双臂窄体履带式钻锚机设计及动态特性研究.pdf

分类号 U D C 学校代码 璺墨墨塑 密级 博士学位论文 双臂窄体履带式钻锚机设计及 动态特性研究 S t u d yo fD e s i g na n dD y n a m i c s C h a r a c t e r i s t i co fT w i n - b o o m a n dN a r r o wC r a w | e rR o o fB o l t c r 导 研究方向羞王钍塑遨备 煤炭科学研究总院 2 0 12 年4 月 煤炭科学研究总院学位论文独创性声明和使用授权声明 姓名堂勉拯入学时间2 Q Q 2 生窆月毕业时间2 Q 1 2 生鱼旦 培养单位 盖章 酉塞班窒医 论文题目巫壁窒签厘堂式丛笪扭羞毽趱丕区动奎挂性婴塞 密级 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中标明。 轳蹦擀臊蚌膈扭⋯⋯执参神唯 论文作者 签名 Z 乒帅下队 2 0 ，2 年占月，2 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 导 定 论文⋯㈣弘壤 o7 珲矗月IZ 日 煤炭科学研究总院博士学位论文 摘要 锚杆支护是煤矿巷道经济、有效的支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主 要发展方向。论文针对煤矿巷道掘进过程中支护效率低下问题，研发了能与掘进机配 套作业的双臂窄体履带式钻锚机 以下简称“钻锚机” 。结合钻锚机数字化研发过程， 运用理论分析、静动态仿真分析以及试验分析的研究方法，不仅成功的解决了钻锚机 关键技术设计及整机系统动态特性的关键问题，完成了该产品的优化设计，而且丰富 和发展了煤矿钻锚设备的设计理论，对钻锚设备的现代化数字设计具有重要的理论和 实际指导意义。 论文在集成优化设计方法的基础上，通过对钻锚机机械结构、液压系统以及电气 系统的总体研究，重点根据钻锚机实际作业的特点，对工作装置末端执行器的运动轨 迹及钻锚机关键部件的强度进行了深入分析，实现了钻锚机整机的创新性设计与集 成。随后，在建立钻具一煤岩非线性动力学模型及确定煤岩弹塑脆性本构模型的基础 上，通过钻进过程的仿真研究，得出了锚杆钻头在旋转钻进过程中孔底煤岩应力变化， 钻孔能量变化以及钻头动态响应特征，实现了与钻进工作对象的集成建模。钻进仿真 结果为动力学特性研究中载荷参数的确定奠定了基础。 钻锚机的动态特性研究包括结构动力学研究与多体动力学研究。 在结构动力学研究中，采用L a p l a c e 小波相关滤波法与经验模式分解 E M D 相 结合的方法，对钻锚机钻臂的模态参数进行了有效提取。利用试验模态分析的主模态 参数在低频段较为可靠的特性，应用寻优方法对钻臂有限元模型进行修正，提高了有 限元建模的精度。在此基础上，对钻锚机钻臂进行有限元动态仿真及谐响应分析，确 定了钻臂的模态参数，深入分析了钻锚机钻臂的结构动力学特性，并提出钻臂的改进 方案，修正了钻臂的薄弱环节。 在多体动力学研究中，论文建立了钻锚机钻进执行机构的运动学及动力学模型， 对钻锚机工作装置进行了多体动力学仿真研究，深入分析了拖板作为柔性件的刚柔耦 合动力学特性，并在此基础上联合液压控制系统进行了钻进工况的机液耦合仿真。实 现了拖板结构的优化，全面考察了钻锚机工作装置在外部激励载荷作用下的机械结构 及液压系统动态特性。 论文最后针对钻锚机的整体性能、液压特性以及实际工作可靠性等展开试验研 煤炭科学研究总院博士学位论文 究。试验分为室内试验与现场工业性试验两部分，包括应用煤矿坑道钻机性能检测试 验台对钻锚机进行了全面的测试，并存陕西黄陵二号煤矿进行了现场工业性试验。试 验结果验证了钻锚机样机的性能，检验了动态特性研究的成果，也为下一步的改进提 供了可靠的试验数据。 关键词钻锚机；集成设计；钻进仿真结构动力学；多体动力学 I I 煤炭科学研究总院博上学位论文 A b s t r a c t B o l ts u p p o r ti so n eo fe c o n o m i ca n de f f e c t i v es u p p o r t i n gm e t h o di nc o a lm i n e s ． D e v e l o p m e n ti nb o l ts u p p o r ti sc o n s i d e r e da sam o s ti m p o r t a n ti s s u ei nc o a lm i n er o a d w a y t e c h n o l o g y ．U n d e rd o m e s t i cu n d e r g r o u n ds u p p o r t i n gc o n d i t i o n s ，t h et w i n - b o o ma n dn a r r o w c r a w l e rr o o fb o l t e rw a sa d o p t e d ．K e yd y n a m i c si s s u e so ft h er o o fb o l t e rs y s t e mw e r ef u r t h e r s t u d i e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fi n i t i a ld e s i g na n dt e s t ．