煤矿钻机全巷道支撑调节机构设计与应用

陶 勇，李成钢

1重庆电子工程职业学院智慧健康学院 重庆 400039

2阜矿集团内蒙古白音华海州露天煤矿有限公司 内蒙古锡林郭勒 026200

阜 矿集团内蒙古白音华海州露天煤矿有限公司井工矿目前使用的瓦斯抽采钻机支撑调节机构存在自动化程度低、体积庞大的突出问题，为适应井工矿智能化改革需求，迫切需要研制新型高效的支撑调节机构，最大程度满足钻机全巷道施工。

1 现有钻机支撑调节机构

井工矿现有钻机支撑调节机构大都采用框架式结构，如图 1 所示，施工时需要手动松开与锁紧立柱旋转组件两端抱箍，利用斜撑液压缸驱动机架实现钻孔高度与倾角调节，底座两侧对称布置 4 个脚板，用于单体液压支柱锚固钻机。该机构具备锚固、升降、倾角调节 3 个重要功能，但人工操作繁琐，自动化程度低，调节范围小。针对框架式机构存在的问题，设计了新型的全巷道支撑调节机构。

图1 钻机支撑调节机构Fig.1 Drill rig supporting adjustment mechanism

2 全巷道支撑调节机构

全巷道支撑调节机构用于将主机固定安装在履带平台 (见图 2)，具备钻机施工锚固、开孔高度调节、开孔倾角和方位角调节的功能[1-3]。该机构由上下锚固机构、提升机构、水平回转机构、立面回转机构 4个部分组成，结构如图 3 所示。

图2 钻机布局Fig.2 Layout of drill rig

图3 全巷道支撑调节机构结构示意Fig.3 Structural sketch of whole roadway supporting adjustment mechanism

(1) 水平升降 立面回转机构在升降液压缸驱动下沿提升机构的导柱上下滑动，实现水平开孔高度在1.1～ 1.8 m 范围内调节，同时具有机械和液压双重锁紧功能，保障安全性。

(2) 倾角调节 立面回转机构的蜗轮蜗杆回转减速器驱动钻机机架同步回转，实现钻机主机倾角在0°～ ±90°调节。由于采用蜗轮蜗杆机构，具有自锁功能，输出转矩大，运转平稳，回转范围大，自动化程度高。

(3) 方位角调节 水平回转机构的蜗轮蜗杆回转减速器带动主机实现方位角 0°～ 360°调节，必要时辅以履带底盘转动，可满足钻机进行任意方位角的钻孔施工。

(4) 钻机锚固 通过上、下锚固液压缸实现钻机锚固，具备液压锁紧功能，无需人工辅助。如出现卡钻现象，需要更大锚固力时，提升机构的导柱上也可外加液压缸，可有效保证钻机锚固可靠，解决突发状况。

3 全巷道支撑调节机构液压控制系统

整机液压系统采用 ERR100 负载敏感泵，主多路阀采用 PVG120 负载敏感多路阀，构成负载敏感液压系统，自适应负载的压力和流量，液压原理如图 4 所示。由于执行元件较多，为防止误操作，将系统分为主油路和支撑调节油路 2 个系统，分别采用先导手柄控制，各执行机构多路阀采用电液比例阀。负载敏感多路阀第 1 片接入主油路系统，第 2 片接入支撑调节机构系统。先导手柄控制油液从负载敏感多路阀进入手动比例多路阀，推动各换向手柄及手柄开合度，即可驱动主机到所需位置及调节其速度。

图4 液压系统原理Fig.4 Principle of hydraulic system

4 运动学分析

全巷道支撑调节机构是由液压缸和回转器构成的关节连杆机构，建立 D-H 坐标系[4]，通过齐次坐标变换矩阵的迭代可求出机构的运动学方程。主机和支撑机构简化模型如图 5 所示，机构各连杆参数如表1 所列。

图5 简化模型Fig.5 Simplified model

表1 连杆参数Tab.1 Parameters of connecting rode

机构末端 (钻头) 位姿矩阵：

式中：nx、ny、nz为法线矢量分量；ox、oy、oz为方向矢量分量；ax、ay、az为接近矢量分量；px、py、pz为位置矢量分量。

相邻两连杆间的变换矩阵一般表达式为：

将表 1 中各连杆参数值代入式 (2)，求得钻头初始位置相对于基坐标系水平回转机构坐标变换矩阵，对比式 (1) 得到钻头相对于基参考坐标系的 3 个坐标分量：

即求出钻机钻孔时钻头相对基坐标系的具体位置。

机构工作空间S(ps) 是连续随机变量 (pxi、pyi、pzi)构成的空间集合，根据机构及钻机相关部件机构参数，以及各关节变量的允许变化范围，应用 MATLAB图解求得钻头有效工作空间三维视图，如图 6 所示。由图 6 可知，钻机在施工位置锚固后，机构动作时，钻头位置相对水平回转机构实现球面覆盖，即 1 次锚固可实现迎头和两侧巷道的全方位施工。

图6 钻头有效工作空间三维视图Fig.6 3D view of effective working space of drilling bit

5 全巷道调节机构有限元分析

采用该机构后钻机载荷参数如表 2 所列。

表2 载荷参数Tab.2 Parameters of load

5.1 有限元模型

选取最危险的极端工况 (主机在最高位、最大起拔力起拔钻杆，同时动力头以最大转矩转动) 进行计算分析。此时机构承受外横向载荷 (取 190 kN 起拔力产生的弯矩)、动力头转矩 (取 3 200 N·m)、主机自重和弯矩、机构自重和锚固力。

工作载荷经主机传递至调节机构，为保证载荷施加的准确性，在建立有限元模型时，将作为传递载荷路径主机结构添加至计算模型，由于 2 根锚固液压缸仅起辅助支撑作用且距离很近，在模型上简化为 1根。抱箍与支撑立柱、导向立柱之间以及升降液压缸与上抱箍之间建立接触对，生成接触单元。

导柱材料采用 40Cr，其余结构采用 Q235A。接触区域采用高精度的 SOLID186 单元类型，采用扫略网格，以提高接触区域的计算精度。非接触区域的单元采用 SOLID185 单元类型的自由网格，以提高计算效率[5-6]。在安装平台的底面中心施加位移约束，起拔载荷和自重载荷以均布载荷的形式作用于主机动力头中心孔内节点，转矩载荷以力偶的形式施加在动力头两侧。有限元模型如图 7 所示。

图7 有限元模型Fig.7 Finite element model

5.2 有限元分析结果

分析得出应力云图如图 8 所示，最大应力值为128 MPa，出现在水平工况时立柱底部，远小于 40Cr的屈服强度。根据应力等高线图，可以看出周边区域的应力水平约为 107 MPa，低于 Q235A 的许用应力，结构强度具有较大富余。位移云图如图 9 所示，最大位移为 0.63 mm，位于立柱顶部，满足使用要求。分析校核结果表明，机构的强度和刚度能够满足使用要求。

图8 应力云图Fig.8 Stress contours

图9 位移云图Fig.9 Displacement contours

6 结语

在分析总结框架式调节机构功能特点的基础上研制的全巷道支撑调节机构能够实现钻孔高度、倾角、方位角的自动调节。通过求解该机构运动学方程及有限元分析，获得了钻头的有效工作空间及机构强度。目前井工矿使用改造后的钻机已完成钻孔 30 个，孔深为 100～ 150 m，开孔高度为 1.1～ 1.8 m，倾角为-20°～ 75°，能适用该矿绝大多数煤矿巷道施工。