一种锚杆安装设备设计仿真及试验_周远航.pdf

一种锚杆安装设备设计仿真及试验 周远航 1 刘瑞庆 1 李大伟 1 葛宜元 2 （1. 中铁隧道集团有限公司专用设备中心， 河南 洛阳 471009； 2. 佳木斯大学机械工程学院， 黑龙江 佳木斯 154007） 摘要为了解决凿岩机推进锚杆安装效率低、 成本高和人工安装锚杆危险性大、 效率低、 安装效果差， 达不到相 应的锚护作用的缺点， 采用ANSYS仿真软件对锚杆安装设备进行静力学仿真分析和模态分析， 得到锚杆安装设备的 最大应变为0.046 9 mm， 共振频率为35.656 Hz， 根据仿真结果进行锚杆安装设备结构优化改进， 设计一种锚杆安装设 备， 具有推进和冲击2种作业模式， 能适应多种锚杆安装工况， 安装效率高、 锚护效果好， 安装速度为39.2 mm/s， 单循环 节约工时约1.5 h， 经济优势突出。 关键词隧道锚杆安装设备ANSYS 中图分类号U455.3文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-142-05 DOI10.19614/ki.jsks.201904027 Design Simulation and Test of an Anchor Installation Equipment Zhou Yuanhang1Liu Ruiqing1Li Dawei1Ge Yiyuan22 （1. Tunneling-dedicated Equipment Center， China Railway Tunnel Group Co.， Ltd.， Luoyang 471009， China； 2. College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi 154007， China） AbstractIn order to overcome the shortcomings of low installation efficiency，high cost of drilling，and high danger， low efficiency and poor installation effect of artificial installation of bolt in rock drill，resulting in being failure to reach the corresponding anchorage and protection function，the static simulation analysis and modal analysis of bolt installation equip- ment are carried out by using ANSYS simulation software. The maximum strain of bolt installation equipment is 0.046 9 mm， and the resonance frequency is 35.656 Hz. According to the simulation results， the structure of the anchor installation equip- ment is optimized and improved. A kind of anchor installation equipment which has two operation modes of propulsion and im- pact is designed. It can adapt to various anchor installation conditions with high installation efficiency and good protection per- ance. This equipment can improve the installation speed at 39.2 mm/s， and saves about 1.5 hours at one cycle， with out- standing economic advantage. KeywordsTunnel， Bolt， Installation equipment， ANSYS 收稿日期2019-02-22 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2016YFD0701704-02） ， 黑龙江省教育厅青年创新人才培养计划项目 （编号 UNPYSCT-2016094） ， 中铁 隧道集团科技创新计划重大专项 （编号 隧研合2015-25） 。 作者简介周远航 （1991） ， 男， 工程师， 硕士。通讯作者葛宜元 （1982） ， 女， 副教授， 博士。 