煤礦鉆機全巷道支撐調節機構設計與應用

陶 勇，李成鋼

1重慶電子工程職業學院智慧健康學院 重慶 400039

2阜礦集團內蒙古白音華海州露天煤礦有限公司 內蒙古錫林郭勒 026200

阜 礦集團內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支撐調節機構存在自動化程度低、體積龐大的突出問題，為適應井工礦智能化改革需求，迫切需要研制新型高效的支撐調節機構，最大程度滿足鉆機全巷道施工。

1 現有鉆機支撐調節機構

井工礦現有鉆機支撐調節機構大都采用框架式結構，如圖 1 所示，施工時需要手動松開與鎖緊立柱旋轉組件兩端抱箍，利用斜撐液壓缸驅動機架實現鉆孔高度與傾角調節，底座兩側對稱布置 4 個腳板，用于單體液壓支柱錨固鉆機。該機構具備錨固、升降、傾角調節 3 個重要功能，但人工操作繁瑣，自動化程度低，調節范圍小。針對框架式機構存在的問題，設計了新型的全巷道支撐調節機構。

圖1 鉆機支撐調節機構Fig.1 Drill rig supporting adjustment mechanism

2 全巷道支撐調節機構

全巷道支撐調節機構用于將主機固定安裝在履帶平臺 (見圖 2)，具備鉆機施工錨固、開孔高度調節、開孔傾角和方位角調節的功能[1-3]。該機構由上下錨固機構、提升機構、水平回轉機構、立面回轉機構 4個部分組成，結構如圖 3 所示。

圖2 鉆機布局Fig.2 Layout of drill rig

圖3 全巷道支撐調節機構結構示意Fig.3 Structural sketch of whole roadway supporting adjustment mechanism

(1) 水平升降 立面回轉機構在升降液壓缸驅動下沿提升機構的導柱上下滑動，實現水平開孔高度在1.1～ 1.8 m 范圍內調節，同時具有機械和液壓雙重鎖緊功能，保障安全性。

(2) 傾角調節 立面回轉機構的蝸輪蝸桿回轉減速器驅動鉆機機架同步回轉，實現鉆機主機傾角在0°～ ±90°調節。由于采用蝸輪蝸桿機構，具有自鎖功能，輸出轉矩大，運轉平穩，回轉范圍大，自動化程度高。

(3) 方位角調節 水平回轉機構的蝸輪蝸桿回轉減速器帶動主機實現方位角 0°～ 360°調節，必要時輔以履帶底盤轉動，可滿足鉆機進行任意方位角的鉆孔施工。

(4) 鉆機錨固 通過上、下錨固液壓缸實現鉆機錨固，具備液壓鎖緊功能，無需人工輔助。如出現卡鉆現象，需要更大錨固力時，提升機構的導柱上也可外加液壓缸，可有效保證鉆機錨固可靠，解決突發狀況。

3 全巷道支撐調節機構液壓控制系統

整機液壓系統采用 ERR100 負載敏感泵，主多路閥采用 PVG120 負載敏感多路閥，構成負載敏感液壓系統，自適應負載的壓力和流量，液壓原理如圖 4 所示。由于執行元件較多，為防止誤操作，將系統分為主油路和支撐調節油路 2 個系統，分別采用先導手柄控制，各執行機構多路閥采用電液比例閥。負載敏感多路閥第 1 片接入主油路系統，第 2 片接入支撐調節機構系統。先導手柄控制油液從負載敏感多路閥進入手動比例多路閥，推動各換向手柄及手柄開合度，即可驅動主機到所需位置及調節其速度。

圖4 液壓系統原理Fig.4 Principle of hydraulic system

4 運動學分析

全巷道支撐調節機構是由液壓缸和回轉器構成的關節連桿機構，建立 D-H 坐標系[4]，通過齊次坐標變換矩陣的迭代可求出機構的運動學方程。主機和支撐機構簡化模型如圖 5 所示，機構各連桿參數如表1 所列。

圖5 簡化模型Fig.5 Simplified model

表1 連桿參數Tab.1 Parameters of connecting rode

機構末端 (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式為：

將表 1 中各連桿參數值代入式 (2)，求得鉆頭初始位置相對于基坐標系水平回轉機構坐標變換矩陣，對比式 (1) 得到鉆頭相對于基參考坐標系的 3 個坐標分量：

即求出鉆機鉆孔時鉆頭相對基坐標系的具體位置。

機構工作空間S(ps) 是連續隨機變量 (pxi、pyi、pzi)構成的空間集合，根據機構及鉆機相關部件機構參數，以及各關節變量的允許變化范圍，應用 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，鉆機在施工位置錨固后，機構動作時，鉆頭位置相對水平回轉機構實現球面覆蓋，即 1 次錨固可實現迎頭和兩側巷道的全方位施工。

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 全巷道調節機構有限元分析

采用該機構后鉆機載荷參數如表 2 所列。

表2 載荷參數Tab.2 Parameters of load

5.1 有限元模型

選取最危險的極端工況 (主機在最高位、最大起拔力起拔鉆桿，同時動力頭以最大轉矩轉動) 進行計算分析。此時機構承受外橫向載荷 (取 190 kN 起拔力產生的彎矩)、動力頭轉矩 (取 3 200 N·m)、主機自重和彎矩、機構自重和錨固力。

工作載荷經主機傳遞至調節機構，為保證載荷施加的準確性，在建立有限元模型時，將作為傳遞載荷路徑主機結構添加至計算模型，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。

導柱材料采用 40Cr，其余結構采用 Q235A。接觸區域采用高精度的 SOLID186 單元類型，采用掃略網格，以提高接觸區域的計算精度。非接觸區域的單元采用 SOLID185 單元類型的自由網格，以提高計算效率[5-6]。在安裝平臺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動力頭中心孔內節點，轉矩載荷以力偶的形式施加在動力頭兩側。有限元模型如圖 7 所示。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

5.2 有限元分析結果

分析得出應力云圖如圖 8 所示，最大應力值為128 MPa，出現在水平工況時立柱底部，遠小于 40Cr的屈服強度。根據應力等高線圖，可以看出周邊區域的應力水平約為 107 MPa，低于 Q235A 的許用應力，結構強度具有較大富余。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。分析校核結果表明，機構的強度和剛度能夠滿足使用要求。

圖8 應力云圖Fig.8 Stress contours

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement contours

6 結語

在分析總結框架式調節機構功能特點的基礎上研制的全巷道支撐調節機構能夠實現鉆孔高度、傾角、方位角的自動調節。通過求解該機構運動學方程及有限元分析，獲得了鉆頭的有效工作空間及機構強度。目前井工礦使用改造后的鉆機已完成鉆孔 30 個，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煤礦巷道施工。