梁 林，馬宏偉，趙 昊

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

在當(dāng)前煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，地質(zhì)條件較好的煤礦，井下錨桿支護(hù)多采用液壓鉆車，側(cè)幫錨桿施工多采用手持式單體鉆機(jī)或氣動式支腿錨桿鉆機(jī)，在片幫嚴(yán)重、冒頂頻繁、瓦斯高、地面起伏大及浮煤等地質(zhì)條件較差的情況時，只能采用單體鉆機(jī)人工錨護(hù)，而這種錨護(hù)方式存在以下弊端：鉆進(jìn)過程中人工抱鉆，成孔效果差，可能難以達(dá)到設(shè)計(jì)的孔徑，影響錨固效果；較高或較低位置的側(cè)幫鉆孔施工困難，難以保證鉆孔的角度，影響錨固質(zhì)量，機(jī)械化程度低，工人的勞動強(qiáng)度大[1]。近年來部分地質(zhì)條件較好的煤礦采用了一種掘錨聯(lián)合機(jī)組或一體式掘錨機(jī)能快速提高機(jī)械化水平，但其造價昂貴，且不能全斷面支護(hù)。這類掘錨設(shè)備的鉆錨平臺下的側(cè)幫錨桿和截割頭正上方錨桿均只能人工補(bǔ)打，且只能與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)，效率反而變低，還存在自重過大，容易拋錨，工人暴露在未支護(hù)斷面下工作等問題，適應(yīng)情況過于局限。

國內(nèi)許多研究人員針對鉆錨設(shè)備進(jìn)行了研究。郝雪弟等提出了機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組及工藝，建立了機(jī)組中折疊式鉆床的數(shù)學(xué)模型[2]。馬宏偉等提出了全新的鉆錨機(jī)器人，建立了鉆錨單元、布網(wǎng)單元的數(shù)學(xué)模型[3-4]。馬有財(cái)提出的左右2臺錨桿鉆車，開創(chuàng)了分布式鉆錨設(shè)備的先河[5]。楊嬌艷提出一種單軌吊式的支錨作業(yè)平臺，并對其基礎(chǔ)機(jī)理進(jìn)行利研究[6]。鐘自成、李旺年等人對鉆機(jī)多變幅機(jī)構(gòu)動態(tài)衰減特性進(jìn)行了分析總結(jié)[7]。上述研究對鉆錨設(shè)備發(fā)展提供了新的思路和理論依據(jù)，但對復(fù)雜地質(zhì)的鉆錨設(shè)備存在的問題，依然不能應(yīng)對，因此，基于以上現(xiàn)狀，研究一種能與傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)或掘進(jìn)機(jī)器人并行作業(yè)，能全斷面支護(hù)，適用于復(fù)雜地質(zhì)的鉆錨機(jī)器人具有重要意義。

1 龍門式鉆錨機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

分析復(fù)雜地質(zhì)條件下的掘進(jìn)鉆錨需求，提出了一種集鉆錨于一體的龍門式鉆錨機(jī)器人，如圖1所示。該機(jī)器人由龍門框架結(jié)構(gòu)、兩個頂板鉆機(jī)、兩個側(cè)幫鉆機(jī)、雙履帶行走機(jī)構(gòu)、四個液壓千斤頂、操作平臺、電液控單元及傳感檢測系統(tǒng)等部分組成。具有自主行走、精確定位、遠(yuǎn)程控制等功能；兩個頂板鉆機(jī)與兩個側(cè)幫鉆機(jī)排距可調(diào)，能夠適應(yīng)不同排距錨桿鉆錨要求。該鉆錨機(jī)器人能夠與傳統(tǒng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)或懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人組成掘錨系統(tǒng)，通過機(jī)器與機(jī)器、人與機(jī)器協(xié)同作業(yè)，完成掘錨作業(yè)，發(fā)揮各自最大優(yōu)勢，提高掘進(jìn)和支護(hù)效率。

圖1 龍門鉆錨機(jī)器人示意圖

1.1 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 龍門框架設(shè)計(jì)

龍門框架結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，橫梁和立柱可根據(jù)不同巷道尺寸可調(diào)節(jié)其長度，通過螺栓連接，方便拆裝、運(yùn)輸；4個立柱下有4個支撐千斤頂，以確保鉆錨作業(yè)時的穩(wěn)定性；頂部設(shè)計(jì)了彈簧架，以適應(yīng)頂板起伏；前部臨時支護(hù)網(wǎng)架設(shè)計(jì)0.8m、0.9m、1.0m間距不同的安裝孔，以適應(yīng)不同錨桿排距的要求。