B a s e do nt h ed e v e l o p e dd r i l l i n g e q u i p m e n td e s i g nt h e o r y ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h er o o fb o l t e r s y s t e m i n t h r e e d i m e n s i o n a l 3 D m o d e lw e r es t u d i e d ，w h i c hi si m p o r t a n tf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o n o f3 Dd i g i t a ld r i l l i n ge q u i p m e n t ． B a s e do nt h ed e s i g no p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h ea n a l y s i so fe n d - e f f e c t o rt r a j e c t o r yo f w o r k i n gd e v i c ea n ds t r e n g t ho fh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i c a ls y s t e mw e r ea n a l y z e db y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ．A c c o r d i n gt o t h en o n l i n e a rd y n a m i cm o d e la n dt h e e l a s t i c ．p l a s t i c b r i t t l ec o n s t i t u t i v em o d e l ，t h ed r i l ls t r i n gs y s t e ma n db i t sd y n a m i cr e s p o n s e w e r es i m u l a t e du n d e rv a r i o u ss t r e s sa n dd r i l l i n ge n e r g yc o n d i t i o n ．W i t ht h ed r i l l i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s ，o p t i m i z e dp a r a m e t e r si nt h ew o r kl o a da n dr e l a t e de x t e r n a li n c e n t i v e so f d y n a m i cp a r a m e t e r sc a n b ec h o s e nf o rr o o fb o l t e rw o r k i n gd e v i c e ． T h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f r o o fb o l t e rc o n t a i n st h ef o l l o w i n gt w op a r t s s t r u c t u r a l d y n a m i c sa n dm u l t i b o d yd y n a m i c s ． B a s e do nah i g hp r e c i s i o nm o d e lp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，L a p l a c ew a v e l e t c o r r e l a t i o nf i l t e r i n gm e t h o da n de m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n E M D w e r eu s e dt oa c q u i r e m o d a lp a r a m e t e r so fd r i l l i n gb o o m ．B e c a u s eo fh i g h e rr e l i a b i l i t ya tl o w 行e q u e n c y ，t h e a c c u r a c yo ff i n i t ee l e m e n tm o d e li si m p r o v e db yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ．T h ed r i l l i n gb o o m o ft h ec r a w l e rt y p er o o fb o l t e rh a sb e e n 督R r t h e ra n a l y z e dd u r i n gt h ed y n a m i cd r i l l i n g p r o c e s s ，i nw h i c ht h eb e t w e e nt h et o o l sa n dc o a lr o c kc r e a t e sf o r c ea n dv i b r a t i o n ．R e s u l t s c o n f i r mt h a tt h ed r i l l i n gb o o mi saw e a kl i n kw i t hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ． I nm u l t i ．