近年来， 随着 “西部开发” 、 “中部崛起” 和 “一带 一路” 国家战略计划的实施， 我国中西部地区铁路建 设掀起高潮， 建设里程和覆盖范围激增， 中西部地区 山川连绵， 铁路修建桥隧比居高不下， 修建难度增 高。我国铁路隧道建设以钻爆法为主， 其具有成本 低、 速度快等优点， 为广大业主和施工单位采用 ［1］。 锚护作业是钻爆法隧道施工的关键工序之一， 并影 响了隧道的结构强度和使用寿命， 锚杆安装是锚护 作业的关键工序， 对锚护作业效果起决定性作用。 提高锚杆安装质量， 保证锚杆装入的深度， 保证锚杆 在安装过程中自身不受到人为破坏， 对提高锚护作 业质量至关重要。锚杆安装具有危险性高、 安装质 量易受到人工干扰等问题， 所以研制一种快速、 高效 的锚杆安装设备， 具有现实意义 ［2］。 目前锚杆安装作业的主要方法有凿岩机推进和 人工安装2种。国外主要采用的钻臂推进式的方法 安装锚杆， 首先采用凿岩机带动钎具垂直地在隧道 洞壁上钻出锚杆孔， 随后钎具机械手将钎杆取下， 锚 杆仓旋转相应角度， 锚杆机械手取下锚杆安装在凿 岩机上， 凿岩机将锚杆推进安装在锚杆孔内 ［3］， 其具 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 142 ChaoXing 有安装效果好、 安全性能高等优点， 但安装效率低、 所 需时间长 ［4］。近年来国外围绕自动化钻进、 钎杆快速 更换、 锚杆快速装配、 锚杆仓智能化配置等方面进行 了研究 ［5-6］。但由于其自动化程度高， 可靠性低， 对操 作人员技术要求高， 且成本过高 ［7］， 不适用于国内钻 爆法隧道施工。国内主要采用的是人工安装方法， 人 力辅助以锤子等工具， 将锚杆安装在锚杆孔内 ［8］。安 装过程中阻力大， 不易将其全部装进锚杆孔中， 难以 达到相应的锚护效果 ［2］。随着人工成本的快速增长， 人工安装具有成本高、 效率低、 危险性大等缺点 ［9］。 近年来针对人工安装的缺点， 国内对锚杆安装设备展 开了相关的研究， 研制出了液压管缝式锚杆安装机等 产品， 其工作原理均是采用液压驱动油缸往复运动， 推动卡头带动锚杆前进 ［10-11］， 相关设备在煤矿施工过 程中应用较好， 已基本实现自动化安装， 但在钻爆法 隧道施工中还处于试验阶段， 设备并未实现推广 ［12］。 为解决凿岩机推进锚杆安装作业模式效率低、 成本高和人工安装锚杆危险性高、 效率低、 安装质量 差的缺点， 设计了一种锚杆安装设备。采用ANSYS 仿真软件对锚杆安装设备关键部件进行静态分析和 模态分析， 得到锚杆安装设备关键部件的等效应力、 变形量、 固有频率和振型， 验证了锚杆安装设备的可 靠性。设备具有推进和冲击2种作业模式， 能适应多 种锚杆安装工况， 安装效率高、 锚护效果好， 操作简 单方便， 便于现场推广。 1总体结构与工作原理 随着中西部地区铁路建设速度的加快， 钻爆法 隧道项目逐步攀升， 立足于国内钻爆法隧道锚护作 业的状况， 设计一种人工便于操作的锚杆安装设 备。该设备主要由推进油缸、 主副推进导轨、 冲击 锤、 夹持器、 触碰开关、 连接卡具等组成， 能完成正常 孔和塌孔2种工况的锚杆安装作业。锚杆安装设备 结构如图1所示。该设备动力由台车液压系统和空 气系统提供， 锚杆的推进动力由夹持器提供， 冲击动 力由冲击锤提供。 正常孔工作时， 夹持器Ⅰ松开锚杆， 起导向作 用， 夹持器Ⅱ夹紧锚杆， 推进油缸Ⅰ伸出， 夹持器Ⅱ 在推进油缸Ⅰ的作用下， 向前输送锚杆， 当夹持器Ⅱ 触碰进程行程开关时， 电控系统启动， 夹持器Ⅰ夹紧 锚杆， 夹持器Ⅱ松开锚杆， 推进油缸Ⅰ收回； 当夹持 器Ⅱ触碰回程行程开关时， 电控系统动作， 夹持器Ⅰ 松开锚杆， 夹持器Ⅱ夹紧锚杆， 推进油缸Ⅰ再次伸 出； 如此往复， 直至锚杆安装完毕。 塌孔工作时， 2个夹持器均松开锚杆， 起导向作 用， 冲击锤通过连接卡具与锚杆相连， 冲击锤产生冲 击力， 击打锚杆向前运动， 后方依靠推进油缸Ⅱ提供 反作用力和位移补充； 当冲击锤触碰冲击行程开关 时， 系统停止工作， 人工松开连接卡具， 操作控制手 柄， 使冲击锤在推进油缸Ⅱ的作用下收回， 一个工作 循环结束。 2主要部件设计参数 由于隧道锚杆安装时在竖直方向上所需要的推 力最大， 包括锚杆自身重力和水泥砂浆对锚杆的阻 力。根据实际施工现场调研情况， 工地基本选用长度 3 500 mm、 直径24 mm的螺纹钢作为锚杆， 采用水泥 砂浆作为粘结剂， 实际测得水泥砂浆与螺纹钢之间的 摩擦系数为0.83， 水泥砂浆的密度为7 850 kg/m3， 结合 螺纹钢的密度， 计算竖直方向上安装锚杆所需要的 最大推力为 F 1 4 ρ1πd12gμ1∫0 3 500 ρ2glπd1dl，（1） 式中，ρ1为螺纹钢的密度， 7 850 kg/m2；d1为螺纹钢的 直径， 24 mm；μ1为水泥砂浆的摩擦系数， 0.83；ρ2为螺 纹钢的密度， 7 850 kg/m2； g为重力加速度， 9.8 N/kg； l 为锚杆长度， 3 500 mm。 