煤矿履带式锚杆机行驶稳定性分析与优化_吴家乐.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0580前言近年来，随着我国煤炭产业的结构性调整，井工煤矿规模越来越大，百万、千万吨级矿井越来越多，这也对煤矿开采的效率提出了更高的要求。但是影响煤矿高产高效，制约井工煤矿开采效率的一个重要因素就是掘、支不平衡。据统计，煤矿巷道掘进时间占1734，支护时间占5067。因此，为缩短辅助开采作业时间，提高支护效率，锚杆机的钻臂不断增多，相关辅助设备，如电机、控制、除尘、管路等也相应增加，这样的设计提高了支护效率的同时，也使得设备的吨位，外形尺寸越来越大，在不同的工况环境和运动状态下，重心位移变化量也随之增大，从而导致整机行驶稳定性能指标降低，尤其在煤矿井下多陡坡、多积水、多煤泥、多转角的路况下行驶，更易发生重心偏移，存在极大安全隐患。本文以神华煤炭集团神东公司4A00-1637-WT型锚杆机为研究对象，对不符合稳定性准则要求的影响因素进行了优化设计,从而优化了整机行驶稳定性。1设备简介及存在问题1.1设备主要结构及参数4A00-1637-WT型锚杆机主要由动力系统、液压系统、行走机构、四连杆升降机构、顶棚、操作平台、钻架及除尘系统组成。整机结构如图1所示。锚杆机主要参数：设备重量/kg32 000外形尺寸（长宽高）/mm6 5253 2001 350最小支护高度/mm1 600最大支护高度/mm3 700履带长/mm2 600履带宽/mm450履带间距/mm2 670消耗品承载能力/kg5 000煤矿履带式锚杆机行驶稳定性分析与优化吴家乐1，刘雄2，3，王斌1（1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木719315；2.中国煤炭科工集团太原研究院，太原030006；3.山西天地煤机装备有限公司，太原030006）摘要：针对煤矿井下某履带式锚杆机由于重心失衡，导致锚杆机在行驶过程中经常发生“栽头”现象，建立锚杆机在井下纵向、横向坡道上失稳状态的几何模型，分析锚杆机在纵向、横向坡道的行驶稳定性，得知锚杆机不满足稳定性准则要求。研究整机结构，优化设计锚杆机除尘系统及除尘部件的布置，从而优化了锚杆机的行驶稳定性。优化后的设备在神华煤炭集团神东公司哈拉沟煤矿进行了工业性试验，试验结果证明设备可以稳定行驶。关键词：履带式锚杆机；行驶稳定性；优化设计中图分类号：TD4文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 281 05Analysis and Optimization of Driving Stability of Crawler Bolter inCoal MineWU Jiale1，LIU Xiong2，3，WANG Bin1（1.China Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Shenmu 719315，China；2.Taiyuan Institute of China Coal Technologyand Engineering Group,Taiyuan 030006,China；3.Shanxi Tiandi Coal Mining Machine Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)Abstract:Aiming at the unbalanced center of gravity of a crawler bolter in a coal mine,the phenomenonof heading often occurs during the driving process of the bolter.A geometric model of the instabilitystate of the bolter on the