b o d yd y n a m i c sr e s e a r c h ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e lo fa c t u a t o ra n d d r i l l i n gm a c h i n ew o r ke q u i p m e n t w e r es t u d i e d ．B a s e do nt h er e s u l t s ，t h eh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mf o rt h ej o i n ti n t ot h em a c h i n ew o r k i n gl i q u i dc o u p l i n gi ss i m u l a t e df o ro p t i m i z i n g I l l 煤炭科学研究总院博士学位论文 d r i l l i n gs y s t e m ．T h ep r e c i s i o no ft h es i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h er o o fb o l t e ru n d e re x t e m a l i n c e n t i v el o a dw a sv e r i f i e dw i t h a n a l y s i s o ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs y s t e m T ov e r i f yt h es i m u l a t i o n so ft h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gr e l i a b i l i t y ， e x p e r i m e n t so fi n d o o rt e s ta n di n d u s t r i a lt e s tw e r ec a r r i e do u t ．I nt h ed o o rt e s t ，t h e p e r f o r m a n c eo fr o o fb o l t e r w a st e s t e dc o m p r e h e n s i v e l y ．I nt h ef i e l di n d u s t r i a lt e s t ，t h e p e r f o r m a n c eo fr o o fb o l t e rw a st e s t e da tH u a n g l i n gc o a l m i n ei nS h a a n x ip r o v i n c e ．T h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h es i m u l a t i o n so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o o f b o l t e rp r o t o t y p e ．F u r t h e ri m p r o v e m e n t sf o rt h er o o fb o l t e ra r ea l s os u g g e s t e d K e yw o r d s R o o fb o l t e r ；I n t e g r a t i o nd e s i g n ；D r i l l i n gs i m u l a t i o n ；S t r u c t u r a ld y n a m i c s ； M u l t i b o d yd y n a m i c s I V 煤炭科学研究总院博士学位论文 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 本文的背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 锚杆支护设备研究开发现状及趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 锚杆支护作用机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 锚杆支护设备开发研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．3 我国煤矿锚杆钻车发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 锚杆支护设备数字化研究现状与进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．3 ．1 虚拟样机数字化技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 ．2 锚杆支护设备数字化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 1 ．3 ．3 存在主要问题．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．4 主要研究内容．．．．．．．．⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．