井下液压凿岩台车安全自主导航的研究.pdf

分类号狸墨鱼 U DC6 2 2 硕士学位论文 学校代码羔Q 墨呈墨 密级公珏 井下液压凿岩台车安全自主导航的研究 R e s e a r c ho nS a f e t ya n dA u t o n o m o u sN a v i g a t i o no f U n d e r g r o u n dH y d r a u l i c D r i l lR i g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 哥I J 指导教师 李晓梅 安全工程 安全工程 资源与安全工程学院 贾明涛副教授 潘冬高级工程师 论文答辩E l 期 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 I I i llM II I l l lH II I I I IM1 1 1 1 1 1 l Y 2 6 8 5 0 7 2 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名查堕日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 导师签名墩导师签名连丝鱼扮 日期么2 盟年上月丝日 万方数据 井下液压凿岩台车安全自主导航的研究 摘要井下液压凿岩台车作业，是指在采矿掘进中实现钻凿钻孔的作业行 为。智能台车是一种具有高度智能的凿岩机器人，具有较强的感知识别能 力。其通过无线网络接收指令并反馈信息，实现自主行走、自主找孔定位、 自主凿岩的全过程。井下液压凿岩台车的智能化，可以降低井下作业人员 的劳动强度和生产费用，提高作业效率，因此，进行相关技术的研究意义 重大。我国对智能液压凿岩台车的研究起步较晚，但由于台车作业环境的 影响以及市场竞争力，实现台车自动化凿岩将成为一个急需解决的问题。 针对这一问题，本文以国家‘8 6 3 ’课题为背景，对井下液压凿岩台车的 安全自主导航展开研究和探讨，主要内容如下 1 ．针对井下液压凿岩台安全自主导航的相关问题，从台车的作业特 征、作业危险因素、台车自主导航的方法以及设计四个方面展开分析，为 后续的台车安全自主导航提供支持和基础。 2 ．根据本文的井下液压凿岩台车问题的分析，对台车的安全自主导 航系统进行设计，包括系统硬件系统和软件功能的设计。其中，将井下液 压凿岩台车的安全自主导航的问题分解为自主定位、环境建模、路径规划 以及安全避障模块问题。然后，针对井下台车的结构和地下作业的环境， 分析了各个功能的具体实现方法，构造台车安全导航系统的软件模块，为 下章的模糊控制在井下液压凿岩台车自主导航的应用提供依据和奠定基 础。 3 ．介绍了所使用的算法．模糊控制方法，并对路径跟踪和安全避障模 块进行了应用研究。通过运用模糊控制技术的M a m d a n i 模糊控制法，在 M A T L A B 环境下，通过程序编译，对井下液压凿岩台车安全自主导航中 的路径跟踪和安全避障进行仿真验证，同时在S i m u l i n k 、 L M SV i r t u a l ．L a bm o t i o n 中搭建模型，进行铰接式结构仿真验证。 本文主要完成了对井下液压凿岩台车安全自主导航的理论研究和仿 真实现，为矿山设备智能化奠定了基础，在后续工作中将结合井下凿岩台 车样机进行现场试验。 关键词井下液压凿岩台车，安全自主导航系统，模糊控制，路径规划安 全避障 分类号X 9 3 万方数据 R e s e a r c ho nS a f e t ya n dA u t o n o m o u sN a v i g a t i o no fU n d e r g r o u n d H y d r a u l i cD r i l lR i g A b s t r a c t T h ei o bo fu n d e r g r o u n dH y d r a u l i cD r i l lR i gi sak i n do fb e h a v i o r m a i n l yu s e df o rd r i l l i n gi nm i n i n g ．T h ei n t e l l i g e n tH D R i sah i g h l yi n t e l l i g e n t d r i l l i n gr o b o ta n d h a st h ec a p a c i t yo fi d e n t i f y i n g ．I tr e c e i v ei n f o r m a t i o nv i at h e w i r e l e s sn e t w o r ka n df e e d b a c ki n f o r m a t i o n ，w a l ki n d e p e n d e n t l y , f i n dt h eh o l e t h r o u g hs e l f - p o s i t i o n i n g ，c o m p l e t ed r i l l i n gi n d e p e n d e n t l yi nt h ew h o l ep r o c e s s ． T h ei n t e l l i g e n tH D Rp l a y sr o l ei nr e d u c i n gl a b o ri n t e n s i t ya n dp r o d u c t i o n c o s t so fu n d e r g r o u n dw o r k e r s ，i m p r o v i n go p e r a t i o n a le f f i c i e n c y , a n dt h e r e f o r e i th a sag r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h