基于動(dòng)力學(xué)方程的掘進(jìn)機(jī)機(jī)載鉆孔機(jī)械手性能分析

翟 悅

（長(zhǎng)春師范大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130000）

基于動(dòng)力學(xué)方程的掘進(jìn)機(jī)機(jī)載鉆孔機(jī)械手性能分析

翟 悅

（長(zhǎng)春師范大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130000）

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載鉆孔機(jī)械手在開(kāi)采過(guò)程中的負(fù)載變化特性，依據(jù)多剛體動(dòng)力學(xué)和多柔體動(dòng)力學(xué)理論建立其剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程，利用有限元分析軟件ANSYS、RecurDyn來(lái)進(jìn)行模擬。通過(guò)分析模擬結(jié)果，可知機(jī)械手各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力相近，在開(kāi)采過(guò)程中鉆桿和伸縮臂的變形對(duì)鉆孔機(jī)械手的力學(xué)特性影響較小，但是對(duì)鉆頭的運(yùn)動(dòng)精度影響很大，對(duì)鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度影響較弱。

動(dòng)力學(xué)；掘進(jìn)機(jī)；鉆孔機(jī)械手；仿真

1 引言

隨著礦井高產(chǎn)高效的需求，對(duì)綜采技術(shù)裝備的要求也越來(lái)越高，快速巷道掘進(jìn)已成為一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。為了滿足鉆孔機(jī)械手自動(dòng)化工作的需求，本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，以剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用ANSYS、RecurDyn計(jì)算機(jī)仿真軟件，對(duì)機(jī)械手在工作中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬。對(duì)巷道鉆孔機(jī)械手的自動(dòng)控制研究提供了一定的參考價(jià)值。

2 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程理論

在研究機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，可將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分解為工作裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分。為了得到更好的模擬結(jié)果，這里假設(shè)掘進(jìn)機(jī)本體與地面固定，主要以掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)、截割臂、機(jī)械手為研究對(duì)象，并且忽略各油缸中液壓油對(duì)研究對(duì)象產(chǎn)生的影響。分析研究錨桿鉆頭在載荷作用下，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

根據(jù)拉格朗日—?dú)W拉能量法為建?；纠碚?，假設(shè)機(jī)械手各桿均為等截面歐拉梁，如圖1所示。鉆孔機(jī)械手各桿的長(zhǎng)度為li，各桿的質(zhì)量為mi。在圖1中，桿1與掘進(jìn)機(jī)本體旋接，這時(shí)桿1的重心矢量為：

其中，r01為桿1重心在慣性坐標(biāo)系OXY中的位置向量，r1為重心在動(dòng)坐標(biāo)系O1X1Y1中的位置向量。對(duì)式（1）求導(dǎo)，可得到桿1重心的速度方程：

由于桿1是在水平面上回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在這里桿1的勢(shì)能為0。桿2的速度、動(dòng)能可按照桿1的方法得到。在計(jì)算桿2的勢(shì)能時(shí)，可用下式：

同理，可以得到其余剛性桿4、5、6的速度、動(dòng)能、勢(shì)能。

桿3、桿7為柔性桿，與剛性桿的計(jì)算過(guò)程不同。設(shè)桿3質(zhì)量為m3，長(zhǎng)度為l3，密度為ρ3，桿3上任意一點(diǎn)的位置向量可用下式表示：（5）

桿3的勢(shì)能包括物體變形的應(yīng)變能、桿變形導(dǎo)致的重力勢(shì)能變化量、桿運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的重力勢(shì)能變化量，可用下式表示

同理可以得到桿7的速度、動(dòng)能和勢(shì)能。

將動(dòng)能和勢(shì)能代入拉格朗日第二類方程:

得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)載鉆孔機(jī)械手的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程：

圖1 機(jī)械手各桿坐標(biāo)簡(jiǎn)圖

3 多體動(dòng)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)研究

3.1 建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在機(jī)械手工作過(guò)程中，鉆桿剛度較小，會(huì)發(fā)生較大的變形，而伸縮臂處于懸浮狀態(tài)，主要承受機(jī)械手的重量同時(shí)還承受鉆進(jìn)的工作阻力，會(huì)產(chǎn)生一定的小變形?？紤]到鉆孔機(jī)械手復(fù)雜的工作過(guò)程，因此為了得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果就需要建立的虛擬樣機(jī)盡量符合實(shí)際情況。在這里假設(shè)除鉆桿、伸縮臂是柔性桿外，其余各桿均看做是剛性桿，同時(shí)不計(jì)各運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦和零部件之間的各運(yùn)動(dòng)副的內(nèi)部間隙。為了節(jié)省仿真時(shí)間，不考慮錨桿孔內(nèi)壁對(duì)鉆頭穩(wěn)定性的影響和鏈傳動(dòng)對(duì)整機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的影響。

