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纵轴式掘进机截割臂升降运动的仿真分析 冯君玲， 田慕琴， 贺 颖， 王茜 太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 摘要纵轴式掘进机在垂直升降截割过程中，当截割部运动方向发生变化时，作用在截割头的载荷会 发生突变， 从而引起升降液压缸载荷和活塞运动速度产生极大波动， 进而影响截割头受力和截割臂摆速， 降 低施工精度和掘进机工作稳定性。为了减小升降液压缸载荷与活塞运动速度在换向瞬间的波动程度，在 A M E S i m 中建立纵轴式掘进机升降截割系统物理模型，通过加入P I D 控制对系统进行仿真，对比分析原有系 统与P I D 控制系统升降液压缸在运动方向发生变化时液压缸载荷、活塞运动速度和压力的响应特性。仿真 结果表明P I D 控制系统与原有系统相比，波动幅度降低，调节速度快；采用P I D 控制能够有效提高截割部 在变换截割方向时压力和速度的控制精度， 稳定性好， 适应能力强， 对掘进机截割臂摆动自动控制具有重要 意义。 关键词 升降运动； 液压缸载荷； A M E S i m ; P I D 控制； 仿真分析 T H 1 3 7 ; T D 4 2 1 B 1 0 0 0 - 4 8 5 8 2 0 2 0 0 9 - 0 0 2 2 - 0 7 1 0 . 1 1 8 3 2 / j . i s s n . 1 0 0 0 - 4 8 5 8 . 2 0 2 0 . 0 9 . 0 0 4 S i m u l a t i o n A n a l y s i s o f L i f t i n g M o v e m e n t o f C u t t i n g A r m o f L o n g i t u d i n a l R o a d h e a d e r F E N G J u n - l i n gT I A N M u - q i nH E Y i n g WA N G X i 2 0 2 0 - 0 3 - 2 3 基金项目国家自然科学基金 U 1 5 1 0 1 1 2 ；山西省重点自然基金 2 0 1 9 0 1 D 1 1 1 0 0 8 Z D 作者简介冯君玲 1 9 8 6 - ，女，河南焦作人，博士研究生，主要从事大型矿山机械故障诊断与自动控制方面的研究工作。 万方数据 2 0 2 0 年第9 期液压与气动2 3 引言 纵轴式掘进机以其安全、高效、灵活性高、适应性 强等特点，在半煤岩巷道掘进中得到普遍应用。1 ‘4J 。 掘进机工况包括水平截割、垂直截割与纵向钻进J 。 垂直截割是掘进机的重要工况之一，当掘进机垂直升 降截割过程中运动方向发生变化时，作用在液压系统 执行元件的工作负载会发生突然变化，导致液压缸两 腔压力出现强烈波动。这种压力波动一方面会对液压 元件造成冲击，从而引起液压元件故障，引发生产事 故，另一方面会使活塞运动速度产生波动，造成截割臂 运行轨迹偏差，进而影响巷道成形质量和掘进 效率‘6 I 。 汪胜陆等1 通过对E B z l 6 0 型掘进机截割头垂直 摆动液压控制系统的分析，提出了利用电液比例方向 阀代替手动换向阀的改进控制方案，建立了系统的数 学模型，并采用M A T L A B 软件对系统进行闭环P I D 控 制仿真；毛清华等。8o 针对煤矿悬臂式掘进机截割断面 自动成形控制问题，建立了截割头控制系统传递函数 模型，并提出了一种基于P I D 控制的悬臂式掘进机截 割头位置精确控制方法；李阁强等一。为解决盾构机在 复杂地层施工时推进速度和压力难以控制的问题，在 压力流量控制的基础上提出B P 神经网络控制策略， 并对系统进行联合仿真分析；刘春生等叫建立了悬臂 水平摆动机构液压系统的静态和动态数学模型，采用 计算机模拟的方法，分析了系统的动态特性，为实现掘 进机自动控制提供了实用的简化模型。 现有研究主要针对掘进机截割臂摆动截割过程进 行建模和控制，而针对截割臂摆动换向瞬问液压系统 的性能研究却鲜有报道。因此，本研究基于A M E S i m 仿真平台，建立了纵轴式掘进机升降截割系统物理模 型，对截割臂升降运动过程中运动方向变化瞬间的液 压缸压力和速度响应进行分析，通过加入P I D 控制，保 截割 证了截割臂垂直升降换向的平稳性和可靠性，从而提 高掘进机的施工精度和工作稳定性，对实现掘进机自 动控制具有重要意义。 1 掘进机截割臂升降液压系统工作原理 掘进机升降液压回路采用负载敏感控制方法，其 液压原理如图1 所示，系统主要由电动机、具有负载敏 感和压力切断功能的变量泵、溢流阀、压力补偿阀、负 载敏感伺服阀、平衡阀和1 对升降液压缸组成。变量 泵在电动机驱动下为液压回路提供压力油源，经过负 载敏感伺服阀驱动l 对升降液压缸工作，控制液压缸 的方向和速度，从而实现截割臂上下摆动。