程 偉

（晉能控股煤業(yè)集團三元煤業(yè)股份有限公司， 山西 長治 046013）

引言

在煤礦開采過程中，巷道的掘進和支護是保證煤礦生產(chǎn)高效和安全的重要環(huán)節(jié)，當前隨著煤礦開采深度的逐年加深，掘錨一體機逐漸得到發(fā)展。傳統(tǒng)的掘進機僅僅是實現(xiàn)對巷道的快速掘進，每次掘進完成后需要退出巷道到側(cè)巷，隨后由錨桿鉆機進行鉆孔和支護，支護完成后再次由掘進機進行掘進，掘進一段距離后，再次由錨桿鉆機進行鉆孔和支護，采用這樣的開掘和支護方式導致支護效率不高，煤礦巷道開鑿速度比較慢，在進行支護的過程中非常容易引起事故[1]。為此，隨著煤礦開采智能化技術的發(fā)展，掘錨一體機成為當前煤礦掘進的主要方式。

目前，國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用的掘進機主要是EBM20 掘進機，在掘進機的頂部和側(cè)幫都布置有多臺錨桿鉆機，可以實現(xiàn)同步運動，同時完成對巷道頂部和側(cè)幫的錨固，錨桿鉆機是掘進機上的關鍵設備，也是巷道支護技術最重要的設備，直接決定了巷道的支護強度[2]。但是，由于錨桿鉆機屬于外部附加在掘進機本體上的結(jié)構(gòu)，受到煤礦井下復雜且惡劣的環(huán)境影響，當掘進機的振動頻率與錨桿鉆機一致時，將會引起結(jié)構(gòu)的共振，從而導致結(jié)構(gòu)的破壞。為此，對錨桿鉆機動力學特性進行分析具有重要的研究意義。本文通過利用三維建模軟件搭建錨桿鉆機三維模型，并導入ANSYS 有限元仿真分析軟件中進行動力學數(shù)值模擬分析和研究，最終得出動力學仿真分析結(jié)果。

1 機載錨桿鉆機整體參數(shù)化建模

通過前期對某煤礦采用的掘進機進行調(diào)研和分析，本次研究對象為機載錨桿鉆機，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的手持式氣動錨桿鉆機有所不同，首先錨桿鉆機是安裝在掘進機上，屬于掘進機的一部分，可以自由拆卸。在鉆進過程中需要對鉆孔附近的圍巖進行臨時加固和支護，所以設計了支撐頂板，并且設計了液壓系統(tǒng)出油和進油通道，采用計算機輔助設計建模軟件Solid-Works 2019 建立錨桿鉆機各個零部件的三維模型圖，隨后進行總體裝配，可以得到如圖1 所示的錨桿鉆機總裝圖。

圖1 錨桿鉆機總體三維模型圖

機載錨桿鉆機，主要由主機架、滑動架、鏈條機構(gòu)、鉆箱組件、二級伸縮液壓油缸、支撐頂板等部件組成，在實際鉆孔過程中，支撐頂板安裝在錨桿鉆機的頂部，牢牢頂住頂部巖層，對孔附近的圍巖進行臨時加固，同時也對釬桿起到導向的作用，由操作工人控制頂升液壓缸的運動保證頂板到達圍巖[3]。

鉆箱在油缸的作用下在滑移架上推進鉆桿向上移動，同時鉆機頭帶動鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，鉆桿恒扭矩高速旋轉(zhuǎn)切削破巖。采用二級伸縮油缸，鉆機頭在一級液壓油缸的推動下沿著滑動架上移，二級推進是靠液壓缸與滑動架配合來完成，實現(xiàn)深度鉆進，當鉆箱觸碰到頂板的碰撞閥限位塊時，意味著一次鉆進作業(yè)完成，立即實現(xiàn)換向，鉆箱及滑動架同時返回到初始位置，完成復位。支撐頂板處可以裝配夾具油缸，便于從巖層中撤出彎曲變形的錨桿[4]。在錨桿鉆機頂升過程中，錨桿鉆機將會有很大一部分脫離掘進機，在實際運動過程中非常容易受到周圍環(huán)境的振動導致滑動架的過渡變形和損壞，為此需要對錨桿鉆機滑動架進行動力學特性分析，有利于避免結(jié)構(gòu)共振，延長錨桿鉆機的使用壽命。

2 機械動力學理論分析與模型簡化

機械系統(tǒng)的動力學包括對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析、有限元分析和模態(tài)分析等。由于本文的研究對象機載錨桿鉆機，在實際鉆孔過程中，液壓站驅(qū)動液壓馬達快速旋轉(zhuǎn)，同時滑動架剛度較低，非常容易引起系統(tǒng)的振動和沖擊。模態(tài)分析是指以振動理論為基礎，以模態(tài)參數(shù)為目標的分析方法。通過模態(tài)分析方法，能夠得知結(jié)構(gòu)受影響的頻率范圍，各階模態(tài)的特性，就能夠預測結(jié)構(gòu)在某一個頻率范圍內(nèi)受到外部和內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應。模態(tài)是指當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遵循某一階固有頻率振動時，結(jié)構(gòu)點會按照一定的函數(shù)關系響應位移。