⋯⋯．．．1 5 2 钻锚机关键技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．1 引言．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯1 8 2 ．2 钻锚机整体结构设计⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯1 8 2 ．2 ．1 整体结构组成⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．2 ．2 工作装置设计．．⋯．．．⋯⋯．⋯．．．．⋯．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．，2 0 2 ．3 钻锚机工作装置运动位姿研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．3 ．1 影响煤巷锚杆支护系统刚度的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．2 钻锚机动力头工作位姿分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 液压系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．5 关键零部件结构强度仿真分析⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．3 5 2 ．5 ．1 有限元仿真分析概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 2 ．5 ．2 滑架强度分析⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．．．．．．3 6 2 。5 ．3 稳固装置强度分析⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．3 8 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯3 9 3 钻锚机钻进动态仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．1 引言．．．⋯⋯．．⋯．．⋯．．．．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯4 0 3 ．2 钻具一煤岩耦合非线性动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 I 煤炭科学研究总院博I 上 学位论文 3 ．3 煤岩体本构模型的建立⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．4 3 3 ．4 钻进仿真分析⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯⋯．．4 6 3 ．4 ．1 仿真模型的建立⋯⋯．⋯．⋯⋯，⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．．⋯4 6 3 ．4 ．2 仿真结果与分析⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．5 本章小结⋯．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯5 2 4 钻锚机结构动力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．1 引言⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．⋯．．⋯．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．5 4 4 ．2 结构动力学理论建模⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 高精度模态参数提取试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 4 ．3 ．1 提取方法研究⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．5 6 4 ．3 ．2 模态提取试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．4 有限元模型修正．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．5 模态分析．⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯6 5 4 ．5 ．I 有限元模态分析⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 4 ．5 ．2 动态响应分析⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．．6 8 4 ．6 本章小结⋯．．．．⋯⋯．．．⋯，⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．7 1 5 钻锚机多体动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 5 ．