锚杆钻车机载临时支护的优化设计_吕继双.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0470引言随着巷道掘进自动化和智能化水平的快速发展，煤矿短壁开采进尺速度也快速提升，为避免空顶距过大引起发沉降离层和变形事故，煤巷掘进多采用永久锚护加临时支护的工艺方式来保证支护安全性，提高支护作业进度。临时支护是作业人员安全的重要保障。随着掘进机、连续采煤机、锚杆钻车及掘锚一体机等设备的广泛应用，机载临时支护作为新的临时支护方式开始在各大矿区使用。当前主流的机载临时支护有2类，一类是集成与掘进设备如掘进机，连采机或者掘锚一体机的临时支护，一般兼备铺网、铺钢带等功能；另一类是集成与独立的锚杆钻车上，用于永久锚杆支护作业过程中的人员保护和作业定位。本文开发了一种可用于全自动锚杆钻车的新型临时支护机构，符合当前“机械化换人、自动化减人”政策的发展方向，是自动锚杆台车能够完成巷道全自动锚护作业的关键部件之一。1新型临时支护机构新型机载临时支护机构由底座、前连杆、后连杆、掩护梁、调节连杆、上连杆、自适应接顶块和举升油缸构成，如图1所示。底座一般固定于锚杆钻车主机架上，与前连杆、后连杆和掩护梁构成四连杆机构I；掩护梁和调节连杆、上连杆和后连杆又组成四连*山西省重点研发计划专项项目(2020XXX001)；山西天地煤机装备有限公司面上项目(M2022-MS02)锚杆钻车机载临时支护的优化设计*吕继双1，2（1.山西天地煤机有限公司，太原030006；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原030006）摘要：针对锚杆钻车对破碎顶板的临时支护能力弱的问题，开发了一种复合四连杆形式的临时支护结构，其显著特点是上连杆在升降过程中近似与顶板保持平行，且前后方向移动距离短。为了保证新型临时支护机构升降过程中的上连杆与水平面的夹角波动范围最小，以复合四连杆机构上的3个关键铰点坐标为设计变量，满足空间排布及机构升降行程为约束条件，上连杆与水平面夹角最小为优化目标，采用多体动力学分析软件进行优化设计。优化结果表明，优化目标在整个升降过程中变化范围降低了77.6%。根据优化结果，建立三维模型进行干涉检查及原理验证，确认了结果的可行性。关键词：锚杆钻车；临时支护；复合四连杆机构；参数化；优化设计中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 197 03Optimization Design of Temporary Support of Roof BolterLYU Jishuang1，2(1.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China；2.China National Engineering Laboratory forCoal Mining Machinery,Taiyuan 030006,China)Abstract:In order to improve the temporary support ability of the roof bolter for the broken roof,atemporary support structure in the form of a composite four-bar linkage was developed.Its remarkablefeature is that the upper link is approximately parallel to the top plate during the lifting process,andthe moving distance in the front and rear directions is short.In order to ensure the minimum fluctuationrange of the angle between the upper link and the horizontal plane during the lifting process of the newtemporary support mechanism,the coordinates of the three key hinge points on the composite four-barlinkage are used as design variables,and taking the suitable spatial arrangement and the lifting strokeof the mechanism as the