longitudinal and lateral slopes was established,and the bolt was analyzed.Thedriving stability of the machine on the longitudinal and transverse slopes was determined,and it wasfound that the bolting machine did not meet the requirements of the stability criterion.Study thestructure of the whole machine,optimize the design of the dust removal system and the arrangement ofthe dust removal components of the bolter,so as to optimize the driving stability of the bolter.Theoptimized equipment has been industrially tested in Halagou coal mine of shenhua coal group Shendongcompany,and the test results have proved that the equipment can run stably.Key words:crawler bolter；driving stability；optimal design281牵引速度/ms10.5对地间隙/mm250图14A00-1637-WT锚杆机整机结构及重心示意图1.动力系统2.液压系统3.行走机构4.四连杆升降机构5.顶棚6.操作平台7.钻架8.除尘系统1.2设备存在问题由于该型锚杆机顶棚、操作平台、钻架及除尘系统集中设计在设备前端，导致设备作业机构重量过大，整机重心靠前。据调研统计，该设备在煤矿井下6左右的坡道上下坡行驶即出现整机向前翻倾现象。且由于整机重心靠前导致设备与地面附着力不均匀，设备行驶性能差，存在极大安全隐患。2设备稳定性分析与计算2.1稳定性定义及准则设备的行驶稳定性是指设备在行驶过程中，不发生翻倾、滑移等现象的能力。为了对稳定性进行评估和优化，提出了“极限翻倾角”的评价指标，极限翻倾角的大小表示设备行驶或停放在坡道上不发生倾、侧翻的能力，其值越大，说明设备稳定性越好。煤矿设备的稳定性准则为：纵向极限翻倾角不小于14，横向极限翻倾角不小于7。2.2整机重心位置的确定确 定 设 备 重 心 是 计 算 翻 倾 角 的 关 键，利 用SolidWorks软件对4A00-1637-WT型锚杆机整机进行三维建模，设备重心通过三维模型可以确定（见图1）。根据煤矿设备操作规范要求，矿用设备行走过程中要求把操作平台高度降低至最低（图1中实线位置）。设备在井下行驶均为匀速行驶，本文以设备静止在坡道上的稳定性为研究目标。2.3稳定性分析与计算（1）纵向坡道上坡的稳定性分析与计算锚杆机在纵向坡道上坡处于静止状态时，其受力简图如图2所示。设备在纵向坡道上的受的作用力分别为：设备主机架的重力G、工作机构的重力G、设备的制动力FZ、地面对履带支撑段全部垂直反力的合力N。经分析锚杆机在纵向坡道上的受力情况，对O1求矩，由图2锚杆机在纵向坡道上坡的受力简图O1.履带支撑面后端点O2.履带支撑面前端点.纵向上坡角.设备工作机构重心与O1的连线与坡道平面形成的角度力矩平衡可得MO=0（1）即Nx1+G2h+G2h-G1L1-G1L2=0（2）式中N地面对履带支撑段全部垂直反力的合力，N=G1+G1；x1N到O1的水平距离；G1设备主机架的重力G在垂直坡道平面的分量，G1=Gcos；G2设备主机架的重力G在平行坡道平面的分量，G2=Gsin；G1设备工作机构的重力G在垂直坡道平面的分量；G1=Gcos；G2设备工作机构的重力G在平行坡道平面的分量，G2=Gsin；L1设备主机架重心到O1的水平距离；L2设备工作机构重心到O1的水平距离；h设备主机架重心高度；h设备工作机构重心高度,h=tan。