1 引言．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．7 3 5 ．2 多体动力学分析的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 ．1 多刚体动力学方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．2 ．2 钻锚机工作装置动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．3 仿真分析手段和工具简介．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．4 钻锚机工作装置动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．5 工作装置刚柔耦合仿真研究⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 5 ．5 ．1 子结构模态综合法⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 5 ．5 ．2 钻臂刚柔耦合仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 5 ．6 工作装置机液祸合仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 5 ．6 ．I 阀控液压系统分析⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 4 5 ．6 ．2 工作装置机液耦合仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 l I 煤炭科学研究总院博上学位论文 5 ．7 本章小结．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．1 0 0 6 钻锚机试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 6 ．1 引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．1 0 2 6 ．2 室内试验⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 6 ．2 ．1 煤矿坑道钻机性能检测试验台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 6 ．2 ．2 钻锚机性能测试⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 3 6 ．3 现场工业性试验⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．1 0 6 6 ．3 ．1 试验条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．1 0 6 6 ．3 ．2 钻锚机施工工艺⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．1 0 8 6 。3 ．3 现场试验情况⋯。。⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，．⋯⋯⋯⋯1 1 1 6 ．3 ．4 现场试验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．1 1 4 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 5 7 ．1 本文的主要结论⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 5 7 ．2 展望．⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯1 1 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 9 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 0 I I I 煤炭科学研究总院博士学位论文 1 绪论 1 ．1 本文的背景及研究意义 我国煤矿以井工开采为主，需要在井下开掘大量巷道，巷道中8 0 ％以上都是煤巷 和半煤岩巷，安全、快速、有效的巷道支护对煤矿实现安全高效生产具有极为重要的 意义。工程实践表明，锚杆支护是目前煤矿巷道经济、有效的支护方式，已成为矿井 巷道的主要支护形式。J 。尽管煤巷锚杆支护技术己在国内外得到普遍应用，成为煤 矿实现安全生产与高产高效必不可缺的配套技术，但随着煤矿开采强度、规模与产量 的大幅度提高，以及煤矿开采深度的不断增加，出现了许多前所未有的复杂困难巷道， 包括深部高地应力巷道、特大断面巷道、沿空掘巷与留巷、受强烈采动影响巷道及松 软破碎围岩巷道等，使得巷道围岩稳定性差、围岩变形和破坏强烈，巷道掘进与维护 十分困难，这对锚杆支护提出了更高、更苛刻的要求。另外，煤矿安全标准和采掘效 率的提高亦要求我国煤矿锚杆支护设备的安全性及机械化率更高。对锚杆施工装备开 展进一步的开发与研究是摆在煤炭科技人员面前的重要课题。 锚杆施工设备影响着锚杆支护的质量一锚杆孔的方位、深度、孔径的准确性以及 锚杆安装质量，又涉及操作者的人身安全、劳动强度与作业条件。