陶 勇，李成鋼

1重慶電子工程職業(yè)學(xué)院智慧健康學(xué)院 重慶 400039

2阜礦集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華海州露天煤礦有限公司 內(nèi)蒙古錫林郭勒 026200

阜 礦集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華海州露天煤礦有限公司井工礦目前使用的瓦斯抽采鉆機(jī)支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)存在自動(dòng)化程度低、體積龐大的突出問題，為適應(yīng)井工礦智能化改革需求，迫切需要研制新型高效的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，最大程度滿足鉆機(jī)全巷道施工。

1 現(xiàn)有鉆機(jī)支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

井工礦現(xiàn)有鉆機(jī)支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)大都采用框架式結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示，施工時(shí)需要手動(dòng)松開與鎖緊立柱旋轉(zhuǎn)組件兩端抱箍，利用斜撐液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)架實(shí)現(xiàn)鉆孔高度與傾角調(diào)節(jié)，底座兩側(cè)對稱布置 4 個(gè)腳板，用于單體液壓支柱錨固鉆機(jī)。該機(jī)構(gòu)具備錨固、升降、傾角調(diào)節(jié) 3 個(gè)重要功能，但人工操作繁瑣，自動(dòng)化程度低，調(diào)節(jié)范圍小。針對框架式機(jī)構(gòu)存在的問題，設(shè)計(jì)了新型的全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

圖1 鉆機(jī)支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.1 Drill rig supporting adjustment mechanism

2 全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于將主機(jī)固定安裝在履帶平臺(tái) (見圖 2)，具備鉆機(jī)施工錨固、開孔高度調(diào)節(jié)、開孔傾角和方位角調(diào)節(jié)的功能[1-3]。該機(jī)構(gòu)由上下錨固機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、立面回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖2 鉆機(jī)布局Fig.2 Layout of drill rig

圖3 全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of whole roadway supporting adjustment mechanism

(1) 水平升降 立面回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在升降液壓缸驅(qū)動(dòng)下沿提升機(jī)構(gòu)的導(dǎo)柱上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平開孔高度在1.1～ 1.8 m 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同時(shí)具有機(jī)械和液壓雙重鎖緊功能，保障安全性。

(2) 傾角調(diào)節(jié) 立面回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿回轉(zhuǎn)減速器驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)機(jī)架同步回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)主機(jī)傾角在0°～ ±90°調(diào)節(jié)。由于采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，具有自鎖功能，輸出轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)范圍大，自動(dòng)化程度高。

(3) 方位角調(diào)節(jié) 水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿回轉(zhuǎn)減速器帶動(dòng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)方位角 0°～ 360°調(diào)節(jié)，必要時(shí)輔以履帶底盤轉(zhuǎn)動(dòng)，可滿足鉆機(jī)進(jìn)行任意方位角的鉆孔施工。

(4) 鉆機(jī)錨固 通過上、下錨固液壓缸實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)錨固，具備液壓鎖緊功能，無需人工輔助。如出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，需要更大錨固力時(shí)，提升機(jī)構(gòu)的導(dǎo)柱上也可外加液壓缸，可有效保證鉆機(jī)錨固可靠，解決突發(fā)狀況。

3 全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)

整機(jī)液壓系統(tǒng)采用 ERR100 負(fù)載敏感泵，主多路閥采用 PVG120 負(fù)載敏感多路閥，構(gòu)成負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，自適應(yīng)負(fù)載的壓力和流量，液壓原理如圖 4 所示。由于執(zhí)行元件較多，為防止誤操作，將系統(tǒng)分為主油路和支撐調(diào)節(jié)油路 2 個(gè)系統(tǒng)，分別采用先導(dǎo)手柄控制，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)多路閥采用電液比例閥。負(fù)載敏感多路閥第 1 片接入主油路系統(tǒng)，第 2 片接入支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。先導(dǎo)手柄控制油液從負(fù)載敏感多路閥進(jìn)入手動(dòng)比例多路閥，推動(dòng)各換向手柄及手柄開合度，即可驅(qū)動(dòng)主機(jī)到所需位置及調(diào)節(jié)其速度。

圖4 液壓系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of hydraulic system

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由液壓缸和回轉(zhuǎn)器構(gòu)成的關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)，建立 D-H 坐標(biāo)系[4]，通過齊次坐標(biāo)變換矩陣的迭代可求出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。主機(jī)和支撐機(jī)構(gòu)簡化模型如圖 5 所示，機(jī)構(gòu)各連桿參數(shù)如表1 所列。