代入求得x1=G（L1-htan）+GL2（1tan tan）G+G（3）锚杆机在上坡处于静止状态时不产生翻倾的条件是地面对履带支撑段全部垂直反力的作用线不落在履带支撑面后缘之后。即x1=G（L1-htan）+GL2（1tan tan）G+G0（4）得arctanGL1+GL2Gh+GL2tan（5）由式（5）可知，锚杆机在纵向坡道上坡处于静止状态时，其纵向极限翻倾角与G，G，L1，L2，h以及有关。设备的重心高度h越小，重心至履带支撑面后缘的距离L1越大，设备就越不容易倾翻，纵向稳定性越好；反之，设备就越容易倾翻，纵向稳定性越差。第42卷第03期煤矿履带式锚杆机行驶稳定性分析与优化吴家乐，等Vol.42 No.031123456781 812788798250G1GO2G1O1GFZG2NL2X1L1LG2hh282（2）纵向坡道下坡的稳定性分析与计算锚杆机在纵向坡道上向下处于静止状态时，其受力图如图3所示。图中各符号所表示的含义与前文相同。图3锚杆机在纵向坡道下坡的受力简图经分析锚杆机在纵向坡道下坡的受力情况，对O1求矩，由力矩平衡可得MO=0（6）即：Nx2-G2h-G2h-G1L1-G1L2=0（7）其中各变量计算公式与式（2）相同，代入式（7）得x2=G（L1-htan）+GL2（1tan tan）G+G（8）锚杆机在下坡静止时不产生翻倾的条件是地面对履带支撑段全部垂直反力的作用线不落在履带支撑面前缘之前，即x2=G（L1htan）+GL2（1tan tan）G+GL（9）得arctanG（L-L1）G（L-L2）GhGL2tan（10）由式（10）可知，锚杆机在纵向坡道上向下静止时，其纵向极限翻倾角与G，G，L1，L2，L，h以及有关。设备的重心高度h越小，重心至履带支撑面的距离L1越小，极限倾翻角就越大，纵向稳定性越好；反之，就容易倾翻，纵向稳定性越差。（3）横向坡道上的稳定性分析与计算锚杆机在横向坡道上的受力如图4所示。图4锚杆机在横向坡道上行驶的受力简图.横向坡度角当锚杆机在横向坡道上发生倾翻现象时，N2变为0，且N1作用于O点，针对系统对O点求矩得MO=0（11）即N2（B+0.5b）+G2*h-G1*（0.5B+0.5b-e）=0（12）式中N1地面对于左履带支撑段的全部垂直反力的合力；N2地面对于右履带支撑段的全部垂直反力的合力；G1*设备重力在垂直坡道表面的分量，G1*=（G+G）cos；G1*设备重力在垂直坡道表面的分量，G1*=（G+G）sin；B设备履带的轨距；b履带宽度；e设备重心偏离其纵向对称平面的距离；h设备重心高度。代入求得N2=（G+G）（0.5B+0.5b-e）cos-（G+G）hsin B+0.5b（13）因此，锚杆机在横向坡道上不翻倾的条件是N20，故N2=（G+G）（0.5B+0.5b-e）cos-（G+G）sin B+0.5b0（14）得arctan0.5（B+b）-eh（15）由式（15）可知，锚杆机在横向坡道上行驶时，其横向极限翻倾角与B，b，e，h有关。履带的轨距B越大、履带宽b越宽、重心h越低，锚杆机在横向坡道上行驶稳定性越好；反之，就容易倾翻，横向稳定性越差。2.4极限翻倾角的确定根据锚杆机整机的三维模型，可以计算出锚杆机在纵向坡道上、下坡空载、满载4种不同工况，横向坡道上空载、满载2种不同工况的重心位置，根据上节计算模型可以计算出锚杆机在纵横向斜坡上不同工况下的极限翻倾角，如表1、表2所示。表1锚杆机在纵向坡道上不同工况的极限翻倾角表2锚杆机在横向坡道上不同工况的极限翻倾角由计算结果可知，纵向空载下坡和满载下坡的极限翻倾角指标不满足稳定性准则要求。3设备稳定性优化设计通过对极限翻倾角公式中各参数的影响及整机第42卷第03期Vol.42 No.03煤矿履带式锚杆机行驶稳定性分析与优化吴家乐，等11工况极限翻倾角/（）空载上坡39空载下坡6满载上坡36满载下坡10工况极限翻倾角/（）空载15满载23G1GO2G1O1GFZG2NL2X2L1LG2hhBeG1Z1GZ2G2ObN2hN1.