溢流阀控 制系统最高压力；压力补偿阀保持伺服阀前后压差为 恒定值，确保流经伺服阀的流量不受负载变化的影响， 仅与阀口开度呈正比- 1 1 I ；平衡阀组可以防止截割臂在 不工作或者油管爆裂时由于较大的自重而自动下落产 生的危险H2 I ，将截割臂按照工作要求锁定在某一位 置，当液压缸负载方向发生变化时在回油路形成背压， 平衡负载- 13 I ，保持截割臂平稳运动。 2 掘进机升降液压系统仿真模型搭建 参照图1 ，在A M E s i m 中搭建基于P I D 的掘进机 截割部升降液压控制系统仿真模型，如图2 所示。仿 真模型主要包括电动机、负载敏感变量泵、压力补偿 器、负载敏感伺服阀、平衡阀组、液压缸、截割部、位移 传感器及P I D 控制模块等重要系统部件。其中压力补 偿器利用H c D 库原件建立，平衡阀组由2 个偏心阀组 成，P I D 控制模块由A M E s i m 信号库中自带的P I D 元 件、信号放大器、信号限位器组成，由于截割部升降运 动轨迹在同一平面内，因此采用平面机械库建立截割 部模型。截割部用1 个三端口的P L M D B O D 模块表 示，其中1 个端口与P L M P I V O T 模块连接，表示与回转 台的铰接点；1 个端口与P L M J A C K 模块连接，表示与 升降液压缸铰接点；另外1 个端口位于截割部末端，表 一一陶百2 0 M P 8 M B 墓 1 一广．卅州 bU 喇 B掣B | | 什r 。’一， M A 升降 o 理HHX 艮竺l 陶 型二建 器 A ．． 2 0M P alM B 喇 1 一广、肾H 。 图l截割部升降系统液压原理图 万方数据 液压与气动2 0 2 0 年第9 期 示截割头，由1 个P L M F O R 模块及信号库共同模拟外 载荷施加于该端口。根据某型号掘进机截割部几何尺 寸，设置截割部与回转台铰点坐标、截割部与升降油缸 铰点坐标及升降油缸与回转台铰点坐标，得到截割部 平面机构仿真装配图‘1 4 1 ，如图3 所示。 ④ o 一 ◎ 一一革参 岫主譬_ 裥≤絷 她隼} ⋯⋯ “ 。划 丘；岛 图2 基于P I D 的截割部升降液压系统仿真模型 图3 截割部平面机构仿真装配图 设置截割部运动轨迹为由平行于地面的水平位 置向上摆动至截割头上极限位置，再由上极限位置向 下摆动至下极限位置，最后由下极限位置向上摆动至 上极限位置。为了验证截割部模型参数设置正确与 否，将截割头垂直运动距离及截割臂垂直摆动角度仿 真值与计算值进行比较，结果如图4 所示。由图4 a 、 图4 b 可知，截割臂垂直摆动上极限位置与下极限位置 仿真值分别为3 ．0 8 6m 与一1 ．6 2 9m ，与计算值3 ．0 4 7m 和一1 ．6 2 9m 基本吻合；由图4 c 可知，截割臂摆动角度 上下极限仿真值分别为4 3 ．1 6 。和一2 0 ．4 9 。，与该型号 掘进机上下摆动极限角度4 3 ．6 。和一2 1 ．2 7 。非常接 近，因此截割部模型参数设置正确，保证后续仿真分析 的准确性。 1 卫l 30 8 5 9 1 1 2 一 1 x 2 2 4 - 4 9 f 2 1 工 5 2 ．0} 5 2 ，- 1 J J L l _ - 4 ，l ，j 8 ， ∥ ， ， ／ ＼ ‘ ／ ／ ／ O 2 0 4 06 08 0 1 0 0 t 吨 a 截割头垂直摆动距离仿真值 5 0 4 0 3 0 2 0 ￡1 0 运O _ l O - 2 0 一3 0 l 『m b 截割头垂直摆动距离计算值 r ．。／ ＼ ／ 彳 z 2 7 ／ 1 卫1 z ／ 2 z 5 2 ／ 2 儿1 2 ／ 2 一 1 f ， 2 ． 1 y 0 2 04 06 0 8 0 l U U ∥s c 截割臂垂直摆动角度仿真值 图4 截割臂垂直运动轨迹 3 截割部升降运动液压系统控制的仿真分析 在A M E S i m 中分别进行原有系统和加入P I D 控制 的截割部升降运动仿真，图5 所示为基于P I D 控制的 液压缸位移跟踪曲线。仿真结果表明，实际位移与期 望位移最大误差值为0 ．0 0 7m ，基本能够跟踪上期望 值的变化。 图6 和图7 分别显示原有系统和采用P I D 控制的 液压缸载荷、变量泵出口压力和出口流量的仿真曲线。 4 3 2 ● O J 之 _ 【I I 诗 ●5 0 5 吣吡n o o ㈠U 万方数据 2 0 2 0 年第9 期液压与气动2 5 6 0 0 5 0 0 然 匿篙 O 裟 2 2 0 2 0 0 1 8 0 匿1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 黧 1 5 0 匿1 嚣 0 ．黧 图5P I D 控制的液压缸位移跟踪曲线 1 0 3 O2 04 06 08 01 0 0 “S a 液压缸载荷 O2O ．4 O ．