煤礦掘進機機載錨桿鉆機動力學特性分析

程 偉

（晉能控股煤業集團三元煤業股份有限公司， 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高效和安全的重要環節，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展。傳統的掘進機僅僅是實現對巷道的快速掘進，每次掘進完成后需要退出巷道到側巷，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展，掘錨一體機成為當前煤礦掘進的主要方式。

目前，國內大多數煤礦采用的掘進機主要是EBM20 掘進機，在掘進機的頂部和側幫都布置有多臺錨桿鉆機，可以實現同步運動，同時完成對巷道頂部和側幫的錨固，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構，受到煤礦井下復雜且惡劣的環境影響，當掘進機的振動頻率與錨桿鉆機一致時，將會引起結構的共振，從而導致結構的破壞。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值模擬分析和研究，最終得出動力學仿真分析結果。

1 機載錨桿鉆機整體參數化建模

通過前期對某煤礦采用的掘進機進行調研和分析，本次研究對象為機載錨桿鉆機，其結構與傳統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、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，鉆桿恒扭矩高速旋轉切削破巖。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完成，立即實現換向，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，有利于避免結構共振，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

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

模態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，將原始的結構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件簡化為彈簧，將具有重量的構件簡化為質量，將具有摩擦阻尼的構件簡化為阻尼[5]。

具體分析過程為：一個自由度為n 的系統，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]依次為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{f}為激勵力向量，x、分別為系統的位移向量、速度向量和加速度向量。

根據機載錨桿鉆機在實際工作中的運動情況，受力情況，可以對結構進行簡化，建立多個以各種方式相互連接的離散的質量元件、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。

滑動架的質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，越容易引起結構共振，造成結構損壞。

圖2 結構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中進行模態分析，經過前處理、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所示的滑動架網格劃分圖和模態分析云圖。

圖3 滑動架網格劃分

為了研究結構在受力情況下的形變規律，劃分網格之后進行載荷施加，根據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。模態分析是常用的一種分析結構振動特性分析方法，主要用于研究結構的固有頻率和振型，也可以用于結構優化設計。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分析，固有頻率和模態振型是關鍵分析參數。通過數值模擬分析，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，根據掘錨機機載錨桿鉆機鉆箱額定轉速為600 r/min，根據計算公式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，結構不會發生共振。

4 結論

本文通過對掘進機機載錨桿鉆機的結構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，利用結構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境產生共振，分析結果表明，設計的機載錨桿鉆機的振動頻率遠遠小于周圍環境的振動頻率，不會與周圍環境發生共振，同時為了更好地保護結構連接件和錨桿鉆機，錨桿鉆機的轉動速度最好在額定轉速下工作，有利于延長使用壽命。