复杂地质条件煤矿巷道龙门式钻锚机器人研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202111034 收稿日期 2020-12-15 基金项目 国家自然科学基金面上项目51975468; 国家自然科学基金重点项目51834006; 陕西省科技计划项目青年 基金项目2018JQ5116 作者简介 梁 林1995, 男, 陕西西安人, 硕士, 主要从事快速掘进方法与工艺、 矿山智能机器人等方向研究工作, E-mail 14792014004 163. com。 引用格式 梁 林, 马宏伟, 赵 昊. 复杂地质条件煤矿巷道龙门式钻锚机器人研究 [J]. 煤炭工程, 2021, 5311 181-185. 复杂地质条件煤矿巷道龙门式钻锚机器人研究 梁 林, 马宏伟, 赵 昊 西安科技大学 机械工程学院, 陕西 西安 710054 摘 要 针对煤矿巷道掘进工作面地质条件复杂、 空间受限、 掘锚装备自动化程度低、 掘进效 率低等问题, 提出一种全新的履带式龙门钻锚机器人, 并对其进行可靠性分析, 通过 SolidWorks 对 其进行三维建模, 利用 ANSYS 对关键零部件进行有限元分析计算; 深入研究龙门式钻锚机器人的振 动特性, 获得前 6 阶固有频率, 并对其振型进行了分析。 结果表明 龙门钻锚机器人整体结构设计 合理, 刚度和强度符合要求, 具有较强的稳定性和可靠性。 关键词 龙门式钻锚机器人; 有限元分析; 结构优化; 振动特性 中图分类号 TD421. 4 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202111-0181-05 Gantry type drilling-bolting robot for coal mine roadway under complex geological conditions LIANG Lin, MA Hong-wei, ZHAO Hao College of Mechanical Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China Abstract Aiming at the complex geological conditions, limited space, low automation degree of heading and bolting equipment and low heading efficiency in coal mine roadway heading face, a new crawler gantry type drilling-bolting robot is proposed, and its reliability is analyzed. The 3D model is built by SolidWorks, and the key parts are analyzed and calculated by ANSYS; the vibration characteristics of the robot are studied, and the first six natural frequencies are obtained, and the vibration modes are analyzed. The results show that the overall structure design of the gantry type drilling-bolting robot is reasonable, the stiffness and strength meet the requirements, and it has strong stability and reliability. Keywords gantry type drilling-bolting robot ; finite element analysis; structural optimization; vibration characteristics 长期以来, 我国煤炭生产中存在采掘比例严重 失衡问题, 尤其是在复杂地质条件下采快掘慢的问 题更为严重, 给煤炭的安全、 高效生产带来了极大 影响。 近年来, 国家高度重视煤矿安全、 高效、 智 能开采, 推进掘进工作面的智能化迫在眉睫。 在当前煤矿生产实践中, 地质条件较好的煤矿, 井下锚杆支护多采用液压钻车, 侧帮锚杆施工多采 用手持式单体钻机或气动式支腿锚杆钻机, 在片帮 严重、 冒顶频繁、 瓦斯高、 地面起伏大及浮煤等地 质条件较差的情况时, 只能采用单体钻机人工锚护, 而这种锚护方式存在以下弊端 钻进过程中人工抱 钻, 成孔效果差, 可能难以达到设计的孔径, 影响 锚固效果; 较高或较低位置的侧帮钻孔施工困难, 难以保证钻孔的角度, 影响锚固质量, 机械化程度 低, 工人的劳动强度大[1]。 近年来部分地质条件较 好的煤矿采用了一种掘锚联合机组或一体式掘锚机 能快速提高机械化水平, 但其造价昂贵, 且不能全 断面支护。 