er e l a t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c h ． R e s e a r c ho nt h e i n t e l l i g e n th y d r a u l i c d r i l lr i gs t a r tl a t ei no u rc o u n t r y , a c h i e v i n ga u t o m a t e dd r i l l i n gw i l lb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m ，b e c a u s eo ft h e e n v i r o n m e n tf a c t o r sw h e nt h eH D Ro p e r a t i n ga n dc o m p e t i t i v er e q u i r e m e n t s ． T os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rr e l yo nan a t i o n a lp r o j e c t ，n a m e d “8 6 3 N a t i o n a lH i g h - t e c hR e s e a r c hD e v e l o p m e n tp l a n “ ，s t u d y i n ga n dd i s c u s s i n g d e e p l yt h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n ta l l h y d r a u l i cd r i l lr i gi nd e e p h o l e s ．T h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nf o u rp a r t s 1 ．A i ma tt h ei s s u e sa b o u tt h es a f e t ya n da u t o n o m o u sn a v i g a t i o no f u n d e r g r o u n dh y d r a u l i c d r i l l r i g ，t od e t a i l e da n a l y z e f r o mf o u r a s p e c t s ， i n c l u d i n gf e a t u r e si nt h er i g ’So p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h er i s kf a c t o r s ，t h e m e t h o da n dd e s i g no fa u t o n o m o u sn a v i g a t i o n ，t o p r o v i d es u p p o r ta n d f o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n ts a f e t ya u t o n o m o u sn a v i g a t i o no fH D R ． 2 ．A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fu n d e r g r o u n dh y d r a u l i cd r i l lr i g i nt h i s p a p e r , d e s i g n i n gs a f e t ya n da u t o n o m o u sv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n g s y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef e a t u r e s ．A m o n gt h e m ，t h ep r o b l e mo f u n d e r g r o u n dh y d r a u l i cd r i l lr i g i sd i v i d e di n t oa u t o n o m o u sp o s i t i o n i n g ， e n v i r o n m e n tm o d e l i n g ，p a t hp l a n n i n ga n do b s t a c l es a f e t ya v o i d a n c em o d u l e ， f o c u so nt h es t r u c t u r ea n du n d e r g r o u n dm i n eo p e r a t i o n se n v i r o n m e n t ， a n a l y z i n gt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n o fe a c hf u n c t i o n ，c o n s t r u c t i n gt h e s o f t w a r em o d u l e so fs a f e t yn a v i g a t i o ns y s t e m ；T h i sp r o v i d et h eb a s i sa n d f o u n d a t i o nf o rt h en e x tc h a p t e ro ff u z z yc o n t r o lm e t h o da p p l i e di n t o a u t o n o m o u sn a v i g a t i o no fu n d e r g r o u n dh y d r a u l i cd r i l lr i g ． 