constraints.The minimum angle between the upper link and the horizontalplane is the optimization objective,and the multi-body dynamics analysis software is used for optimizationdesign and calculation.The optimization results show that the variation range of the optimizationobjective is reduced by 77.6%during the whole lifting and lowering process.According to the optimizationresults,a three-dimensional model was established for interference inspection and principle verification,which confirmed the feasibility of the results.Key words:roof bolter；temporary support；composite four-bar linkage；parametric；optimization design197第42卷第02期锚杆钻车机载临时支护的优化设计吕继双Vol.42 No.02杆机构II。举升油缸一端铰接在底座上，另一端铰接在掩护梁上，由整机液压系统提供动力驱动复合四连杆运动。四连杆机构I的上端，即掩护梁与上连杆的铰接点，在上下方向上近似做直线运动。四连杆机构II的功能为，保证上连杆在运动过程中近似与煤巷顶板平行。自适应接顶块通过球轴承安装在上连杆的顶端。当举升油缸伸出一定长度后，附于上连杆上的自适应接顶块将与煤巷顶板压紧，临时支护机构将起到“顶天立地”的稳车支撑效果，在保证支护人员安全的同时，也给全自动锚护作业自动成排打孔作业提供定位基准。自适应接顶块与上连杆之间的球轴承，可适应一定的顶板不平度。图1临时支护的构成1.自适应接顶块2.掩护梁3.调节连杆4.后连杆5.底座6.前连杆7.举升油缸8.上连杆新型机载临时支护结构的显著优点是上连杆在升降过程中前后移动范围小，上连杆近似与顶板保持平行，便于整机其他结构的方案排布。一个设计难点是为保证接顶梁能够适应更大破碎程度的顶板，要求临时支护机构在升降过程中，上连杆与巷道顶板尽可能的平行。由于新型临时支护机构左右对称，将机构简化为平面复合四连杆机构，如图2所示。点O、点D和点F在一条线上；点D、点E和点I在1条线上。该连杆机构上点H、点I即为上连杆的轴线。它的运动规律比一般的四连杆机构更为复杂。图2简化后分析模型如果采用解析法来计算上连杆的铰接点的坐标及运动轨迹，能够得到比较精确的解析解，但是缺点也很明显，高阶非线性方程组求解比较困难。该连杆机构比较复杂，也不适宜采用误差较大的作图法及实验法。因此采用多体动力学仿真软件来进行计算机辅助求解是一种行之有效的途径。将各连杆尺寸参数分为独立的构件尺寸参数和非独立的构件尺寸参数。通过非独立尺寸参数的计算，选择合理的尺寸进行参数化，建立起优化用动力学模型，求出连杆机构中构件的结构尺寸与转角的关系。设计该临时支护机构时，要求在升降过程中，上连杆与水平面的夹角阿变化范围尽可能的小。在锚杆钻车整机允许的前提下，需要对与夹角关联的调节连杆和上连杆等部件的杆长等进行参数化设计，进行最优化分析。2参数化建模2.1参数化设置将铰点F，H，I这3点坐标确定为设计变量，结合现有结构确定变量初值，各变量的属性如表1所示。表1参数化设计变量表以列表中的参数初值生成关键点坐标初值，以坐标值生成连杆和油缸模型，建立连杆机构参数化模型。在底座和大地间建立固定副；在前连杆两端分别和底座、掩护梁建立转动副；在后连杆上与底座、掩护梁和调节连杆之间建立转动副；在上连杆与掩护梁、调节连杆之间建立转动副；在油缸两端分别于底座、掩护梁建立转动副；在缸筒和缸杆之间建立平移副；在缸筒上的平移副上施加向上的直线马达驱动，令油缸推动平台上升。2.2约束条件（1）对于本实例，从加工制造角度，结构需要满足DF80 mm。（2）从功能实用角度，在整个升降过程中，要求H点不能过高，否则存在H点提前接顶的问题。故H点超过I点的纵向高度应小于20 mm。即H点的Y坐标值Hy20+Iy（1）式中IyI点的Y坐标值。（3）为保证临时支护机构能够正常工作，最大起升高度hmax4 000 mm。