代入参数可求得竖直方向上安装锚杆所需要的 最大推力为8 410.93 N。选取安全系数为2， 求得推 进油缸Ⅰ的最大工作压力为1 6821.86 N。参考 机 械设计手册 ， 选定液压系统的工作压力为10 MPa， 计算得到推进油缸Ⅰ的内径为 D1 4F1 πp1ηm ,（2） 式中，D1为推进液压缸内径， mm；F1为推进液压缸的 最大工作压力， 1 6821.86 N；p1为液压系统工作压力， 10 MPa；ηm为机械效率， 0.95。 计算得出推进油缸Ⅰ内径为43.35 mm， 参考 机 械设计手册 ， 设定推进油缸Ⅰ内径为50 mm。根据 液压系统的工作压力， 选取往复运动速比φ， 计算得 到推进油缸Ⅰ的活塞杆直径为 周远航等 一种锚杆安装设备设计仿真及试验2019年第4期 143 ChaoXing d1D1 φ-1 φ ,（3） 式中，d1为推进液压缸活塞杆直径， mm； φ为速比， 取 1.33。 计算得出推进油缸Ⅰ活塞杆直径为21.59 mm， 参考 机械设计手册 ， 设定推进油缸Ⅰ内径为 25 mm。根据推进油缸Ⅰ的内径与活塞杆的直径， 选择 推进油缸Ⅰ的行程为1 400 mm。 当发生塌孔时， 采用冲击锤安装锚杆， 实测冲击 锤最大冲击力为28 276.8 N， 选取安全系数为2， 求得 推进油缸Ⅱ的最大工作压力为56 553.6 N。参考 机 械设计手册 ， 选定液压系统的工作压力为20 MPa， 计算得到推进油缸Ⅱ的内径为 D2 4F2 πp2ηm ,（4） 式中，D2为推进液压缸内径， mm；F2为推进液压缸的 最大工作压力， 56 553.6 N；p2为液压系统工作压力， 20 MPa。 计算得出推进油缸Ⅱ内径为61.57 mm， 参考 机 械设计手册 ， 设定推进油缸Ⅱ内径为63 mm。根据 液压系统的工作压力， 选取往复运动速比φ， 计算得 到推进油缸Ⅱ的活塞杆直径为 d2D2 φ-1 φ ,（5） 式中，d2为推进液压缸活塞杆直径， mm。 计算得出推进油缸Ⅱ活塞杆直径为31.37 mm， 参考 机械设计手册 ， 设定推进油缸Ⅱ内径为 32 mm。根据推进油缸Ⅱ的内径与活塞杆的直径， 选择 推进油缸Ⅱ的行程为1 400 mm。 3关键部件有限元分析 将 solidworks 中建立的三维模型导入 ansys 软 件， 对关键部件进行有限元分析。在材料添加模块 中推进机构的活塞杆和油缸均选取45钢， 然后将三 维模型的单元格尺寸设置为5 mm， 并对其进行网格 划分 ［13］。根据推进机构的工作原理， 将油缸的一端 设置为固定约束， 分析关键部件活塞杆在最大受力 状态下的变形量和应力分布 ［14］。 3. 1 推进机构的静力学分析 推进机构主要由2个液压缸组成， 液压缸所承受 的压力为液压系统的液压油对缸内壁的最大压力， 根据推进机构的工作原理， 将推进液压缸筒的一端 固定， 对液压缸筒进行静力学分析， 得到液压油缸的 应力云图和变形云图， 如图2和图3所示。 由分析所得的应力云图可知主油缸的最大等效 应力为88.36 MPa， 发生在液压油缸的一端内表面。 由变形云图可知液压油缸的最大变形量为0.046 9 mm， 发生在主油缸的一端的外表面。 根据液压油缸所选材料45钢的抗拉强度为610 MPa， 结合液压油缸应力云图中的最大等效应力为 88.36 MPa， 参照 机械设计手册 选择安全系数n为 5， 对液压油缸的强度进行校核。 σmax88.36 MPa＜ σb 5 σp122 MPa,（6） 式中，σp为许用应力， MPa；σmax为液压油缸的最大等 效应力， MPa；σb为液压油缸材料的屈服极限， MPa。 由以上分析可知液压油缸满足结构强度设计要 求。 3. 2导轨的静力学分析 导轨主要用来承受推进机构、 抓取机构以及其 他零部件的重量， 根据关键部件参数设计， 采用集中 载荷和均布载荷对导轨施加力， 利用ansys软件进行 静力学分析， 得到导轨的应力云图和变形云图， 如图 4和图5所示。 由分析所得的应力云图可知导轨的最大等效应 金属矿山2019年第4期总第514期 144 ChaoXing 力为1.54 MPa， 发生在滑块与导轨接触面的外侧表 面。由变形云图可知导轨的最大变形量为0.027 9 mm， 发生在导轨与推进机构支撑架连接的一端。 根据导轨所选材料45钢的抗拉强度为610 MPa， 结合导轨应力云图中的最大等效应力为1.54 MPa， 参 照 机械设计手册 选择安全系数n为6， 对液压油缸 的强度进行校核。 σmax1.54 MPa＜ σb 6 σp101.67 MPa，（7） 式中，σp为许用应力， MPa；σmax为导轨的最大等效应 力， MPa；σb为导轨材料的屈服极限， MPa。 由以上分析可知导轨满足结构强度设计要求。 3. 3导轨的模态分析 导轨应具备合理的固有特性， 使锚杆安装机械 手的激振频率偏离导轨的固有频率， 避免共振产生， 因此对导轨进行模态分析。