纵向下坡角283结构分析，需要将整机重心向后，向下移动。经研究分析锚杆机前端的除尘系统时发现，其在功能上集旋流除尘、重力除尘、吸附除尘3种除尘方式于一体，结构上主要包括旋流器、沉降室、滤筒、安装架、防护罩以及风机、马达等，总重约1.9 t，如图5所示。图5锚杆机原机除尘箱结构示意图1.旋流器2.滤筒3.沉降室3.1除尘室结构分析与优化设计（1）旋流除尘室分析与优化设计旋流除尘是利用含尘气流旋转运动时产生的惯性力，碰壁后速度矢量方向发生改变，而将颗粒从气流中分离出来，可分离粒径大于15 m的颗粒。原旋流除尘器存在的问题及重新设计思路如下：原旋流除尘的进气口采用切向进口设计，如图6所示。由于切向进口会造成气流的相互挤压，引起气流紊乱形成旋涡。若将进气口改成蜗卷形状，如图7所示，可以在一定程度上避免进入气流与旋转气流的干扰，但是效果还不是很理想。通过长期使用实践试验的方法证实在气流进口添加弧形导向板可以有效地解决这一问题，同时还能够减小压力损失，因此本文采用在进口处增加导流板的方法，如图8所示，引导气流，减少旋涡的形成。图6切向进口设计图7蜗卷进口设计图8增加导流板设计1.进气口2.导向板原旋流除尘器排气管直径较小，在除尘器中心形成的强旋流对粉尘二次夹带的几率也较小，但过小的排气管直径会在排气管末端形成剧烈的节流效应，造成压力损失。在此，为减小节流效应将排气管底部端设计成收缩口，这样既不影响旋风除尘器的除尘效率，又可以降低压力损失，如图9所示。图9灰斗设计1.中心孔2.周围环缝3.反射屏灰斗的结构。原旋流器灰斗设计较为简单，经过CFD气固两相流模拟，发现灰斗底部容易形成较多旋涡，二次夹带的机会增多。因此，在排气管底部对其流动空间进行扩充，充分延缓湍流作用强度，以减少二次夹带。由此，在排气管底部周边设计挡板，使粉尘从挡板间隙进入灰斗，流入灰斗的空气在压差的作用下从中心的圆孔再流回除尘器。（2）重力除尘室分析与优化设计重力除尘的本质是利用重力原理收集气流中粒径大于50 m的固体颗粒。为达到最好的除尘效果，重力沉降室整体结构的设计主要有3个原则：增加除尘室内与气流进口垂直的面积；降低沉降室进口高度；增长沉降室内气流从进口流动到出口的通道长度。此外，还可以考虑从改变气体和颗粒速度矢量方向，以达到粉尘颗粒从高速气流中分离出来。根据沉降原理分析，原除尘系统沉降室结构上存在进口距沉降室底部高度过大，气流流通距离较短等不合理设计。因此依据沉降原理对沉降室进行重新设计。如图10所示。图10沉降室设计1.气流入口2.隔板3.气流出口（3）滤筒除尘分析与优化设计滤筒除尘具有体积小、效率高等优点，因其能够过滤粒径小于515 m的颗粒，常被用在除尘系统最后一个环节。滤筒除尘原理是含尘气体进入除尘室后，通过布朗运动和筛滤综合效应，使粉尘颗粒沉积在滤布表面，净化后的气体从排气管排出。滤芯在除尘器中有2种安装方式：水平安装，上层滤筒清第42卷第03期煤矿履带式锚杆机行驶稳定性分析与优化吴家乐，等Vol.42 No.03123进气进气12123123284落的粉尘沉落在下层滤筒上，难以清除。垂直安装，清灰时，灰尘易清落沉降至灰斗，效果好。根据上述滤筒吸附除尘原理分析，原滤筒沉降室结构上存在滤筒上下叠放水平布置，距离灰斗距离过近，易引起二次扬尘等不合理设计（见图5）。因此依据吸附除尘原理将滤筒设计为垂直安装，如图11所示。图11重力沉降和滤芯除尘箱结构示意图1.滤筒安装位置2.重力沉降室3.风机、马达安装位置3.2除尘室安装位置优化设计依据整机结构和除尘室外形尺寸，利用三维软件，对除尘室进行合理布置。将旋流器除尘室设计安装于整机前部，重力沉降室布置在左右履带驱动轮上，为了进一步平衡机身重量，设计三级滤筒除尘室和降噪装置布置安装在整机机身后部两侧，如图12所示。图12除尘系统优化设计示意图1.降噪箱2.降尘箱3.旋流器4.