復雜地質條件煤礦巷道龍門式鉆錨機器人研究

梁 林，馬宏偉，趙 昊

(西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

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

國內許多研究人員針對鉆錨設備進行了研究。郝雪弟等提出了機器人化掘支錨聯合機組及工藝，建立了機組中折疊式鉆床的數學模型[2]。馬宏偉等提出了全新的鉆錨機器人，建立了鉆錨單元、布網單元的數學模型[3-4]。馬有財提出的左右2臺錨桿鉆車，開創了分布式鉆錨設備的先河[5]。楊嬌艷提出一種單軌吊式的支錨作業平臺，并對其基礎機理進行利研究[6]。鐘自成、李旺年等人對鉆機多變幅機構動態衰減特性進行了分析總結[7]。上述研究對鉆錨設備發展提供了新的思路和理論依據，但對復雜地質的鉆錨設備存在的問題，依然不能應對，因此，基于以上現狀，研究一種能與傳統掘進機或掘進機器人并行作業，能全斷面支護，適用于復雜地質的鉆錨機器人具有重要意義。

1 龍門式鉆錨機器人總體設計

分析復雜地質條件下的掘進鉆錨需求，提出了一種集鉆錨于一體的龍門式鉆錨機器人，如圖1所示。該機器人由龍門框架結構、兩個頂板鉆機、兩個側幫鉆機、雙履帶行走機構、四個液壓千斤頂、操作平臺、電液控單元及傳感檢測系統等部分組成。具有自主行走、精確定位、遠程控制等功能；兩個頂板鉆機與兩個側幫鉆機排距可調，能夠適應不同排距錨桿鉆錨要求。該鉆錨機器人能夠與傳統懸臂式掘進機或懸臂式掘進機器人組成掘錨系統，通過機器與機器、人與機器協同作業，完成掘錨作業，發揮各自最大優勢，提高掘進和支護效率。

圖1 龍門鉆錨機器人示意圖

1.1 典型結構設計

1.1.1 龍門框架設計

龍門框架結構采用模塊化設計，橫梁和立柱可根據不同巷道尺寸可調節其長度，通過螺栓連接，方便拆裝、運輸；4個立柱下有4個支撐千斤頂，以確保鉆錨作業時的穩定性；頂部設計了彈簧架，以適應頂板起伏；前部臨時支護網架設計0.8m、0.9m、1.0m間距不同的安裝孔，以適應不同錨桿排距的要求。

圖2 龍門框架

1.1.2 鉆機與滑軌設計

側幫鉆機和頂鉆鉆機選用同一型號，2個側幫鉆機及其滑軌如圖3所示，2個頂板鉆機及其滑軌如圖4所示。四臺鉆機均具有沿滑軌移動、繞水平和垂直方向小角度旋轉等功能，以適應不同角度鉆錨作業的需求。

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圖3 側幫鉆機及其滑軌

圖4 頂板鉆及其滑軌

1.2 工藝流程設計

龍門鉆錨機器人可與傳統掘進機或智能掘進機器人組成最簡掘錨系統，其系統工藝流程如圖5所示。工作時分為2個工位，工位1位于掘進機前，與掘進機交替作業，工位2位于掘進機后1個截距出，不影響掘進機工作。該鉆錨工藝依據鉆錨任務優化鉆時，最大限度提高掘錨效率。

圖5 工藝流程圖

2 結構仿真分析

結構的可靠性是機器人能否正常工作的基本條件，也是一項設計的基本要求。鉆錨機器人在工作中的受力只有兩種可能達到材料最大屈服強度。按以下2種工況進行分析，結合渭北礦區的地質條件和井下環境，將模型適當簡化后進行強度分析。

工況1 在打鉆時4個鉆機同時按最大進給力進給，經軌道反作用于龍門框架，最大進給力為35kN，鉆機受到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，在側幫軌道安裝面2側各施加35kN水平向內的力，履帶安裝孔軸向約束。