3 ．D e s c r i b et h ea l g o r i t h m ．F u z z yC o n t r o lM e t h o da n dd os o m ea p p l i e d I 万方数据 r e s e a r c ho np a t ht r a c k i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c es a f e t y ．T h r o u g ht h eu s eo f f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y ．M a m d a n iF u z z yC o n t r o lM e t h o d ．t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dv i r t u a ls i m u l a t i o nw e r ec a r r i e do u to nt h ep l a t f o r m so f M A T L A B ．S i m u l i n ka n dL M SV i r t u a l ．L a bM o t i o nt ov e r i f yt h ep r o p o s e d a l g o r i t h m sa n dt e c h n o l o g y ． I nt h i sr e s e a r c h ，a l la d v a n c e ds a f e t ya n da u t o n o m o u sn a v i g a t i o no f u n d e r g r o u n dh y d r a u l i cd r i l lr i gw a sd e v e l o p e da n dv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya n de x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h es t u d yo ff u n d a m e n t a l so ft h e p r o b l e ma n dr e l a t e dt h e o r i e s ．T h er e a l i z a t i o no ft h et e c h n o l o g yc a np r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to ft h ee x p e c t e da d v a n c e dm i n i n ge q u i p m e n ti nt h i sn a t i o n a l p r o je c t ．A n dt h em e t h o dc a na l s ob ev e r i f i e db yf u r t h e rs t u d y i n go nf i e l dt r i a l s c o m b i n e dw i t ht h ep r o t o t y p eo fu n d e r g r o u n dh y d r a u l i cd r i l lr i g ． K e y w o r d s U n d e r g r o u n dH y d r a u l i cD r i l lR i g ，S a f e t ya n da u t o n o m o u s n a v i g a t i o n ，F u z z yc o n t r o l ，P a t hp l a n n i n g ，O b s t a c l ea v o i d a n c es a f e t y C l a s s i f i c a t i o n X 9 36 V 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯．⋯．．⋯．．⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．⋯．．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国内外液压凿岩台车的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 井下车辆自主导航的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 井下凿岩台车自主导航技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 论文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 井下液压凿岩台车安全自主导航问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 井下凿岩台车作业特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2 井下液压凿岩台车作业时的危险因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 井下液压凿岩台车自主导航设计的关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 井下设备的定位技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．2 井下液压凿岩台车的路径规划与决策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．