实现上述约束的方法：首先测量|DF|，|Hy|，|Iy|和hmax，然后创建传感器来实现约束表达式，当仿真参数不符合约束条件时，系统将停止本次仿真，自动进变量DV1DV2DV3DV4DV5初值/mm1 318.52-394.481 377.38-695.541 361.0变化范围/mm1 200,1 418-494,-2941 277,1 477-795,-5951 261,1461物理含义F点横坐标H点横坐标H点纵坐标I点横坐标I点纵坐标12345678GIJHBDFOCAE198第42卷第02期Vol.42 No.02锚杆钻车机载临时支护的优化设计吕继双行下一次仿真。2.3设计目标在整个升降过程中，优化目标为夹角变化范围尽量小，即：f=min。3优化结果分析3.1灵敏度分析本文将设计变量单位长度变化所得到的设计目标的变化量相对设计目标初值的比值，定义为该参数针对目标参数的灵敏度M（X1-X2）/X1（2）式中X1目标初值；X2新目标值。由式（2）可得各设计变量灵敏度，如表2所示。表2各设计变量灵敏度由表2可知，DV1，DV3，DV5的灵敏度最大，对夹角的影响最大。故取这3个具有较高灵敏度的设计变量进行目标函数的优化设计。3.2优化设计基于上述约束及目标，在动力学分析软件中进行优化计算。优化迭代进行时，模型各参数均在可行域内发生变化，各点坐标、构件、运动副和驱动位置将随参数点变化而变化。目标函数在迭代过程中的变化曲线如图3所示，目标函数的优化结果如表3所示。图3迭代过程中目标函数变化图表3优化迭代结果由表3可知，上连杆与水平面之间的最大夹角由优化前的13.9降到优化后的3.1，优化目标在整个升降过程中变化范围降低了77.6%。夹角的变化范围更小意味着，复合四连杆机构升降过程中，上连杆近似一致与顶板保持平行。优化后最直接的效果，是增加了自适应接顶块与上连杆之间的球轴承的适用范围，提升了整机性能。当选用许用摆角为17的球轴承时，临时支护顶端的自适应接顶块能够适应的顶板不平度由优化前的3.1变为13.9，增加了临时支护的适应范围。3.3结果验证根据仿真结果，采用三维建模软件对优化后的临时支护机构三维建模，进行结构空间干涉检查和连杆机构长度条件，确认机构具备加工制造条件。4结语开发了一种适用于锚杆钻车的复合四连杆形式的临时支护结构，它的显著特点是上连杆在升降过程中前后移动范围小，上连杆近似与顶板保持平行，便于锚杆钻车的总体方案排布。以复合四连杆机构的多个关键铰点坐标为设计变量，满足空间排布及机构升降行程为约束条件，上连杆与水平面夹角最小为优化目标，进行了优化迭代设计。优化前后对比，上连杆与水平面的夹角在整个升降过程中变化范围由13.9降到3.1，降低了77.6%。该结果增大了临时支护机构对破碎顶板的适应能力，提高了整机性能。通过三维重新建模检验，表明机构的优化结果较为合理。参考文献：1王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展J.煤炭学报，2007(2):113-118.2雷煌.履带行走式锚杆钻车的研制J.煤炭科学技术，2008,36(8):73-75,79.3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):55-60.4范要辉.锚杆台车自动化控制研究与展望J.煤矿机械,2021,42(11):70-72.5余发国，王园.一种八连杆机械压力机连杆的优化设计J.锻压技术，2013,38(5):138-141.6吕继双,宋明江.锚杆钻车举升机构铰点位置优化设计J.机械设计,2015,32(8):96-99.7李自贵,马俊,晋民杰,等.基于ADAMS的折臂式随车起重机工作机构优化设计J.机械设计,2015,32(8):36-40.8王风华，张新义，程相领.翻板式车库门提升连杆机构的设计、建模与优化方法J.山东理工大学学报（自然科学版）,2006,20(5):22-25.作者简介：吕继双（1982-），河北邢台人，副研究员，硕士，研究方向：矿山开采机械结构设计及优化，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220424变量DV1DV2DV3DV4DV5变量初值/mm1 300494.481 277.38-795.541 261.0目标初值X1/（）9.267.5914.578.845.17新目标值X2/（）6.877.4515.388.794.97灵敏度M0.2580.019-0.0560.0060.038迭代次序0123/（）13.95.053.123.11DV1/mm1 3181 3051 3001 300DV3/mm1 3771 4741 4771 477DV5/mm1 361.01 383.61 344.21 344.00.20.40.60.81.00时间/s角度/（）151050-5第1代迭代第2代迭代第3代迭代199