在靜力學分析中材料的選取是非常重要的，而龍門框架又是機器人的主要構件，如果在支護作業過程中因強度和剛度不夠，而發生斷裂失效或變形量大的塑形變形，將嚴重威脅作業人員的人身安全，影響支護速度和效率。因此需要對龍門框架整體進行靜力學分析，驗證設計的結構是否滿足工作需求。龍門框架的主體材料選擇Q345鋼，Q345鋼的綜合力學性能良好，塑性和焊接性良好[8]。將三維模型進行合理簡化后，轉換為x-t格式導入Workbench軟件中，在Static Sructural模塊里的Engineering Data設置材料屬性見表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果如圖6、圖7所示，其中圖6是應力分布圖，圖7是形變圖。

圖6 主體綜合應力云圖

圖7 主體綜合變形圖

根據龍門框架的應力分析云圖結果來看，機器人工作中最大的應力值出現在左側柱上，最大應力值為105.2MPa，最大變形量出現在前梁右邊角，形變量達4.24mm。

工況2履帶原地轉向操作時，龍門框架會受到較大扭矩，可能面臨失穩，進行相關計算如下，履帶原地轉向阻力距分布圖如圖8所示[9]。

圖8 履帶原地轉向阻力距分布

這里假設機器人重心與雙履帶接地形心相重合，機器人重心不發生偏移，采用式(1)計算最大扭矩，其中轉向阻力系數μ的計算如式(2)，其中μmax的取值根據履帶與各種土壤之間的回轉阻力系數(見表2)，此處選褐煤泥質土對應的0.58，計算過程如下[10]：

表2 履帶與各種土壤之間的回轉阻力系數

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

計算回轉阻力系數的經驗公式為[11]：

式中，μmax為回轉阻力系數平均最大值；A為與土壤力學性質有關的無因次經驗系數，其中平均值為a=0.85；R為行走履帶的轉彎半徑，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阻力系數μ為0.626，算得最大扭矩為57000N·m。

根據計算的最大轉向阻力距加載在龍門框架左前和右后底部，俯視方向為逆時針，約束底部履帶安裝面的X/Y/Z三個方向，得到履帶轉向的應力分析結果如圖9、圖10所示，其中圖9是主體轉向應力云圖，圖10是主體扭轉變形。

圖9 主體轉向應力云圖

圖10 主體轉向變形

從圖9主體轉向應力云圖和圖10主體轉向變形圖來看，最大應力值為55.153MPa，最大變形量出現在前梁下變角，形變量達3.59mm，最大應力和最大變形，均小于工況1的情況，遠遠小于材料許用應力。

根據Q345鋼材的許用應力(見表3)，結合鉆錨機器人的受力情況，選許用應力為160MPa。

表3 Q345鋼材的許用應力(N/mm2)

優化后的最大變形出現在前沿軌道連接處，但遠不會發生斷裂和明顯的塑形變形，考慮到只有極端情況，才會出現這種現象，且平時不影響打鉆精度，故可以接受，最大應力在Q345的160MPa許用應力范圍內并且富余量合適。

3 模態分析

龍門框架作為機器人的主體機構，并搭載4臺鉆機的復雜機構，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，為了避免發生共振，本文對龍門框架進行了模態分析，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 固有頻率和對應振動幅度

根據所選鉆機的額定鉆速為320r/min得出其工作頻率為5.3Hz，2倍頻為10.6Hz與框架在自由模態下一階的固有頻率相差較大[13]，遠小于機器人的一階固有頻路13.131Hz，在鉆機工作時，與整體框架發生諧振的可能性較小，無需再進行優化，且振幅較小，誤差在允許范圍內，基本不影響打鉆精度，說明結構設計基本合理。

4 結 論

1)龍門鉆錨機器人結構可以承受局部范圍冒頂的壓力，可以保證履帶轉向時結構穩定，整體結構可靠。

2)龍門鉆錨機器人不易發生共振，振動特性穩定，可以穩定工作。

3)龍門鉆錨機器人在結構和振動特性上基本可靠，可以適應一般的工作要求。