径最小点这 3 点即可。 4 1 轨迹跟踪点的通过性验算 验算轨迹跟踪点的通过性, 即以动力源车几何中 心为目标, 通过计算转向过程中运输车的几何中心相 对动力源车的几何中心的偏移量的最大值, 确定该种 方案是否适合巷道内行驶轨迹需求。 其几何模型如图 6 所示。 两几何中心之间距离为 l, 几何中心转向半径为 R, 两几何中心转向半径夹角为 θ, 两几何中心的转 向中心之间偏差为 Δ, 另有辅助计算尺寸 b、 m。 根 据几何关系可知, 两几何中心点偏差最大为 Δ。 Δ= R 1-cosθ= l sinθ 1-cosθ= ltan θ 2 , l 是定 值, 其大小为 1 427 869 mm, 故 Δ 取决于 θ。 当 θ 最 大时, Δ 最大。 动力源车前轮最大转角为 45, 前轮 转角 α′与 θ 的几何关系如图 7 所示。 11第 23 期赵静一 等 巷道轮式液压动车组独立转向控制策略与轨迹分析 图 6 几何中心轨迹跟踪模型 图 7 α′-θ 关系示意图 前轮转角 α′与 θ 的代数关系为 2 947 753 tanα′ = 1 427 869 tanθ +762 471 当 α′=45时, θmax=33 16。 代入 Δ 公式可得 Δmax=ltan θ 2 =425 124 (mm) 通过上述验算可知, 当动力源车以 α′= 45的前 轮转角行驶时, 前后车几何中心最大偏差发生在两轨 迹圆的顶端, 最大值为 425 124 mm; 当动力源车以 α′=1的前轮转角行驶时, 前后车转向中心最大偏差 发生在两轨迹圆的顶端, 最大值约 0 mm。 而实际操 作中, 前后车最大转向 90, 结合轨迹实际情况, 前 后车几何中心转过 90后, 偏差趋于 0。 几何中心可 实现小偏差轨迹跟踪。 4 2 转弯半径最小点的通过性验算 验算转弯半径最小点的通过性, 即验算两车内侧 轮廓线上距离转向中心最近点的偏差, 其几何关系如 图 8 所示。 由于这两点的转向半径及转向中心均不 同, 故两轨迹圆大小并不相等, 轨迹圆顶侧及底侧均 需计算轨迹偏差最大值。 轨迹圆顶侧 ξmax1=Rcosθ - b-R - m - Δ= m - b = 220 (1) 轨迹圆底侧 ξmax2=R - m-Rcosθ - b - Δ= 2ltan θ 2 - 220(2) 将 θmax= 33 16 代入上式, 可得 ξmax2= 630 247 mm。 通过式 (1)、 (2) 结果可知, 轨迹圆顶侧最大 偏差为固定值, 大小为 220 mm, 即无论前车前轮转 角为多大, 其偏差值均为 220 mm。 轨迹圆底侧最大 偏差随前车前轮转角变化而变化 当前车前轮转角为 α′=45时, θ=33 16, ξmax2=630 247 mm; 当前车前 轮转角为 α′=0时, ξmax2=-220 mm。 同理, 实际操作中, 前后车最大转向 90, 结合 轨迹实际情况, 转弯半径最小点转过 90后, 偏差趋 于 0。 转弯半径最小点可实现小偏差轨迹跟踪。 图 8 转弯半径最小点轨迹跟踪模型 4 3 转弯半径最大点的通过性验算 验证转弯半径最大点的通过性即验证两车轮廓线 上距离转向中心最远点的通过性, 如图 9 所示。 根据图 9 中几何关系, 可知最远点偏差最大出现 在轨迹圆底侧, 其代数关系表达式为 ξmax=R + m 2 + n 2 -Rcosθ + b 2 + a 2 + R 1 - cosθ(3) 将 θ=33 16和 θ=0分别带入式 (3) 得, ξmax1= 1 684 mm, ξmax2=-95 mm。 通过式 (3) 结果可知, 轨迹圆底侧最大偏差随 前车前轮转角变化而变化 当前车前轮转角为 α′ = 45时, θ= 33 16, ξmax1= 1 684 mm; 当前车前轮转 角为 α′=0时, ξmax2=-95 mm。 21机床与液压第 42 卷 同理实际操作中, 前后车最大转向 90, 结合轨 迹实际情况, 转弯半径最大点转过 90后, 偏差约 为 ξmax=R + m 2 + n 2 -Rcosθ + a 2 + b 2 < R + m-Rcosθ + a(4) 将各参数带入式 (4) 得 ξmax<1427 869tan θ 2 +238 294。 当 θ = 33 16时, 可得 ξmax<663 417 mm。 转弯半径最大点转向前, 驾 驶员需为其预留 663 417 mm 的余量。 图 9 转弯半径最大点轨迹跟踪模型 通过上述验证可以得出结论 整车转过 90过程 中, 几何中心可以实现小偏差轨迹跟随, 偏差大小几 乎为 0; 转弯半径最小点可以实现小偏差轨迹跟随, 偏差 大 小 趋 于 0; 转 弯 半 径 最 大 点 偏 差 不 大 于 663 417 mm。 整车旋转 360过程中, 两几何中心偏 差最大为 425 124 mm; 转弯半径最小点偏差最大为 630 274 mm; 转弯半径最大点偏差为 1 684 mm。 根 据实际情况, 整车转过 90, 即可满足巷道内工况需 求。 故在整车转过 90的过程中, 驾驶员需为转弯 半径最大点预留 663 147 mm 的余量,用来保证整车 通过 90巷道时的通过性。 5 结论 通过对巷道轮式液压动车组转向控制进行分析与 提出了整车直行过程偏差消除控制策略及转向过程轨 迹跟踪控制策略, 特别对转向时运输车跟踪动力源车 的轨迹转换方案进行研究, 并且验证了该轨迹转换方 案下整车的可通过性, 结果证明整车可通过性良好。 研究结果表明, 巷道动车组的转向协调控制方式和控 制策略是可行的。 参考文献 [1] CHEN Fenglei,ZHAO Jingyi.Design and Develpoment of Advanced Full Hydraulic Separate Transportation Platform for Successive Mining Equipment [ C]. 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Emerging Research in Artificial Intelligence and Computational Intelligence, Springer Berlin Heidelberg, 2011414-419. 齿轮机床分技术委员会在温州召开 审查通过 8 项标准 2014 全国金属切削机床标准化技术委员会齿轮机床分技术委员会年会暨标准审查会在浙江温州召开, 会议由 分会秘书处单位重庆机床 (集团) 有限责任公司主办, 嘉力宝控股集团有限公司协办, 来自第三届全国齿轮标准 化分技术委员会委员单位、 分会秘书处、 各标准起草工作组等 26 个单位的 36 名委员和代表出席了会议。 会上, 齿轮机床分技术委员会主任委员、 天津第一机床总厂总工程师柴宝连对当前齿轮机床行业形势作了分 析, 并提出在行业转型升级的关键时期, 更应重视标准化工作。 重庆机床 (集团) 有限责任公司总工程师曾令万、 嘉力宝控股集团有限公司董事长陈立新参会并发言。 会议审查通过了 8 项行业标准及 1 项规范, 布置了 2015 年分 会标准化工作。(内容来源 机床工具工业协会) 31第 23 期赵静一 等 巷道轮式液压动车组独立转向控制策略与轨迹分析
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