这类掘锚设备的钻锚平台下的侧帮锚杆 和截割头正上方锚杆均只能人工补打, 且只能与掘 进机交替作业, 效率反而变低, 还存在自重过大, 容易抛锚, 工人暴露在未支护断面下工作等问题, 适应情况过于局限。 181 第53卷第11期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 53, No. 11 万方数据 滑轨 钻机 ■ ● ●● 液压马达 滑块 国内许多研究人员针对钻锚设备进行了研究。 郝雪弟等提出了机器人化掘支锚联合机组及工艺, 建立了机组中折叠式钻床的数学模型[2]。 马宏伟等 提出了全新的钻锚机器人, 建立了钻锚单元、 布网 单元的数学模型[3-4]。 马有财提出的左右 2 台锚杆钻 车, 开创了分布式钻锚设备的先河[5]。 杨娇艳提出 一种单轨吊式的支锚作业平台, 并对其基础机理进 行利研究[6]。 钟自成、 李旺年等人对钻机多变幅机 构动态衰减特性进行了分析总结[7]。 上述研究对钻 锚设备发展提供了新的思路和理论依据, 但对复杂 地质的钻锚设备存在的问题, 依然不能应对, 因此, 基于以上现状, 研究一种能与传统掘进机或掘进机 器人并行作业, 能全断面支护, 适用于复杂地质的 钻锚机器人具有重要意义。 1 龙门式钻锚机器人总体设计 分析复杂地质条件下的掘进钻锚需求, 提出了 一种集钻锚于一体的龙门式钻锚机器人, 如图 1 所 示。 该机器人由龙门框架结构、 两个顶板钻机、 两 个侧帮钻机、 双履带行走机构、 四个液压千斤顶、 操作平台、 电液控单元及传感检测系统等部分组成。 具有自主行走、 精确定位、 远程控制等功能; 两个 顶板钻机与两个侧帮钻机排距可调, 能够适应不同 排距锚杆钻锚要求。 该钻锚机器人能够与传统悬臂 式掘进机或悬臂式掘进机器人组成掘锚系统, 通过 机器与机器、 人与机器协同作业, 完成掘锚作业, 发挥各自最大优势, 提高掘进和支护效率。 图 1 龙门钻锚机器人示意图 1. 1 典型结构设计 1. 1. 1 龙门框架设计 龙门框架结构采用模块化设计, 横梁和立柱可 根据不同巷道尺寸可调节其长度, 通过螺栓连接, 方便拆装、 运输; 4 个立柱下有 4 个支撑千斤顶, 以确保钻锚作业时的稳定性; 顶部设计了弹簧架, 以适应顶板起伏; 前部临时支护网架设计 0. 8m、 0. 9m、 1. 0m 间距不同的安装孔, 以适应不同锚杆排 距的要求。 图 2 龙门框架 1. 1. 2 钻机与滑轨设计 侧帮钻机和顶钻钻机选用同一型号, 2 个侧帮 钻机及其滑轨如图 3 所示, 2 个顶板钻机及其滑轨 如图 4 所示。 四台钻机均具有沿滑轨移动、 绕水平 和垂直方向小角度旋转等功能, 以适应不同角度钻 锚作业的需求。 图 3 侧帮钻机及其滑轨 图 4 顶板钻及其滑轨 1. 2 工艺流程设计 龙门钻锚机器人可与传统掘进机或智能掘进机 器人组成最简掘锚系统, 其系统工艺流程如图 5 所 示。 工作时分为 2 个工位, 工位 1 位于掘进机前, 与掘进机交替作业, 工位 2 位于掘进机后 1 个截距 出, 不影响掘进机工作。 该钻锚工艺依据钻锚任务 281 装备技术 煤 炭 工 程 2021 年第 11 期 万方数据 应力／M P a 1 0 5 ．2M a x 1 q 9 3 ．5 1 5 i { 7 0 ．1 3 6 t { 4 6 ．7 5 7 i 1 2 3 ．3 7 9 1 1 1 4 1 6 0 5 9M i n 优化钻时, 最大限度提高掘锚效率。 图 5 工艺流程图 2 结构仿真分析 结构的可靠性是机器人能否正常工作的基本条 件, 也是一项设计的基本要求。 钻锚机器人在工作 中的受力只有两种可能达到材料最大屈服强度。 按 以下 2 种工况进行分析, 结合渭北矿区的地质条件 和井下环境, 将模型适当简化后进行强度分析。 工况 1 在打钻时 4 个钻机同时按最大进给力进 给, 经轨道反作用于龙门框架, 最大进给力为 35kN, 钻机受到 1650N 重力, 在龙门框架的前沿梁 轨道安装位置施加 36. 65kN 垂直向下的力, 在侧帮 轨道安装面 2 侧各施加 35kN 水平向内的力, 履带安 装孔轴向约束。 在静力学分析中材料的选取是非常重要的, 而 龙门框架又是机器人的主要构件, 如果在支护作业 过程中因强度和刚度不够, 而发生断裂失效或变形 量大的塑形变形, 将严重威胁作业人员的人身安全, 影响支护速度和效率。 因此需要对龙门框架整体进 行静力学分析, 验证设计的结构是否满足工作需求。 龙门框架的主体材料选择 Q345 钢, Q345 钢的综合 力学性能良好, 塑性和焊接性良好[8]。 将三维模型 进行合理简化后, 转换为 x-t 格式导入 Workbench 软件中, 在 Static Sructural 模块里的 Engineering Data 设置材料属性见表 1。 表 1 龙门框架主体材料属性 零部件材质 密度/ kgm -3 弹性模 量/ GPa 泊松比 龙门框架Q34578502060. 2 打钻时框架最大压力仿真分析结果如图 6、 图 7 所示, 其中图 6 是应力分布图, 图 7 是形变图。 