从我国煤矿现有应 用机型来看，只能说是基本上满足煤矿巷道支护需要，还存在不少问题需进一步提高 与完善。如单体气动锚杆钻机能力偏小，安全性差并受井下风压等因素制约；单体液 压锚杆钻机重量较大、移动不便机载锚杆机存在与掘进机空间干涉，安全防护不够， 液压系统不匹配、效率低等问题；技术较成熟的现有锚杆钻车存在体积较大，适用范 围小等问题。目前我国的中小型钻车式锚杆钻机发展较慢，现有机型机械化和自动化 程度较低，工作可靠性差。随着我国煤矿安全标准和采掘效率的逐步提高，对煤矿锚 杆支护设备的安全性及机械化提出了更高的要求。因此，研制能够配合悬臂式掘进机 进行综采工作面顺槽支护施工且自动化程度较高的窄体多臂履带式锚杆钻车的需求 极为紧迫。 目前我国的煤矿井下施工设备，尤其是钻探设备的研发主要依赖于传统的经验设 计和物理样机测试，缺少必要的先进设计方法和测试手段的支持。特别是在产品方案 设计及性能分析方面，主要还是采用经验设计及物理样机试验、局部结构静态分析等 方法。设计结果有较多的局限性，不能有效地支持产品整机的设计与分析。本文所研 1 煤炭科学研究总院博士学位论文 究的双臂窄体履带式钻锚机 以下简称“钻锚机” 是由动力装置、车体底盘、传动 系统、液压系统、工作装置等多个子系统所组成的复杂系统，钻锚机整机性能则是工 作机构、钻具总成以及钻进工艺协调运作下的体现。对其关键技术以及主要部件的动 态特性研究，可使各零部件及其总成在整机匹配中达到性能指标最优。针对钻锚机数 字化研发的全过程，运用理论分析、静动态仿真分析以及试验分析的研究方法，可以 有效解决钻锚机设计过程中整机三维动力学行为和系统动态特性的关键问题，完成该 产品的优化设计，并丰富和发展煤矿钻锚设备的设计理论，对钻锚设备的现代化数字 设计具有重要的理论和实际指导意义。 总之，运用先进的设计分析手段对适合我国国情煤矿井下钻锚机的研究具有重要 的意义首先，我国煤矿巷道支护施工缺少一种配合悬臂式掘进机进行综采工作面顺 槽支护施工的结构紧凑、移动方便、安全高效的台车型锚杆钻机，对其进行研发可提 高锚杆施工装备的机械化率，促进我国煤矿锚杆支护技术的进一步发展。其次，本文 的研究可为井下钻锚设备的设计优化和性能评价提供可靠依据，以提高整机的稳定性 和可靠性。运用基于动态特性的数字化虚拟样机技术能够部分代替物理样机进行早期 产品性能测试和设计优化，从而有效提高产品的设计质量、缩短开发周期、降低开发 成本，全面提升钻锚机的研发质量，对煤矿井下机械装备的现代化数字设计应用具有 积极的推动作用。 1 ．2 锚杆支护设备研究开发现状及趋势 煤矿巷道应用锚杆支护技术的历史已超过半个世纪，经历了从低强度到高强度再 到高预应力、强力支护的发展过程。在锚杆支护作用机理的不断深化认识过程中，锚 杆支护设备也从当初功能单一、可靠性与安全性差发展至今天的功能齐全、性能优良 及具备较高的自动化水平。 1 ．2 ．1 锚杆支护作用机理研究 锚杆支护作用机理主要研究锚杆 锚索 与围岩之间的相互作用关系，为锚杆支 护设计提供理论基础。从支护理论上看，锚杆支护属于“主动”支护，可以充分利用 巷道围岩的自承能力，提高围岩的稳定性，将载荷体变为承载体。实践表明，在相同 地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。从技术经济上对 比，锚杆支护不仅可以节约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和 2 煤炭科学研究总院博士学位论文 改善作业环境，而且由于其施工简单且机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本， 提高掘进速度和生产效率，从而为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有 利条件。 近年来，随着锚杆支护技术的快速发展，锚杆支护理论的研究也有了较大进展。 美国、澳大利亚、英国等对锚杆支护技术进行了较为全面的研究，并取得了良好的支 护效果，其锚杆支护率达9 0 ％以上，显著提高了复杂条件顶板的稳定性，大大降低了 冒顶事故。其原因主要源于两个方面一是采用性能优越的锚杆施工机具，施工中确 保施工精度并在锚杆安装过程中能够实现高预紧力；二是通过新的锚杆施工工艺消除 水平地应力对巷道围岩变形与破坏的影响。 我国传统的锚杆支护理论有悬吊、组合梁、加固拱等理论，在生产实践中起到积 极作用，但都具有一定的局限性。当前我国关于煤矿井下锚杆 锚索 支护作用机理 主要研究成果为1 8 - ] z ] 1 锚杆 锚索 的本质机理是通过施加预紧力对围岩产生压紧、加固作用， 属于主动控制。其作用在于阻止围岩出现张开裂隙和裂纹、结构面出现离层与滑动， 最大限度地保持围岩的完整性，避免有害变形出现。表现在锚杆对围岩结构面扩容变 形的约束作用，以及保持围岩完整的维持作用。 2 高强度、高刚度锚杆组合支护系统得到广泛认可，不仅重视锚杆强度，而 且强调支护系统的刚度和整体效果，特别是锚杆预紧力和组合构件的重要性，使锚杆 支护真正实现主动、及时支护及一次支护。 3 锚杆支护系统的刚度十分重要，特别是锚杆预应力起着决定性作用。高预 应力锚杆可提高围岩的抗拉及抗剪能力，这同时要求锚杆自身具有较大的破断力及预 紧力。另外，锚杆预应力范围的扩大需要通过托板、钢带、金属网等护表构件来实现。 4 锚索支护技术是将一定长度的低松弛高强度的钢绞线配以专用锚具，利用 树脂或砂浆锚固，并通过锚索张拉器在其尾部施加预应力，完成锚固作业。与锚杆锚 固支护相比，锚索具有深度大，强度大的特点，比锚杆支护承载能力高。