利用ansys软件对导轨进 行模态分析， 得到导轨前6阶固有频率和振型， 振型 云图如图6所示。 1阶振型是弯曲变形， 最大变形发生在导轨与推 进机构支撑架连接的导轨一端； 2阶振型是弯曲变 形， 最大变形发生在导轨与推进机构支撑架连接的 支撑架一端； 3阶振型也属于弯曲变形， 最大变形发 生在滑块与导轨连接的中间位置； 4阶振型是扭转变 形， 最大变形发生在导轨与推进机构支撑架连接位 置； 5阶振型是弯曲和扭转组合变形， 最大变形发生 在推进机构支撑架中间位置和支撑架与导轨的连接 位置； 6阶振型是弯曲变形， 最大变形发生在滑块与 连接的导轨上。从导轨的模态分析图中可看出导轨 发生1阶弯曲变形和1阶扭转变形的频率相差100 Hz以上， 避免弯曲和扭转频率互相耦合。由于隧道 锚杆安装设备的振动频率在25 Hz左右， 而锚杆安装 导轨的最小固有频率为35.656 Hz， 远高于锚杆安装 设备的振动频率， 不易引起共振。 4试验分析 隧道锚杆安装设备已在丽香铁路单洞单线铁路 隧道试用， 根据使用统计情况分析， 安装锚杆时的作 业速度为39.2 mm/s， 与国内外采用凿岩机推进锚杆 的安装方式作业效率基本相同， 因隧道锚护作业施 周远航等 一种锚杆安装设备设计仿真及试验2019年第4期 145 ChaoXing 工时， 凿岩机钻进和锚杆安装同步作业， 以每循环施 做锚杆90根计， 其每循环相对凿岩机推进安装节约 工时约1.5 h， 据现场试验数据显示， 锚杆安装设备每 循环相对人工安装节约工时约3.5 h， 根据项目测算， 单循环节约施工成本约6.5万元。 隧道锚杆安装设备样机成本为11.9万元， 批量 生产后售价应在12万元左右， 单独采购国外凿岩台 车自动换钎及安装锚杆机构价格在40～60万之间。 对比国外锚杆安装方式及成本， 本安装设备具有效 率高、 成本低、 操作简便的优点， 就每循环安装90根 锚杆计算， 2个循环即可收回成本， 经济效益突出， 且 在使用过程中， 未出现因设备质量问题而发生的故 障， 可靠性高。 5结论 （1） 根据凿岩机推进锚杆的作业方式， 设计了一 种锚杆安装设备， 其具有冲击和推进2种作业模式， 可以完成正常成孔和塌孔2种作业环境下的锚杆安 装， 通过ansys静力学和模态分析， 验证了锚杆安装设 备的可靠性。 （2） 通过样机试验证明， 锚杆安装设备的作业速 度为39.2 mm/s， 比国外采用凿岩机推进模式每循环 节约用时1.5 h， 比国内采用人工安装模式每循环节 约用时3.5 h， 单循环节约成本6.5万元， 且设备成本 为11.9万元， 具有效率高、 成本低、 操作简便的优点。 （3） 锚杆安装设备液压系统还存在功耗大的缺 点， 需要进一步进行系统完善， 设备外观设计比较粗 放， 在形成产品前还需要进行优化设计。 参 考 文 献 季鹏宇.CTM3-1型锚杆钻装车钻臂变幅油缸安装位置的优化设 计 ［J］ .矿山机械， 1987 （1） 13-17. Ji Pengyu. Optimal design of the installation position of the oil cyl- inder of CTM3-1 anchor drill arm ［J］ .Mining Machinery， 1987 （1） 13-17. 郭鑫.旋转冲击型液压锚杆钻机动力头的设计与研究 ［D］ .西 安西安建筑科技大学， 2014. Guo Xin. Design and Research on Impact and Rotating Hydraulic Roofbolter ［D］ . Xi′anXi′an University of Architecture and Tech- nology， 2014. 杨世忠.转架式锚杆钻装车的工作原理与分析 ［J］ .矿山机械， 1987 （1） 29-31. Yang Shizhong. Working principle and analysis of the rotary type anchor drilling and loading truck ［J］ . Mining Machinery， 1987 （1） 29-31. Shahab Ramhormozian，George Charles Clifton，Gregory A，et al. Stiffness-based approach for Belleville springs use in friction slid- ing structural connections［J］ . Journal of Constructional Steel Re- search， 2017， 138340-356. Brendon A Bradley， Rajesh P Dhakal， Gregory A， et al. Prediction of spatially distributed seismic demands in specific structures Structural response to loss estimation ［J］ . Earthquake Engineering Structural Dynamics. 