图 6 主体综合应力云图 图 7 主体综合变形图 根据龙门框架的应力分析云图结果来看, 机器 人工作中最大的应力值出现在左侧柱上, 最大应力 值为 105. 2MPa, 最大变形量出现在前梁右边角, 形 变量达 4. 24mm。 工况 2 履带原地转向操作时, 龙门框架会受到 较大扭矩, 可能面临失稳, 进行相关计算如下, 履 带原地转向阻力距分布图如图 8 所示[9]。 图 8 履带原地转向阻力距分布 这里假设机器人重心与双履带接地形心相重合, 机器人重心不发生偏移, 采用式1计算最大扭矩, 其中转向阻力系数 μ 的计算如式2, 其中 μmax的 381 2021 年第 11 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 4 9 ．0 2 5 3 6 ．7 6 9 2 4 ．5 1 3 1 2 ．2 5 6 0 ．0 0 0 3 6 7 5 8M i n 取值根据履带与各种土壤之间的回转阻力系数见表 2, 此处选褐煤泥质土对应的 0. 58, 计算过程 如下[10] Mμ μGL 4 1 式中, Mμ为阻力距; M 为回转阻力系数; G 为 设备总重力, 该设备总重约 28t; L 为履带接地长 度, m, L1. 3m。 表 2 履带与各种土壤之间的回转阻力系数 路面条件回转阻力系数 土壤种类 平均值 μc平均最大值 μcmax 干实砂土0. 620. 88 湿实砂土0. 270. 35 柔软砂土0. 530. 72 褐煤泥质土0. 560. 58 干粉砂粘土0. 800. 90 计算回转阻力系数的经验公式为[11] μ μmax a 1 - a R B 2 式中, μmax为回转阻力系数平均最大值; A 为与 土壤力学性质有关的无因次经验系数, 其中平均值 为 a0. 85; R 为行走履带的转弯半径, mm。 其中 R2m; B 为履带轨距, mm, 其中 B3. 95m。 按这种方法求得回转阻力系数 μ 为0. 626, 算得 最大扭矩为 57000Nm。 根据计算的最大转向阻力距加载在龙门框架左 前和右后底部, 俯视方向为逆时针, 约束底部履带 安装面的 X/ Y/ Z 三个方向, 得到履带转向的应力分 析结果如图 9、 图 10 所示, 其中图 9 是主体转向应 力云图, 图 10 是主体扭转变形。 图 9 主体转向应力云图 从图 9 主体转向应力云图和图 10 主体转向变形 图来看, 最大应力值为 55. 153MPa, 最大变形量出 现在前梁下变角, 形变量达 3. 59mm, 最大应力和最 大变形, 均小于工况 1 的情况, 远远小于材料许用 图 10 主体转向变形 应力。 根据 Q345 钢材的许用应力见表 3, 结合钻锚 机器人的受力情况, 选许用应力为 160MPa。 表 3 Q345 钢材的许用应力N/ mm2 应力种类第 1 组第 2 组第 3 组第 4 组 拉、 压、 弯 σ230220190180 剪 γ135130110105 局部承压 σcd345325295275 局部紧接承压 σcj170160145135 优化后的最大变形出现在前沿轨道连接处, 但 远不会发生断裂和明显的塑形变形, 考虑到只有极 端情况, 才会出现这种现象, 且平时不影响打钻精 度, 故可以接受, 最大应力在 Q345 的 160MPa 许用 应力范围内并且富余量合适。 3 模态分析 龙门框架作为机器人的主体机构, 并搭载 4 台 钻机的复杂机构, 不仅承受着钻杆的冲击载荷, 还 有各种外部载荷, 在工作中一直处于剧烈的振动中, 为了避免发生共振, 本文对龙门框架进行了模态分 析, 获取了其固有频率和振形, 如图 11 所示, 表 4 为固有频率和对应振动幅度, 分别为龙门框架的前 6 阶振幅和固定频率[12]。 图 11 各阶固有频率对比图 根据所选钻机的额定钻速为 320r/ min 得出其工 作频率为 5. 3Hz, 2 倍频为 10. 6Hz 与框架在自由模 态下一阶的固有频率相差较大[13], 远小于机器人的 481 装备技术 煤 炭 工 程 2021 年第 11 期 万方数据 一阶固有频路 13. 131Hz, 在钻机工作时, 与整体框 架发生谐振的可能性较小, 无需再进行优化, 且振 幅较小, 误差在允许范围内, 基本不影响打钻精度, 说明结构设计基本合理。 表 4 固有频率和对应振动幅度 阶次频率/ Hz振幅/ mm 113. 1310. 82747 217. 8171. 1041 326. 1280. 9333 427. 2680. 42729 529. 5150. 8067 631. 650. 88156 4 结 论 1 龙门钻锚机器人结构可以承受局部范围冒顶 的压力, 可以保证履带转向时结构稳定, 整体结构 可靠。 2 龙门钻锚机器人不易发生共振, 振动特性稳 定, 可以稳定工作。 3 龙门钻锚机器人在结构和振动特性上基本可 靠, 可以适应一般的工作要求。 参考文献 [ 1 ] 凡 东, 田宏亮, 王瑞泽, 等. 轻量化全液压坑道岩心钻机 研制 [J]. 煤炭科学技术, 2019, 4712 131-135. 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