一般情况下， 锚索需要施加较大预应力，属于主动受力，多应用于已出现变形或对变形要求严格的 工程施工中。 其主要作用是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键承载层相连，提高次生 承载结构的稳定性，充分调动深部围岩的承载能力；并且通过锚索施加较大预紧力， 煤炭科学研究总院博士学位论文 挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之问的抗剪力，从而 提高围岩的整体强度． 1 ．2 ．2 锚杆支护设备开发研究现状 目前，煤矿井下锚杆支护设备按结构形式可分为单体式、钻车式、机载式三类。 本文研究的钻锚机属钻车式锚杆钻机，是专门用于煤矿井下和其他井巷工程中巷道顶 板和侧帮打锚杆孔及安装锚杆的自行式支护类设备。 1 国外锚杆钻车研究现状 钻车式锚杆钻机具有机械化程度高、扭矩大、功率大、钻进速度快的特点。国外 锚杆钻车研制始于上世纪7 0 年代，为适应大断面巷道锚杆支护快速施工，解决单体 锚杆钻机支护效率低的问题，美国、瑞典、澳大利亚等国家的装备公司陆续推出了功 能多、机械化程度高的钻车式锚杆钻装机。该类钻机既能钻锚杆孔又能安装锚杆，基 本实现了锚杆孔施工与锚杆安装的机械化。近年来，随着国外锚杆支护理论不断完善 与发展，以美国久益 J O Y 、弗莱彻 F L E T C H E R 、朗艾道 L O N G A I R D O x 、 澳大利亚约翰芬雷 J O H N F I N L A Y 、海卓莫替克 H Y D R AM A T I C 等为代表的煤 机设备公司陆续研发了新型锚杆钻车，自动化、智能化程度愈来愈高，安全性、可靠 性大大增强【1 3 ．18 1 。 图1 ．1 所示为美国久益 J O Y 公司的单臂R a m t r a k2 3 0 0 型锚杆台车，该装备具 有电磁比例控制、钻进实时监测等功能，并配有半自动钻进程序，结合人工插入树脂 药卷和锚杆。瑞典阿特拉斯 A T L A S 公司的B o l t e c 系列锚杆钻装台车如图1 ．2 所示， 配有遥控锚杆箱，可由驾驶室控制，根据要求可选用慢速、中速和快速凝固树脂的不 同胶结剂卷，适合各类锚杆的钻装。图1 ．3 为弗莱彻 F L E T C H E R 公司研制的矮机 身遥控锚杆钻车，其防爆性能好、安全可靠，温度、压力等自动保护项目齐全可靠， 并可实现4 个方面的自动控制功能自动钻进、自动回拖、自动固定地锚、行走时的 无级变速控制和转向控制。芬兰T a m r o c k 公司生产的钻车式锚杆钻装机是集钻孔、安 装和注入粘结剂为一体的综合设备，可以安装各类型锚杆，其控制安装远离工作地点， 可保证工人安全，实现遥控机械化锚杆支护作业。波兰K O M A G 采矿机械化研究中 心研制的履带式锚杆钻车，其特点是定位精确、功能完备，具有状态监测系统以提高 支护工作的可靠性。表1 ．1 列出了四个国外先进代表机型的主要技术参数。 煤炭科学研究总院博士学位论文 图1 ．1J O Y 公司单臂锚杆钻车图1 ．2A T L A S 公司矿山锚杆钻车 L 图i ．3F L E T C H E R 矮机身遥控锚杆钻车 表1 ．1 国外部分代表机型主要技术参数 公司J o YF L E T C H E RA T L A SH Y D R AM A T I C 型号 R a m t r a k2 3 0 0D D R ．W a l kt h r uB o l t e cL CA R O ．4 0 最大工作雎力／M P a 2 52 52 l3 3 最大给进力／k N 3 53 03 22 8 额定转速／r ／m i n5 0 05 6 03 0 06 0 0 重量／k g 2 0 ，0 0 02 7 ，0 0 02 6 ，0 0 02 7 ，0 0 0 外形尺寸 长宽 7 0 0 0 x 2 8 0 07 5 0 0 2 6 0 01 4 2 0 7 x 2 5 0 l 5 8 5 0 3 2 0 0 高 ／m m x 2 0 0 0 x 1 2 0 03 0 9 31 3 5 0 2 国外锚杆钻车在我国的应用现状 我国引进的国外锚杆钻车多用于煤矿短壁开采与多巷掘进中，如神东、万利等矿 区的较大巷道断面或多巷布置短壁机械化开采。上世纪9 0 年代起，神华集团引进了 多种具有自移能力的锚杆钻车，包括单臂、二臂和四臂等产品来配合连续采煤机掘进 作业，实现了采掘工作面生产集中化。神东公司哈拉沟煤矿引进的澳大利亚海卓莫替 克 H Y D R A M A T I C 公司A R O 一4 0 一R E L M B W T 型锚杆钻车，四个钻臂配有回转式 呤、一一 煤炭科学研究总院博士学位论文 干式吸尘钻机，单机功率2 0 k W ，操作简便，支护速度快，能够满足快速掘进的支护 要求。神东公司榆家梁煤矿引进的澳大利亚约翰芬雷 J O H N F I N L A Y 公司 4 Y 0 0 1 2 2 4 一W A 型低采高锚杆钻车，可实现顶板临时支护，装配有半自动钻进程序，1 个操作人员可以有效监视和控制2 个操作台，并具备瓦斯检测功能。陕西黄陵矿业集 团上世纪末引进美国朗艾道 L O N G ．A I R D O X 公司H D D R 型双臂锚杆钻车，打眼 及锚杆安装速度最快可达3 0 套／h ，最大给进力2 2k N ，转速6 5 0r ／m i n ，能够实现半 自动化控制。 美国、澳大利亚等国家研制的锚杆钻车在增加功率、提高生产能力的同时，提升 了设备功能内涵，取得了良好的支护效果。但国外煤矿开采深度小，地质条件简单， 与我I 雪煤矿巷道条件有较大区别，其先进的锚杆钻车基本无法适应我国煤矿复杂的巷 道条件。掘进过程中一般需要同时掘进多条巷道和大量的横贯来满足配套设备的换位