圖2 龍門框架

1.1.2 鉆機(jī)與滑軌設(shè)計(jì)

側(cè)幫鉆機(jī)和頂鉆鉆機(jī)選用同一型號，2個側(cè)幫鉆機(jī)及其滑軌如圖3所示，2個頂板鉆機(jī)及其滑軌如圖4所示。四臺鉆機(jī)均具有沿滑軌移動、繞水平和垂直方向小角度旋轉(zhuǎn)等功能，以適應(yīng)不同角度鉆錨作業(yè)的需求。

目前，電視媒體與新媒體的融合方式最多的是電子版報(bào)紙、開設(shè)官方微信、運(yùn)用二維碼等。這些僅僅是將二者進(jìn)行了簡單的疊加，并沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的融合，沒有將媒介資源、生產(chǎn)要素進(jìn)行有機(jī)的整合。這種簡單、表面上的疊加并沒有發(fā)揮其真正的效用，沒有形成統(tǒng)一的體系機(jī)制。

圖3 側(cè)幫鉆機(jī)及其滑軌

圖4 頂板鉆及其滑軌

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

龍門鉆錨機(jī)器人可與傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)或智能掘進(jìn)機(jī)器人組成最簡掘錨系統(tǒng)，其系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。工作時分為2個工位，工位1位于掘進(jìn)機(jī)前，與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)，工位2位于掘進(jìn)機(jī)后1個截距出，不影響掘進(jìn)機(jī)工作。該鉆錨工藝依據(jù)鉆錨任務(wù)優(yōu)化鉆時，最大限度提高掘錨效率。

圖5 工藝流程圖

2 結(jié)構(gòu)仿真分析

結(jié)構(gòu)的可靠性是機(jī)器人能否正常工作的基本條件，也是一項(xiàng)設(shè)計(jì)的基本要求。鉆錨機(jī)器人在工作中的受力只有兩種可能達(dá)到材料最大屈服強(qiáng)度。按以下2種工況進(jìn)行分析，結(jié)合渭北礦區(qū)的地質(zhì)條件和井下環(huán)境，將模型適當(dāng)簡化后進(jìn)行強(qiáng)度分析。

工況1 在打鉆時4個鉆機(jī)同時按最大進(jìn)給力進(jìn)給，經(jīng)軌道反作用于龍門框架，最大進(jìn)給力為35kN，鉆機(jī)受到1650N重力，在龍門框架的前沿梁軌道安裝位置施加36.65kN垂直向下的力，在側(cè)幫軌道安裝面2側(cè)各施加35kN水平向內(nèi)的力，履帶安裝孔軸向約束。

在靜力學(xué)分析中材料的選取是非常重要的，而龍門框架又是機(jī)器人的主要構(gòu)件，如果在支護(hù)作業(yè)過程中因強(qiáng)度和剛度不夠，而發(fā)生斷裂失效或變形量大的塑形變形，將嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的人身安全，影響支護(hù)速度和效率。因此需要對龍門框架整體進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否滿足工作需求。龍門框架的主體材料選擇Q345鋼，Q345鋼的綜合力學(xué)性能良好，塑性和焊接性良好[8]。將三維模型進(jìn)行合理簡化后，轉(zhuǎn)換為x-t格式導(dǎo)入Workbench軟件中，在Static Sructural模塊里的Engineering Data設(shè)置材料屬性見表1。

表1 龍門框架主體材料屬性

打鉆時框架最大壓力仿真分析結(jié)果如圖6、圖7所示，其中圖6是應(yīng)力分布圖，圖7是形變圖。

圖6 主體綜合應(yīng)力云圖

圖7 主體綜合變形圖

根據(jù)龍門框架的應(yīng)力分析云圖結(jié)果來看，機(jī)器人工作中最大的應(yīng)力值出現(xiàn)在左側(cè)柱上，最大應(yīng)力值為105.2MPa，最大變形量出現(xiàn)在前梁右邊角，形變量達(dá)4.24mm。