建模時(shí)首先在ANSYS中對(duì)伸縮臂和鉆桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用RecurDyn建立柔性伸縮臂、柔性鉆桿、柔性伸縮臂和柔性鉆桿條件下四種機(jī)械手鉆力學(xué)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。鉆孔機(jī)械手虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 鉆孔機(jī)械手虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

煤礦井下巷道寬度為5米，高度為4米。設(shè)置重力加速度為9806.65mm/s2，背景網(wǎng)格長(zhǎng)度、寬度為100。在模擬時(shí)，施加驅(qū)動(dòng)按表1所示，施加作用力按表2所示。

表1 RecurDyn中驅(qū)動(dòng)施加

表2 RecurDyn中作用力施加

3.2 虛擬試驗(yàn)結(jié)果分析

翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)力如圖3所示。將圖中時(shí)間分為四個(gè)階段，第一階段0～50s為掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、伸縮臂伸出過(guò)程；第二階段50～70s為鉆孔機(jī)械手豎起過(guò)程；第三階段70～80s為支護(hù)液壓缸伸出過(guò)程；第四階段80～100s為鉆頭鉆進(jìn)階段。從圖中可知，在第一階段兩條曲線的數(shù)值大小基本相同；在第二階段兩條曲線都成上升趨勢(shì)，但數(shù)值相差比較大；在第三階段曲線成緩慢上升趨勢(shì)；在第四階段在鉆頭隨機(jī)阻力作用下，曲線也隨之產(chǎn)生相應(yīng)頻率變化。

伸縮液壓缸、支護(hù)液壓缸、擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)力如圖4～6所示，從圖中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ蜅l件下，鉆孔機(jī)械手在工作過(guò)程中，受力均要比剛性模型的穩(wěn)定。

圖3 翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)力圖

圖4 伸縮液壓缸驅(qū)動(dòng)力

圖5 支護(hù)液壓缸驅(qū)動(dòng)力圖

圖6 擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)扭矩

經(jīng)上述分析表明，將鉆桿和機(jī)械手的柔性加入模擬條件下，在機(jī)械手位置調(diào)整時(shí)，各個(gè)油缸均存在波動(dòng)，波動(dòng)量較小；在機(jī)械手進(jìn)入支護(hù)、鉆孔工作狀態(tài)時(shí)，各個(gè)油缸的波動(dòng)量較大。

鉆頭的位移、速度、加速度曲線如圖7～9所示。在第一階段0～100s內(nèi)鉆頭的速度變化較大，加速度在小范圍波動(dòng)變化。在第二階段100～140s內(nèi)，速度出現(xiàn)峰值，加速度也程波動(dòng)變化，在此時(shí)鉆頭的穩(wěn)定性較差，定位困難。在第三階段140～160s內(nèi)，為支護(hù)液壓缸工作，在該階段完成后鉆頭速度降至最低。在第四階段，為鉆頭工作階段，隨著鉆頭隨機(jī)阻力的作用，速度存在一定波動(dòng)，整體成拋物線狀，加速度出現(xiàn)較大波動(dòng)。

圖7 鉆頭位移

圖8 鉆頭速度

圖9 鉆頭加速度

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)鉆孔機(jī)械手剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡娣治?，可知伸縮臂和鉆桿的柔性變形在位置調(diào)整階段對(duì)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力影響較小，在鉆進(jìn)工作階段影響較大。柔性變形對(duì)位移也產(chǎn)生了較大的影響，使鉆頭的運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生一定程度的偏差，然而對(duì)鉆頭的速度和加速度影響相對(duì)較弱。

[1]王亮，霍紅義，李志斌，等.煤巷掘進(jìn)機(jī)加裝液壓鉆臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掘錨一體化[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010(6)：74-78.

[2]宋寶新.機(jī)載錨桿鉆機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究與參數(shù)優(yōu)化[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

TD421.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）01-0047-03

翟悅（1999-），女，吉林長(zhǎng)春，長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)生，研究方向：數(shù)學(xué)模型應(yīng)用。