2009， 39 （6） 591-613. Brendon A Bradley， Rajesh P Dhakal， Gregory A， et al. Prediction of spatially distributed seismic demands in specific structures Ground motion and structural response［J］ . Earthquake Engineer- ing Structural Dynamics. 2009， 39 （5） 501-520. Trevor Z Yeow， Gregory A MacRae， Rajesh P Dhakal. Wall build- ing stiffness and strength effect on content sliding in Wellington seismic conditions［J］ . Earthquake Engineering Structural Dy- namics. 2017， 46 （6） 1023-1042. 刘小勇， 李荣丽， 姜生元， 等.管内异物抓取机械手机构参数优化 设计 ［J］ .机械设计， 2010， 27 （9） 29-31. Liu Xiaoyong， Li Rongli， Jiang Shengyuan， et al. Optimization de- sign of mechanism parameters for a nubbs object grasping manipu- lator in pipe ［J］ . Journal of Machine Design， 2010， 27 （9） 29-31. 陈燕， 邹湘军， 徐东风， 等.荔枝采摘机械手机构设计及运动学 仿真 ［J］ .机械设计， 2010， 27 （5） 31-34. Chen Yan，Zou Xiangjun，Xu Dongfeng，et al. Mechanism design and kinematics simulation of litchi picking manipulator ［J］ . Journal of Machine Design， 2010， 27 （5） 31-34. 李军.液压缝管式锚杆安装机 ［J］ . 矿冶， 2005 （4） 22-25. Li Jun. Hydraulic split-set bolt-fixing machine ［J］ . Mining Metal- lurgy， 2005 （4） 22-25. 李文川.巷道锚杆锚索支护的基本原理、 施工方法及优势 ［J］ .机 电工程技术， 2017 （10） 150-152. Li Wenchuan. The basic principle， construction and advan- tages of bolt and cable supporting in roadway［J］ . M E Engineer- ing Technology， 2017 （10） 150-152. 李军.我国地下矿山锚杆安装设备的发展现状 ［J］ . 有色金属， 2008 （3） 121-123. Li Jun. Development situation of bolt install ing equipments for un- derground mines in China［J］ .Nonferrous Metals，2008（3） 121- 123. 王津.自行式高空作业车作业臂有限元分析与优化设计 ［D］ . 西安 长安大学， 2009. Wang Jin. Finite Element Analysis and Optimal Design for Work- ing Arm of Self- Propelled Aerial Working Plat［D］ . Xi′ an Chang′an University， 2009. 陈馈， 苏翠侠， 王燕群.盾构刀盘的有限元参数化建模及其分 析 ［J］ .隧道建设， 2011， 31 （1） 37-41. Chen Kui，Su Cuixia，Wang Yanqun. Finite element parameter model of and analysis on cutter head of shield machine ［J］ . Tunnel Construction， 2011， 31 （1） 37-41. （责任编辑石海林） ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ 金属矿山2019年第4期总第514期 146 ChaoXing