6 0 ．8 lO1 ．2 1 ．4 1 ．61 ．8 t | s b 水平位置液压缸载荷放大图 2 7 ．6 2 7 ．7 2 7 ．8 2 7 ．9 2 8 ．02 8 ．12 8 22 8 ．32 8 ．4 ∥s c 上极限位置液压缸载荷放大图 ∥s d 下极限位置液压缸载荷放大图 图6 液压缸载荷仿真曲线 2 5 2 0 蛊1 5 蔓 、盖l O 5 O 02 04 06 0 8 0 1 0 0 d 流量 P I D 图7 变量泵出口压力和流量仿真曲线 由图6 a 可知，液压缸载荷在下极限位置达到最 大，与文献[ 1 5 ] 中“油缸对截割臂推力的最大值出现 在p 最小的位姿”结论一致，这是由于截割臂越向下， 液压缸推力越大，才能越有效地平衡向下的截割力和 重力，保证截割臂平稳下降；在截割臂升降运动过程 中，除了换向点之外，液压缸载荷随截割臂的空间位置 变化而平稳变化。如图6 b ～图6 d 所示，截割臂在水 平位置启动阶段及上下极限位置变换运动方向瞬间， 液压缸载荷均有不同程度的振荡，且振幅不一致，振荡 时间也有区别。水平位置启动阶段，原有系统和P I D 控制系统振荡时问均较长，约为1 ．8s ，而P I D 控制系 万方数据 2 6液压与气动2 0 2 0 年第9 期 统最大振荡幅值降低至原有系统的7 9 ．9 ％；截割臂运 动至上极限位置开始向下运动瞬问，原有系统经过 0 ．6 5s 振荡后趋于稳定，其最大振荡峰峰值为稳定值 的3 倍，加入P I D 控制后，振荡时间缩短至0 ．5 5s ，振 荡幅值明显减小；当截割臂运动至下极限位置开始向 上运动瞬间，原有系统经历一个短暂的振荡后趋于稳 定，但是在换向瞬间有一个高达稳定值大约3 倍的振 荡冲击，加入P I D 控制后，尽管振荡时间稍有延长，却 极大地降低了换向瞬间的载荷冲击，保证了系统的安 全性和稳定性。 由图7 a 、图7 b 可知，变量泵输出压力随液压缸载 荷的变化而变化，在P I D 控制下基本消除了原有系统 的超调现象，控制效果较好；图7 c 、图7 d 仿真结果显 示，无论液压缸载荷如何变化，除了几个换向点外，变 量泵输出流量恒定，约为4 7I ／m i n ，P I D 控制下无超调 现象。 图8 所示为液压缸两腔压力仿真曲线，截割臂下 降过程中，活塞杆腔进油，活塞腔回油，液压缸载荷为 拉力，进油压力随截割臂位姿逐渐向下而减小，回油压 力基本保持恒定；截割臂上升过程中，活塞腔进油，活 塞杆腔回油，液压缸载荷为推力，进油压力随截割臂位 姿逐渐向上而减小，回油压力基本保持恒定。由图 8 a 、图8 b 对比来看，增加P I D 控制后液压缸两腔压力 在截割臂运动换向瞬问的冲击大幅减小，换向更加 平稳。 ∥s b 压力 P I D 图8 液压缸两腔压力仿真曲线 图9 分别显示液压缸与截割头运动速度仿真曲 线。由图9 a 、图9 b 液压缸速度仿真曲线可以看出，在 变量泵出口流量保持不变的情况下，由于平衡阀的作 用，液压缸在截割臂上升和下降阶段均能平稳地做匀 速运动，但下降阶段液压缸速度要大于上升阶段，且 P I D 控制系统在换向瞬间基本没有出现大的波动。由 图9 c 、图9 d 截割头摆速仿真曲线可知，截割头垂直摆 动在截割臂上升和下降阶段并非匀速运动，即截割头 摆速与液压缸速度之间不是线性关系，而通过理论分 析可知，截割头摆速由液压缸速度、截割臂长度及截割 臂位姿角的正弦值共同确定，截割头摆速与液压缸速 O0 3 0 ．0 2 0 ．0 1 O ．O O i O ．0 1 鱼一0 ．0 2 蔷一O ．0 3 0 ．0 4 0 ．0 5 一O ．0 6 胼； O0 1 0 一 O ．0 0 5 姜一燃 ．O0 1 0 燃； 一0 ．0 2 5 O ．0 2 0 0 ．0 1 5 O ．0 l O O0 0 5 竺O0 0 0 吾一0 ．0 0 5 0 ．0 1 0 O ．0 1 5 一O ．0 2 0 一0 ．0 2 5 f l 、x 1 28 3 1 1y1 - O ．0 1 5 3 3 3 7 1 f 2 、x 4 06 3 1 1v1 一O ．0 2 4 5 0 7 4 3 2 - 1 x 2 78 2 一 1 J 1 _ 1 一O ．0 3 9 8 4 1 1 4 02 04 06 0 8 0 1 0 0 ∥s a 液压缸速度 f 1 1 f 1 1 ．7 5 1 儿1 2 0 ．0 1 5 3 3 3 0 4 2 x 4 0 ．8 5 1 卫1 2 0 ．0 2 4 5 0 8 4 2 一 1 f 2 9 ．1 2 一 1 卫1 2 一O ．0 3 9 8 ∥s b 液压缸速度 P I D t 崦 c 截割头摆速 飞 ＼＼ ∥s d 截割头摆速 P I D 图9 液压缸速度与截割臂摆速仿真曲线 2 1 O 1 2 3 0 O O 加 加 加 ．．∞．暑吾 万方数据 [ 1 ] 宗 凯 ， 张 鹏 ， 王鹏 江，等 . 