3 井下液压凿岩台车的结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．4 井下液压凿岩台车的安全问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 井下液压凿岩台车的安全自主导航系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 井下液压凿岩台车的安全导航硬件系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．1 传感器系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．1 ．2 井下液压凿岩台车的工作平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 井下液压凿岩台车的安全导航软件系统功能设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．1 自主定位模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．2 地图创建模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．3 路径规划模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．4 安全避障模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 模糊控制在井下液压凿岩台车自主导航中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 模糊控制系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．1 模糊控制技术的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 V 万方数据 4 ．1 ．2 模糊控制系统的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．13 模糊控制器的构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．1 ．4 模糊控制器的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 模糊控制在井下液压凿岩台车路径跟踪的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．1 井下液压凿岩台车路径跟踪策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．2 ．2 巷道内液压凿岩台车的路径跟踪的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．2 ．3 采场内液压凿岩台车的路径跟踪的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．3 模糊控制在井下液压凿岩台车安全避障的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．3 ．I 井下液压凿岩台车安全避障的策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 4 ．3 ．2 井下液压凿岩台车安全避障的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 4 ．3 ．3 实验仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 附表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 攻读硕士学位期间的研究成果及获奖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究的背景 凿岩，是以岩石或矿石为工作对象，进行钻凿炮孔的一种作业方式，而岩石的物 理力学性质很大程度上与凿岩爆破有关。凿岩一方面为有效爆破创造了先决条件，另 一方面也为炸药创造了必要的容纳空间。地下矿山在开采过程中，除去一些使用电铲 处理松土、煤层、表土的情形外，全部巷道和矿岩的开采几乎都选用凿岩爆破法，且 所需工程费用约能占到采矿总成本的4 0 ～6 0 ％。因而，凿岩是矿山开采过程中的关键 工艺，不仅对矿山的生产能力、成本、效率、安全等有着极其重要的影响，而且其技 术在一定程度上也会促进采矿技术的发展。不同赋存条件的地质需要不同的采矿方法， 从而也就需要不同的凿岩方式。所以，地下矿山生产建设中，凿岩设备占据着突出的 地位。 凿岩台车的井下作业条件十分恶劣，存在巷道狭窄、照明昏暗、坡道多、坡度大、 噪声强、机械振动剧烈等多种不利因素，在行驶过程中也会遭遇各种障碍物，所以， 井下凿岩台车的日常工作面临着各种风险。当前，在地下金属矿山中，由于深部挖掘 的不断推进，使得井下高地热、高岩石应力以及高岩溶水压的“三高”问题逐步突显， 进一步恶化了凿岩台车的作业环境，直接危害了操作者的生命健康与人身安全。然而， 井下凿岩台车的自主导航不仅可以实现其自主行走，而且还将凿岩台车司机从危险的 作业环境中解放出来。同时，还可以减少凿岩设备的闲置及其损坏的概率，降低工人 的劳动强度，提高凿岩台车的使用效率，增加矿山经济效益。 经过几代科技人员在采矿业方面的努力钻研，在重大矿山配备的技术攻关，以及 对国际先进技术装备的引进消化，我国矿山装备得以迅猛发展，并达到了一定的规模 和水平。