工況2履帶原地轉(zhuǎn)向操作時，龍門框架會受到較大扭矩，可能面臨失穩(wěn)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算如下，履帶原地轉(zhuǎn)向阻力距分布圖如圖8所示[9]。

圖8 履帶原地轉(zhuǎn)向阻力距分布

這里假設(shè)機(jī)器人重心與雙履帶接地形心相重合，機(jī)器人重心不發(fā)生偏移，采用式(1)計(jì)算最大扭矩，其中轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μ的計(jì)算如式(2)，其中μmax的取值根據(jù)履帶與各種土壤之間的回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)(見表2)，此處選褐煤泥質(zhì)土對應(yīng)的0.58，計(jì)算過程如下[10]：

表2 履帶與各種土壤之間的回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)

式中，Mμ為阻力距；M為回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)；G為設(shè)備總重力，該設(shè)備總重約28t；L為履帶接地長度，m，L=1.3m。

計(jì)算回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為[11]：

式中，μmax為回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)平均最大值；A為與土壤力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的無因次經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其中平均值為a=0.85；R為行走履帶的轉(zhuǎn)彎半徑，mm。其中R=2m；B為履帶軌距，mm，其中B=3.95m。

按這種方法求得回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)μ為0.626，算得最大扭矩為57000N·m。

根據(jù)計(jì)算的最大轉(zhuǎn)向阻力距加載在龍門框架左前和右后底部，俯視方向?yàn)槟鏁r針，約束底部履帶安裝面的X/Y/Z三個方向，得到履帶轉(zhuǎn)向的應(yīng)力分析結(jié)果如圖9、圖10所示，其中圖9是主體轉(zhuǎn)向應(yīng)力云圖，圖10是主體扭轉(zhuǎn)變形。

圖9 主體轉(zhuǎn)向應(yīng)力云圖

圖10 主體轉(zhuǎn)向變形

從圖9主體轉(zhuǎn)向應(yīng)力云圖和圖10主體轉(zhuǎn)向變形圖來看，最大應(yīng)力值為55.153MPa，最大變形量出現(xiàn)在前梁下變角，形變量達(dá)3.59mm，最大應(yīng)力和最大變形，均小于工況1的情況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力。

根據(jù)Q345鋼材的許用應(yīng)力(見表3)，結(jié)合鉆錨機(jī)器人的受力情況，選許用應(yīng)力為160MPa。

表3 Q345鋼材的許用應(yīng)力(N/mm2)

優(yōu)化后的最大變形出現(xiàn)在前沿軌道連接處，但遠(yuǎn)不會發(fā)生斷裂和明顯的塑形變形，考慮到只有極端情況，才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，且平時不影響打鉆精度，故可以接受，最大應(yīng)力在Q345的160MPa許用應(yīng)力范圍內(nèi)并且富余量合適。

3 模態(tài)分析

龍門框架作為機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)，并搭載4臺鉆機(jī)的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，不僅承受著鉆桿的沖擊載荷，還有各種外部載荷，在工作中一直處于劇烈的振動中，為了避免發(fā)生共振，本文對龍門框架進(jìn)行了模態(tài)分析，獲取了其固有頻率和振形，如圖11所示，表4為固有頻率和對應(yīng)振動幅度，分別為龍門框架的前6階振幅和固定頻率[12]。

圖11 各階固有頻率對比圖

表4 固有頻率和對應(yīng)振動幅度

根據(jù)所選鉆機(jī)的額定鉆速為320r/min得出其工作頻率為5.3Hz，2倍頻為10.6Hz與框架在自由模態(tài)下一階的固有頻率相差較大[13]，遠(yuǎn)小于機(jī)器人的一階固有頻路13.131Hz，在鉆機(jī)工作時，與整體框架發(fā)生諧振的可能性較小，無需再進(jìn)行優(yōu)化，且振幅較小，誤差在允許范圍內(nèi)，基本不影響打鉆精度，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理。

4 結(jié) 論

1)龍門鉆錨機(jī)器人結(jié)構(gòu)可以承受局部范圍冒頂?shù)膲毫?，可以保證履帶轉(zhuǎn)向時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)可靠。

2)龍門鉆錨機(jī)器人不易發(fā)生共振，振動特性穩(wěn)定，可以穩(wěn)定工作。

3)龍門鉆錨機(jī)器人在結(jié)構(gòu)和振動特性上基本可靠，可以適應(yīng)一般的工作要求。