固 定截割 方向截 割臂摆 角垂直 跳 动规律[ J ] . 煤炭学报，2 0 1 8 , 4 3 5 1 4 5 5 - 1 4 6 3 . Z O N G K a i , Z H A N G P e n g , W A N G P e n g j i a n g , e t a l . R e g u l a t i o n o f t h e C u t t i n g A r m s S w i n g A n g l e R u n - o u t P e r p e n d i c u l a r t o t h e F i x e d C u t t i n g D i r e c t i o n [ J ] . J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y , 2 0 1 8 , 4 3 5 1 4 5 5 - 1 4 6 3 . [ 2 ] 田 劫 ， 王 苏 或 ，吴 淼，等 . 悬 臂式掘 进机空 间位姿 的运动 学 模型与仿真[ J ] . 煤炭学报，2 0 1 5 , 4 0 1 1 2 6 1 7 - 2 6 2 2 . T I A N J i e , W A N G S u y u , W U M i a o , e t a l . S p a t i a l P o s e K i n e m a t i c s M o d e l a n d S i m u l a t i o n o f B o o m - t y p e R o a d h e a d e r [ J ] . J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y , 2 0 1 5 , 4 0 1 1 2 6 1 7 - 2 6 2 2 . [ 3 ] Y A N G Y a n g , L I G u o w e i , Y U A N A i h u i . P e r f o r m a n c e A n a l y s i s o f a H y b r i d P o w e r S y s t e m f o r R o a d h e a d e r [ J ] . M a t h e m a t i c a l P r o b l e m s i n E n g i n e e r i n g , 2 0 1 7 , 1 6 1 1 - 1 2 . 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A n a l y s i s o f I n f l u e n c e R e g u l a r i t y o f C u t t i n g H e a d L o a d t o R o a d h e a d e r s D e v i a t i o n A n g l e [ J ] . I n d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n , 2 0 1 8 , 4 4 8 4 6 - 5 1 . [ 7 ] 汪 胜 陆 ， 孟 国 营， 赵立新 ，等. 悬臂 式掘进 机截割 头垂直 摆 动控制仿真[ J ] . 煤炭科学技术，2 0 0 9 , 3 7 5 9 5 - 9 8 . W A N G S h e n g l u , M E N G G u o y i n g , Z H A O L i x i n , e t a l . S i m u l a t i o n o n V e r t i c a l M o v i n g C o n t r o l o f C u t t i n g H e a d f o r B o o m T y p e M i n e R o a d h e a d e r [ J ] . C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , 2 0 0 9 , 3 7 5 9 5 - 9 8 . [ 8 ] 毛 清 华 ， 陈 磊 ，闫 昱州， 等. 煤矿悬 臂式掘 进机截 割头位 置 精确控制方法[ J ] . 煤炭学报，2 0 1 7 , 4 2 S 2 5 6 2 - 5 6 7 . M A O Q i n g h u a , C H E N L e i , Y A N Y u z h o u , e t a l . P r e c i s e C o n t r o l M e t h o d o f C u t t i n g H e a d P o s i t i o n f o r B o o m - t y p e R o a d h e a d e r i n C o a l M i n e [ J ] . J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y , 2 0 1 7 , 4 2 S 2 5 6 2 - 5 6 7 . [ 9 ] 李 阁 强 ， 牛 彦 杰 ， 陈 馈 ， 等 . 