凿岩台车是矿山开采工程的必备设备，其所蕴含的技术及其水平，是通过不 断的工程实践，在用户迫切需求下，趋向成熟和完善的，并随时代的进步而不停地发 展。国际上的发达国家已拥有比较先进的智能化技术，基本普及了井下液压凿岩机和 凿岩台车，典型的是凿岩机器人。目前，国际上正探寻智能化、绿色化的凿岩台车。 近年来，我国在矿山凿岩领域的研究、推广和应用也取得了不错的进步。其中，井下 高气压大直径潜孔钻机、全液压凿岩台车等凿岩设备的相继推广使用，大大缩短了国 内井下凿岩装备与国际发达国家的差距。当今，国内矿山建设正处于高速度成长时期， 地下工程的巷道掘进和回采作业都离不开凿岩台车，特别是离不开具有高性能的自动 化凿岩台车，因而，智能化的凿岩台车是必然的发展趋势【l 】。随着社会的发展、技术 的进步，国际采矿装备己进入智能化时代，矿山数字化、网络化、智能化成为当前国 际地下采矿的发展趋势。国外部分先进的矿山，已经开始应用于实际。矿山数字化、 】 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 智能化开采可带来安全、高效、节能、环保等一系列优势，但矿山的数字化、网络化、 智能化作业，必然需要相应的智能矿山装备配套。这种情况下，实现凿岩台车的自动 化作业，不仅可为智能采矿创造了前提，而且还可提高凿岩效率、改善作业条件。 当前，国内地下金属矿山的智能化开采技术相比发达国家，还存在很大差距，无 法满足我国矿业快速发展的需求。因此，在采矿装备智能化运行、采矿生产过程智能 化监控以及装备方面上，都需要进行深入研究，以求突破智能开采的关键技术，提高 我国矿山企业和开采装备制造企业的市场竞争能力，为我国从矿业大国走向矿业强国 提供技术支撑。针对这种情况，国家科技部专门设立“地下金属矿智能开采技术”主 题项目，并将地下采场主要凿岩设备．液压凿岩台车的研发作为项目的子课题，研制开 发出符合该项目要求的，能自主行走、自主找孔定位、自主完成凿岩全过程，且能对 凿岩过程进行智能控制的智能中深孔全液压凿岩台车。本项目结合井下网络通讯技术、 现代智能技术等前沿科学技术而研制的新一代凿岩设备，为地下矿山的数字化、智能 化提供硬件基础，是地下矿山实现智能化的关键设备。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内外液压凿岩台车的发展现状 凿岩台车不仅是隧道和地下工程凿岩钻爆的常用施工装备，同时也是井下巷道掘 进及采场落矿作业的重要工程设备。其中，液压凿岩机是凿岩台车的核心工作机构， 用于实现最终的钻孔工作。凿岩台车利用一辆机联结一个或多个凿岩机，提高效率、 提升质量，同时也减轻了作业人员的负担。因此，凿岩机的功率和凿岩速度是井下凿 岩效率提高和作业成本降低的关键，也是不同凿岩方式的发展趋势【2 J 。气动凿岩机由 于耗气量、结构和压气管道等因素制约了其发展，从而促使了液压凿岩机的问世。液 压凿岩具备高效的凿岩速度、高能量的利用率、动力损耗少、参数的方便调节以及优 良的作业环境等优点，迅速得到推广应用，且显现出强大的生命力。具体表现在a ．在 同等作业条件下，液压凿岩机的凿岩速度比气动凿岩机高2 ．4 倍，而消耗的能量仅达 到其1 ／3 - - - , 1 ／4 ；b ．液压凿岩机以高压油作为介质，活塞结构细长，受力得到明显改善； c ．液压凿岩台车在工作下产生的冲击波持续久、振幅小、波峰值低，且高能量的输出 也有利于延长活塞和钎具的使用寿命；d ．所有工作在液压凿岩台车油液中的零部件， 寿命一般都很长，拆机所需的维修周期长、维修费用低，机器备件的损耗也很少；e ．装 配在凿岩台车上的液压凿岩机，根据矿岩的机械物理特性，实现凿岩参数的自动调节， 使凿岩在最优条件下得以进行，而台车上的自动防卡钎机构，则可减少工作故障的发 生，提高凿岩机的工作效率，降低井下的作业成本；f ．井下全液压凿岩台车所依靠的 单一液压动力，为微机程序的控制和凿岩自动化的实现提供了便利；g ．液压凿岩设备 的爆破噪声低于气动凿岩设备，在排气过程中不存在爆破噪声和排气油雾，具有较好 的能见度，台车上装有防震、隔音、环保的驾驶室，很大程度上改善了作业人员的操 ， 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 作条件【孓6 】。液压凿岩台车所具备的优点，促使了国内外的制造商竞相去引进新技术、 购买新材料，来提高产品的质量、产品的可靠性以及产品的技术水平，以达到所需的 性能要求，满足井下不同岩石的凿岩要求。目前，全世界有二十多个国家和几十家制 造商致力于液压凿岩机的研制开发，而且大多都自成体系，且每年的产量已经从二十 世纪八十年代中期的约一万台增长到目前的两万多台。液压凿岩台车的应用，不仅能 有效的提高凿岩钻孔的机械化水平，还能改善台车的自动化作业，实现高效、快速、 优质的凿岩过程。台车的成功研制及推广应用，是矿山凿岩工程设备发展史上的一次 重大突破。当前，液压凿岩台车正朝着智能化、大型化、高速化、环保化以及高精度 化的方向努力【3 蚓。 1 国外液压凿岩台车的研究【7 以5 】 1 9 7 0 年出现的液压凿岩机，孕育了液压凿岩台车的诞生，特别是在法国M o n t a b e r t 公司的H 5 0 型液压凿岩机与其相配套的凿岩台车的问世以来，引发了其他多个国家的 关注。继而出现了瑞典的A t l a sC o p c o 公司、美国的I n g e r s o l l R a n d 公司、芬兰的T a m r o c k 公司等二十多个国家，竞相开始开发研制，成功开发了一百多种液压凿岩台车，并以 年产量2 万多台的速度，得到大量投人及生产使用。这些产品规格齐全，适用广，且 更新换代及时。其中，最具代表的当属于瑞典A t l a sC o p c o 公司的液压凿岩台车 见 图1 ．1 和芬兰的T a m r o c k 公司。1 9 7 3 年，第一代C o p l 0 3 8 H D 型液压凿岩机问世， 相继又推出C o p l 2 3 8 M E 1 9 8 3 年 、C o p l 4 4 0 和C o p l 5 5 0 1 9 8 6 年 ，其效率比第一 代产品提高了一倍。