履带式液压锚杆钻车关键结构及液压系统设计与研究

摘要

煤炭资源的生产和安全事关国家能源战略，直接对国民经济的可持续发展产生影响。锚杆支护是一种有效的煤矿井下巷道支护方式，可以显著改善矿工在井下巷道内的作业环境和安全条件。履带式液压锚杆钻车是锚杆支护的关键设备，与传统锚杆用风钻相比，具有速度快、成本低以及工人劳动强度小等优势，已在国内外煤矿及隧道施工中得到广泛应用。目前国内履带式液压锚杆钻车可靠性较低，仅依靠相似机械进行类比设计，没有独立的设计方法和设计思路，液压控制系统较复杂且稳定性差，以上缺陷限制了履带式液压锚杆钻车的发展，同时制约了矿山及隧道的建设和运行。因此，全面提高锚杆钻车设计质量，优化设计钻车关键部件及液压控制系统，对提高煤矿生产效率和生产安全性具有重要意义。 本文以履带式液压锚杆钻车为研究对象，设计与钻车相适应的变幅机构、移动机构以及液压系统，并对关键部件进行数值仿真和优化。本文的主要研究内容如下： （1）分析履带式液压锚杆钻车研究现状，对主要的功能部件进行设计计算以及参数选择。将钻车按功能划分为行走模块、变幅模块、钻进模块和液压系统，根据钻车移动部件的要求计算履带的主要参数，结合钻孔方位和高度要求设计变幅机构，计算了液压缸在内的相关参数，根据性能要求设计液压系统，计算了液压系统的主要参数，完成关键元件的选型。 （2）针对履带式液压锚杆钻车的变幅装置进行结构校核与仿真，建立三维模型后分别进行运动学仿真、动力学仿真以及模态分析，发现变幅机构支撑架的薄弱部位。结果表明变幅机构的强度与刚度均满足设计要求。 （3）建立履带式液压锚杆钻车的液压系统仿真模型，将模型分为变幅系统模块、进给系统模块、履带行走及平台旋转模块以及负载敏感泵组模块，对驱动履带行走的液压马达进行仿真，分析各个功能模块的执行元件能否完成既定的工作目标。从仿真图线可以看出，所设计的液压系统稳定性强，机械效率高，有良好的动态性能，可以完成履带式锚杆钻车的行走、调高及钻进等动作。 （4）对变幅机构中间支撑架进行拓扑优化分析，根据分析结果改进支撑架结构，优化三维模型，重复进行静力学分析和模态分析，有限元分析结果表明结构最大变形量减小，结构强度与刚度提高的同时各阶固有频率提高，验证了此变幅系统的可靠性。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 研究意义

1.3 锚杆钻车发展动态

1.4.1锚杆钻车结构设计

1.4.2 系统仿真与优化研究现状

1.5 存在的问题

1.6 主要研究内容和技术路线

1.6.1 研究内容

1.6.2 技术路线

1.7 本章小结

2 锚杆钻车系统设计及计算

2.1 锚杆钻车车架及行走系统的设计

2.2 液压进给系统的设计

2.2.1 链条—液压缸倍速进给装置

2.2.2 油缸直连进给装置

2.2.3 链条—液压马达倍力进给装置

2.2.4 本次设计选用的进给装置

2.3 动力头设计

2.4 变幅机构的设计

2.4.1 单自由度俯仰向下钻进变幅机构

2.4.2 旋转式单自由度全方位钻进变幅机构

2.4.3 双自由度俯仰高度可调钻进变幅机构

2.5 本章小结

3 锚杆钻车变幅系统仿真分析

3.1 变幅机构运动检测

3.2 变幅系统模态分析

3.3 变幅机构动力学分析

3.4 变幅机构静力学分析

3.5 本章小结

4 履带式锚杆钻车液压系统仿真

4.1 仿真软件的选择

4.2 履带液压系统建模与仿真

4.2.1 履带马达参数变化对系统影响

4.2.2 平动时履带马达工作状态

4.2.3 转向时履带马达工作状态

4.3 进给液压系统建模与仿真

4.4 变幅液压系统建模与仿真

4.5 本章小结

5 变幅机构拓扑优化分析

5.1 拓扑优化理论

5.2 优化模型建立

5.3 优化结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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