基 于 B P - P I D 控 制 器 的 盾 构 液 压 推 进 控 制 系 统 研 究 [ J ] . 隧 道 建 设 ， 2 0 1 7 , 3 7 7 8 8 5 - 8 9 0 . L I G e q i a n g , N I U Y a n j i e , C H E N K u i , e t a l . R e s e a r c h o n H y d r a u l i c T h r u s t i n g C o n t r o l S y s t e m o f S h i e l d M a c h i n e B a s e d o n B P - P I D C o n t r o l l e r [ J ] . T u n n e l C o n s t r u c t i o n , 2 0 1 7 , 3 7 7 8 8 5 - 8 9 0 . [ 1 0 ] 刘 春 生 ， 漆 利 平 ， 赵 汗 青 . 悬 臂 式 掘进 机悬臂 水平摆 动机 构 的 建 模 与 仿 真 [ J ] . 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 ， 2 0 0 8 , 1 8 1 1 - 4 . L I U C h u n s h e n g , Q I L i p i n g , Z H A O H a n q i n g . O r g a n i z a t i o n M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n o f B o o m T y p e R o a d h e a d e r s H o r i z o n t a l H u n t i n g [ J ] . J o u r n a l o f H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e T e c h n o l o g y , 2 0 0 8 , 1 8 1 1 - 4 . 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W o r k i n g P r o p e r t i e s o f C o u n t e r b a l a n c e V a l v e i n R o a d h e a d e r B a s e d o n A M E S i m [ J ] . C h i n e s e H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s , 2 0 1 5 , 7 5 1 - 5 4 . [ 1 4 ] 杨 文林 ， 闫炳雷，王忠宾. 基于A M E S i m 的掘进机液压系 统 参 数 优 化 分 析 [ J ] . 机 床 与 液 压 ， 2 0 1 4 , 4 2 5 1 2 9 - 1 3 1 . Y A N G W e n l i n , Y A N B i n g l e i , W A N G Z h o n g b i n . P a r a m e t e r O p t i m i z a t i o n f o r H y d r a u l i c S y s t e m o f R o a d h e a d e r B a s e d o n A M E S i m [ J ] . M a c h i n e T o o l H y d r a u l i c s , 2 0 1 4 , 4 2 5 1 2 9 - 1 3 1 . [ 1 5 ] 李 旭 ，王 苏 或，吉晓东，等. E B Z 1 6 0 型掘进机驱动油缸实 测载荷分析[ J ] . 煤炭技术，2 0 1 6 , 3 5 5 2 5 0 - 2 5 2 . L I X u , W A N G S u y u , J I X i a o d o n g , e t a l . L o a d A n a l y s i s o f D r i v i n g C y l i n d e r f o r E B Z 1 6 0 R o a d h e a d e r B a s e d o n M e a s u r e d D a t a [ J ] . C o a l T e c h n o l o g y , 2 0 1 6 , 3 5 5 2 5 0 - 2 5 2 . 万方数据