9 0 年代推出的C o p c 0 1 8 3 8 和C o p c 0 4 0 5 0 新型液压凿岩机，其分 别达到冲击功率为1 8 k w 和4 0 k w 。进入2 1 世纪以来，又推出了冲击功率为2 2 k W 的 C o p l 8 3 8 H F ，冲击功率3 0 k W 的C o p 3 0 3 8 ，冲击功率1 l k W 的C o p l l 3 2 。T a m r o c k 公 司开发的液压凿岩机，经历了3 个系列 2 0 世纪8 0 年代初 ，到7 个系列 1 9 9 9 年 ， 到如今的1 0 个系列，品种齐全，可满足各种类型凿岩台车的配套要求。 随着电子技术和液压控制技术的发展，井下的凿岩工作正逐步朝着智能化的方向 实现。而智能化的凿岩台车通常也称之为凿岩机器人。1 9 8 2 年，日本东洋公司成功研 制出A D 系列的双钻臂和四钻臂的凿岩机器人。同时期，法国M o n t a b e r t 公司也相继 研制出了6 种系列的R o b o r e 凿岩机器人。紧接其后，瑞典A t l a sC o p c o 公司则又推出 了R o b o tB o o m e r 系列凿岩机器人 1 9 8 5 年 、W 4 6 9 型凿岩机器人 1 9 9 5 年 、R o c k e t B o o m e rM Z C 和L Z C 等系列的凿岩机器人 1 9 9 8 年 ，且均由D C S l 8 0 0 分布式总线 C A N 局域网的系统控制，能完成自主引导、高效防卡钎、监测设备和诊断故障等功 能，测量精度高。最近A t l a sC o p c o 公司又开发出L 3 系列凿岩机器人，装配有C o p c 0 1 8 3 8 型凿岩机，采用计算机控制，由用户自由选择配置钻臂，可提高所获得钻具的经济性。 1 9 8 7 年，芬兰的T a m r o c k 公司研制出了D a t a m a t i c 系列凿岩机器人和T a m r o c k 5 0 1 0 型 凿岩机器人，可实现离线布置炮孔、确定凿岩顺序等功能。 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 图1 - 1 A t l a s C o p c o 凿岩台车 2 国内液压凿岩台车的研究1 1 6 - 1 9 】 我国在液压凿岩技术上的研究起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代初期。1 9 8 0 年， 由长沙矿冶院、株洲东方工具厂以及其他单位的协作，研制出国内第一台装配有 Y Y G 8 0 液压凿岩机的C G J 2 Y 型全液压钻车上，成功投入生产使用。其以湘东的钨矿 为实地，进行了现场工业试验，顺利通过了部级的技术鉴定，由此揭开了我国液压凿 岩机发展的序幕。之后相继有中南大学、北京科技大学、中国矿业大学、长沙矿冶院、 煤炭科学院建井研究所、马鞍山矿山研究院、天水风动工具厂、沈阳风动工具厂、宣 化风动工具厂和衢州凿岩机厂等十多个单位，分别从A l a t a sC o p C o 公司、E i m c o S e c o m a 公司引进先进的液压凿岩机和其凿岩钻车的制造技术，进行液压凿岩机及其 配套台车的研制【5 】o 我国2 0 世纪8 0 ．9 0 年代，先后有十二种机型鉴定成功，分别包括 D Z Y G 3 8 B 仿C o p l 2 3 8 M E 、C Y Y 2 0 仿法国R P H 2 0 0 、Y Y G J l 4 5 仿C o p l 0 3 8 H 、 T Y Y G 2 0 、Y Y G 8 0 、Y Y G 3 0 、Y Y T 3 0 、Y Y G 8 0 A 、G G T 7 0 、Y Y G 2 5 0 A 、Y Y G 9 0 、Y Y G 9 0 A 。 其中，有5 种设备的冲击能低于1 5 0 J ，7 种设备的冲击能在1 5 0 “ - - 2 5 0 J 区间内。这十 二种产品中，只有Y Y G J l 4 5 、Y Y G 2 5 0 A 、D Z Y G 3 8 B 和T Y Y G 2 0 型液压凿岩机可钻 孔深于5 0 m m 的钻孔径，甚至高达1 2 0m m ，但是大部分的钻孔径分布在4 0 , - ～5 0 m m 区间内。同时，得到批量生产的仅有Y Y T 3 0 、Y Y G 8 0 和Y Y G 9 0 A 。这些产品除了3 种仿制，其余均是国内自主研制的1 3 J 。 在1 9 8 8 年，广东有色冶金机械厂生产出C G J 2 5 ．2 Y 型全液压钻车，其配备了两 台相同型号的液压凿岩机一一Y Y G 9 0 ，中南大学则参与了整个设计过程。为了尽快进 入市场，广东有色冶金机械厂在汝城钨矿对该钻车进行了全面的、专业的掘进机械化 作业试验。其中，铲插式装岩机和搭接式梭车也一同进行了试验。该钻车也由此连续 创造两项佳绩一是在2 1 4 m 2 1 6 m 断面上的月掘进2 5 0 m ，越过l r n ／s h i f t 的工效平 稳较佳成绩；二是在1 9 9 1 年的单台、单班掘进5 1 4 “ - - - - 6 0 0 m 的突出成绩，这在当时的 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 绪论 桓仁铜锌矿还是少有的【6 】。 相比于C G J 2 5 ．2 Y 型全液压钻车，莲花山有色冶金机械厂则更注重与国外技术相 融合，为了突破多项技术瓶颈，其引进了法国当时有名的公司E i m c 0 2 S e c o m a 的技术， 随后生产出我们现在熟知的H Y D 2 0 0 和H Y D 3 0 0 液压凿岩机。这两个型号的液压凿岩 机与法国水星系列液压钻车都是相配套的，其国产化率达到9 5 ％，主要部件的冲击活 塞寿命达到了2 0 0 0 0 m 以上，且各项指标均达到了国外同类机