模態(tài)疊加法主要是采用機械動力學知識，需要首先建立機械動力學分析模型，將原始的結(jié)構(gòu)與機械設備進行力學簡化，簡化為分析模型，將具有彈性變形的構(gòu)件簡化為彈簧，將具有重量的構(gòu)件簡化為質(zhì)量，將具有摩擦阻尼的構(gòu)件簡化為阻尼[5]。

具體分析過程為：一個自由度為n 的系統(tǒng)，強迫振動方程為：

式（1）為多自由度動力學耦合方程，其中，[m][c][k]依次為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{f}為激勵力向量，x、分別為系統(tǒng)的位移向量、速度向量和加速度向量。

根據(jù)機載錨桿鉆機在實際工作中的運動情況，受力情況，可以對結(jié)構(gòu)進行簡化，建立多個以各種方式相互連接的離散的質(zhì)量元件、彈簧元件和阻尼元件組成的離散的動力學特性分析模型，鉆架與鉆箱組件的振動簡化模型圖如圖2 所示，為單自由度的振動系統(tǒng)。

滑動架的質(zhì)量對于錨桿鉆機的振動影響很小，在簡化模型時將自重省略，由于滑架的受力情況是彎扭組合變形，在實際振動過程中會發(fā)生虛彈性變形，在簡化時需要加入彈簧元件，從而保證簡化分析模型與實際模型非常接近。針對圖2 根據(jù)牛頓第二定律建立動力學方程，求解動力學方程就可以解出鉆箱的頻率和鉆機的固有頻率，通過兩者之間的比值，可以判斷兩者頻率的接近程度，也就是頻率重合率，比值越接近1，越容易引起結(jié)構(gòu)共振，造成結(jié)構(gòu)損壞。

圖2 結(jié)構(gòu)動力學模型簡化示意圖

3 機載錨桿鉆機動力學特性分析

將在SolidWorks 中建立好的模型導入到ANSYS中進行模態(tài)分析，經(jīng)過前處理、中間處理和后處理對機載錨桿鉆機進行動力學特性分析，可以得到如圖3所示的滑動架網(wǎng)格劃分圖和模態(tài)分析云圖。

圖3 滑動架網(wǎng)格劃分

為了研究結(jié)構(gòu)在受力情況下的形變規(guī)律，劃分網(wǎng)格之后進行載荷施加，根據(jù)滑動架與機架頂板在實際工作過程中的受力，對鉆箱在導軌上運動過程進行動態(tài)仿真。支撐頂板主要承受巷道巖層的面載荷均布力，鉆架主要受到鉆桿的推力和鉆箱的扭矩。模態(tài)分析是常用的一種分析結(jié)構(gòu)振動特性分析方法，主要用于研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，也可以用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。在前期對錨桿鉆機滑動架進行有限元靜力學分析的基礎上，對滑動架組件進行模態(tài)分析，固有頻率和模態(tài)振型是關鍵分析參數(shù)。通過數(shù)值模擬分析，可以得到鉆箱組件位置對滑動架變形的影響曲線，如圖4 所示。

圖4 變形量與擬合曲線

圖4 中橫坐標表示鉆箱組件在滑動架上的位置，即鉆箱組件與掘進機連接位置的距離。通過對滑動架進行動力學分析，可以得到：滑動架基頻為36.505 Hz，此時的變形量為2.269 9 mm，最大變形量發(fā)生在滑動架頂端，滑動架的基頻遠大于鉆桿的振動頻率。錨桿鉆機在正常工作時，整機的振動激勵來自于鉆箱，根據(jù)掘錨機機載錨桿鉆機鉆箱額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，根據(jù)計算公式ω=2π/T=2πf 可以計算出錨桿鉆機鉆箱的固有頻率為10 Hz，滑動架的固有振動頻率大于鉆箱組件的振動頻率，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振。

4 結(jié)論

本文通過對掘進機機載錨桿鉆機的結(jié)構(gòu)動力學特性進行研究，利用SolidWorks 建立了三維模型，隨后將模型進行初步簡化，隨后導入到ANSYS workbench 協(xié)同仿真實驗平臺中進行動力學求解仿真，通過仿真分析得到滑動座在不同位置處滑動架的振動頻率，利用結(jié)構(gòu)的振動頻率可以分析滑動架的振動噪聲以及可以得出是否會與周圍的環(huán)境產(chǎn)生共振，分析結(jié)果表明，設計的機載錨桿鉆機的振動頻率遠遠小于周圍環(huán)境的振動頻率，不會與周圍環(huán)境發(fā)生共振，同時為了更好地保護結(jié)構(gòu)連接件和錨桿鉆機，錨桿鉆機的轉(zhuǎn)動速度最好在額定轉(zhuǎn)速下工作，有利于延長使用壽命。