圖5 簡化模型Fig.5 Simplified model

表1 連桿參數(shù)Tab.1 Parameters of connecting rode

機(jī)構(gòu)末端 (鉆頭) 位姿矩陣：

式中：nx、ny、nz為法線矢量分量；ox、oy、oz為方向矢量分量；ax、ay、az為接近矢量分量；px、py、pz為位置矢量分量。

相鄰兩連桿間的變換矩陣一般表達(dá)式為：

將表 1 中各連桿參數(shù)值代入式 (2)，求得鉆頭初始位置相對于基坐標(biāo)系水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)變換矩陣，對比式 (1) 得到鉆頭相對于基參考坐標(biāo)系的 3 個(gè)坐標(biāo)分量：

即求出鉆機(jī)鉆孔時(shí)鉆頭相對基坐標(biāo)系的具體位置。

機(jī)構(gòu)工作空間S(ps) 是連續(xù)隨機(jī)變量 (pxi、pyi、pzi)構(gòu)成的空間集合，根據(jù)機(jī)構(gòu)及鉆機(jī)相關(guān)部件機(jī)構(gòu)參數(shù)，以及各關(guān)節(jié)變量的允許變化范圍，應(yīng)用 MATLAB圖解求得鉆頭有效工作空間三維視圖，如圖 6 所示。由圖 6 可知，鉆機(jī)在施工位置錨固后，機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，鉆頭位置相對水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)球面覆蓋，即 1 次錨固可實(shí)現(xiàn)迎頭和兩側(cè)巷道的全方位施工。

圖6 鉆頭有效工作空間三維視圖Fig.6 3D view of effective working space of drilling bit

5 全巷道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有限元分析

采用該機(jī)構(gòu)后鉆機(jī)載荷參數(shù)如表 2 所列。

表2 載荷參數(shù)Tab.2 Parameters of load

5.1 有限元模型

選取最危險(xiǎn)的極端工況 (主機(jī)在最高位、最大起拔力起拔鉆桿，同時(shí)動(dòng)力頭以最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)) 進(jìn)行計(jì)算分析。此時(shí)機(jī)構(gòu)承受外橫向載荷 (取 190 kN 起拔力產(chǎn)生的彎矩)、動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩 (取 3 200 N·m)、主機(jī)自重和彎矩、機(jī)構(gòu)自重和錨固力。

工作載荷經(jīng)主機(jī)傳遞至調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，為保證載荷施加的準(zhǔn)確性，在建立有限元模型時(shí)，將作為傳遞載荷路徑主機(jī)結(jié)構(gòu)添加至計(jì)算模型，由于 2 根錨固液壓缸僅起輔助支撐作用且距離很近，在模型上簡化為 1根。抱箍與支撐立柱、導(dǎo)向立柱之間以及升降液壓缸與上抱箍之間建立接觸對，生成接觸單元。

導(dǎo)柱材料采用 40Cr，其余結(jié)構(gòu)采用 Q235A。接觸區(qū)域采用高精度的 SOLID186 單元類型，采用掃略網(wǎng)格，以提高接觸區(qū)域的計(jì)算精度。非接觸區(qū)域的單元采用 SOLID185 單元類型的自由網(wǎng)格，以提高計(jì)算效率[5-6]。在安裝平臺(tái)的底面中心施加位移約束，起拔載荷和自重載荷以均布載荷的形式作用于主機(jī)動(dòng)力頭中心孔內(nèi)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩載荷以力偶的形式施加在動(dòng)力頭兩側(cè)。有限元模型如圖 7 所示。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

5.2 有限元分析結(jié)果

分析得出應(yīng)力云圖如圖 8 所示，最大應(yīng)力值為128 MPa，出現(xiàn)在水平工況時(shí)立柱底部，遠(yuǎn)小于 40Cr的屈服強(qiáng)度。根據(jù)應(yīng)力等高線圖，可以看出周邊區(qū)域的應(yīng)力水平約為 107 MPa，低于 Q235A 的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較大富余。位移云圖如圖 9 所示，最大位移為 0.63 mm，位于立柱頂部，滿足使用要求。分析校核結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能夠滿足使用要求。

圖8 應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contours

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement contours

6 結(jié)語

在分析總結(jié)框架式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上研制的全巷道支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔高度、傾角、方位角的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過求解該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及有限元分析，獲得了鉆頭的有效工作空間及機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。目前井工礦使用改造后的鉆機(jī)已完成鉆孔 30 個(gè)，孔深為 100～ 150 m，開孔高度為 1.1～ 1.8 m，傾角為-20°～ 75°，能適用該礦絕大多數(shù)煤礦巷道施工。