重力除尘室3.3优化结果按照2.3节同样的计算方法，对优化后的锚杆机在纵向坡道上、下坡的极限翻倾角进行计算，计算结果如表3所示。表3优化后锚杆机在纵向坡道上不同工况的极限翻倾角把优化后的极限翻倾角和优化前的进行对比分析，如图13所示。可以看出，优化后设备上坡的稳定性有所降低，但也能满足使用要求。优化后设备下坡的稳定性较优化前有了大幅提高，满足了设备行驶稳定性准则的基本条件要求。4锚杆机工业性试验验证优化后的锚杆机在神华煤炭集团神东公司哈拉沟煤矿进行了为期6个月的工业性试验，该区队掘进巷道为半煤岩巷道，巷道底板为岩石，局部坡度可达14，巷道宽5.4 m、高3.1 m，单日掘进进尺约30 m，试验期间共掘进进尺约5 100 m，锚杆机在试验期间行驶稳定，无失稳现象，彻底消除了安全隐患。设备作业现场除尘效果良好，经现场检测除尘效率达98.5%，除尘噪音85 dB以下，工人们的作业环境得到大幅改善。图13优化后设备极限翻倾角对比图5结语（1）针对神东进口4A00-1637-WT型锚杆机因井下行驶过程中经常出现的失稳问题，建立锚杆机在纵横坡道上失稳状态的几何模型，得出设备在纵向6的坡道上空载下坡和10的坡道上满载下坡的稳定性不满足稳定性准则要求；（2）优化设计了锚杆机的除尘系统，调整了除尘系统各部件的安装位置，进而优化了了整机的重心位置，优化后的锚杆机空载下坡的极限翻倾角达14，满载下坡的极限翻倾角达17，满足了设备在井下行驶的稳定性准则要求；（3）优化后的锚杆机经煤矿工业性试验结果表明，锚杆机在纵向14、横向7的坡道范围内可以稳定行驶，除尘系统的除尘效率达98.5%，除尘噪音85 dB以下。参考文献:1万理想.新型锚杆机结构设计J.煤矿机械，2020，41(5):109-111.2张忠国.煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术J.煤炭科学技术，2016，44(1):55-60.3毛君，许文馨.掘进机坡角工况下转向动力学特性仿真J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34(11):1303-1307.4张力.矿用自卸车行驶稳定性分析与优化D.长沙：湖南大学，20115曲俊娜.铰接式工程车辆动态侧翻稳定性研究D.长春：吉林大学学报，20136罗春雷,陈周伟,郑惠斌,等.大型履带式液压凿岩台车行驶特性分析J.计算机仿真，2015,32(11):183-187,3577王庆祥.煤矿大吨位铰接式自卸车行驶稳定性分析与优化J.煤炭工程,2017，49(12):17-21.8曹源文,陈作,赵江,等.多路况下轮式装载机行驶稳定性研究J.重庆交通大学学报（自然科学版）,2021，40(5):140-146.9徐向阳,艾星,宋朝省,等基于动态横向转移载荷的轮式装载机侧倾稳定性研究J.振动与冲击,2020，39(10):163-169,214.10葛文庆,刘德传,王位元,等某越野型拖挂式房车行驶稳定性分析与优化J.科学技术与工程,2018，18(36):125-131.11陈晋市,郑琦,霍东阳,等桥荷分配对轮式滑移装载机行走系统性能的影响J.吉林大学学报（工学版）,2020，50(4):1235-1244.12 刘刚,张子达铰接式车辆行驶稳定性的理论分析与数值计算J.吉林大学学报,2004(3):367-372.13张战文,杨福增,张振平履带式拖拉机坡道行驶稳定性分析J.农业装备与车辆工程,2010（11）:7-10.作者简介：吴家乐（1985），内蒙古呼和浩特人，工程师，从事煤矿机电设备维修及管理工作，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220409第42卷第03期Vol.42 No.03煤矿履带式锚杆机行驶稳定性分析与优化吴家乐，等工况极限翻倾角/（）空载上坡34空载下坡14满载上坡28满载下坡171231234空载上坡空载下坡满载上坡满载下坡工况改造前改造后极限翻倾角/（）403020100285