基于動力學方程的掘進機機載鉆孔機械手性能分析

翟 悅

（長春師范大學 吉林 長春 130000）

基于動力學方程的掘進機機載鉆孔機械手性能分析

翟 悅

（長春師范大學 吉林 長春 130000）

針對掘進機機載鉆孔機械手在開采過程中的負載變化特性，依據多剛體動力學和多柔體動力學理論建立其剛柔耦合動力學方程，利用有限元分析軟件ANSYS、RecurDyn來進行模擬。通過分析模擬結果，可知機械手各關節驅動力相近，在開采過程中鉆桿和伸縮臂的變形對鉆孔機械手的力學特性影響較小，但是對鉆頭的運動精度影響很大，對鉆頭運轉速度影響較弱。

動力學；掘進機；鉆孔機械手；仿真

1 引言

隨著礦井高產高效的需求，對綜采技術裝備的要求也越來越高，快速巷道掘進已成為一個技術關鍵問題。為了滿足鉆孔機械手自動化工作的需求，本文對機械手進行了動力學分析，以剛柔耦合動力學理論為基礎，利用ANSYS、RecurDyn計算機仿真軟件，對機械手在工作中的動力學響應過程進行了模擬。對巷道鉆孔機械手的自動控制研究提供了一定的參考價值。

2 機械手動力學方程理論

在研究機械手的動力學問題時，可將機械手的運動學模型分解為工作裝置和驅動機構兩部分。為了得到更好的模擬結果，這里假設掘進機本體與地面固定，主要以掘進機回轉臺、截割臂、機械手為研究對象，并且忽略各油缸中液壓油對研究對象產生的影響。分析研究錨桿鉆頭在載荷作用下，關節驅動力的動態響應。

根據拉格朗日—歐拉能量法為建模基本理論，假設機械手各桿均為等截面歐拉梁，如圖1所示。鉆孔機械手各桿的長度為li，各桿的質量為mi。在圖1中，桿1與掘進機本體旋接，這時桿1的重心矢量為：

其中，r01為桿1重心在慣性坐標系OXY中的位置向量，r1為重心在動坐標系O1X1Y1中的位置向量。對式（1）求導，可得到桿1重心的速度方程：

由于桿1是在水平面上回轉運動，因此在這里桿1的勢能為0。桿2的速度、動能可按照桿1的方法得到。在計算桿2的勢能時，可用下式：

同理，可以得到其余剛性桿4、5、6的速度、動能、勢能。

桿3、桿7為柔性桿，與剛性桿的計算過程不同。設桿3質量為m3，長度為l3，密度為ρ3，桿3上任意一點的位置向量可用下式表示：（5）

桿3的勢能包括物體變形的應變能、桿變形導致的重力勢能變化量、桿運動導致的重力勢能變化量，可用下式表示

同理可以得到桿7的速度、動能和勢能。

將動能和勢能代入拉格朗日第二類方程:

得到掘進機機載鉆孔機械手的剛柔耦合動力學方程：

圖1 機械手各桿坐標簡圖

3 多體動力學虛擬實驗研究

3.1 建立實驗模型

在機械手工作過程中，鉆桿剛度較小，會發生較大的變形，而伸縮臂處于懸浮狀態，主要承受機械手的重量同時還承受鉆進的工作阻力，會產生一定的小變形?？紤]到鉆孔機械手復雜的工作過程，因此為了得到更準確的模擬結果就需要建立的虛擬樣機盡量符合實際情況。在這里假設除鉆桿、伸縮臂是柔性桿外，其余各桿均看做是剛性桿，同時不計各運動副之間的摩擦和零部件之間的各運動副的內部間隙。為了節省仿真時間，不考慮錨桿孔內壁對鉆頭穩定性的影響和鏈傳動對整機運動學特性的影響。

建模時首先在ANSYS中對伸縮臂和鉆桿進行網格劃分，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械手鉆力學虛擬試驗模型。鉆孔機械手虛擬試驗模型如圖2所示。

圖2 鉆孔機械手虛擬試驗模型

煤礦井下巷道寬度為5米，高度為4米。設置重力加速度為9806.65mm/s2，背景網格長度、寬度為100。在模擬時，施加驅動按表1所示，施加作用力按表2所示。

表1 RecurDyn中驅動施加

表2 RecurDyn中作用力施加

3.2 虛擬試驗結果分析

翻轉油缸驅動力如圖3所示。將圖中時間分為四個階段，第一階段0～50s為掘進機回轉臺回轉、伸縮臂伸出過程；第二階段50～70s為鉆孔機械手豎起過程；第三階段70～80s為支護液壓缸伸出過程；第四階段80～100s為鉆頭鉆進階段。從圖中可知，在第一階段兩條曲線的數值大小基本相同；在第二階段兩條曲線都成上升趨勢，但數值相差比較大；在第三階段曲線成緩慢上升趨勢；在第四階段在鉆頭隨機阻力作用下，曲線也隨之產生相應頻率變化。

伸縮液壓缸、支護液壓缸、擺動液壓缸驅動力如圖4～6所示，從圖中可以看出，剛柔耦合模型條件下，鉆孔機械手在工作過程中，受力均要比剛性模型的穩定。

圖3 翻轉油缸驅動力圖

圖4 伸縮液壓缸驅動力

圖5 支護液壓缸驅動力圖

圖6 擺動液壓缸驅動扭矩

經上述分析表明，將鉆桿和機械手的柔性加入模擬條件下，在機械手位置調整時，各個油缸均存在波動，波動量較??；在機械手進入支護、鉆孔工作狀態時，各個油缸的波動量較大。

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內鉆頭的速度變化較大，加速度在小范圍波動變化。在第二階段100～140s內，速度出現峰值，加速度也程波動變化，在此時鉆頭的穩定性較差，定位困難。在第三階段140～160s內，為支護液壓缸工作，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，隨著鉆頭隨機阻力的作用，速度存在一定波動，整體成拋物線狀，加速度出現較大波動。

圖7 鉆頭位移

圖8 鉆頭速度

圖9 鉆頭加速度

4 結論

通過對掘進機鉆孔機械手剛柔耦合模型的仿真分析，可知伸縮臂和鉆桿的柔性變形在位置調整階段對各關節的驅動力影響較小，在鉆進工作階段影響較大。柔性變形對位移也產生了較大的影響，使鉆頭的運動精度產生一定程度的偏差，然而對鉆頭的速度和加速度影響相對較弱。

[1]王亮，霍紅義，李志斌，等.煤巷掘進機加裝液壓鉆臂系統實現掘錨一體化[J].煤炭科學技術，2010(6)：74-78.

[2]宋寶新.機載錨桿鉆機機構動力學研究與參數優化[D].遼寧工程技術大學，2012.

TD421.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0047-03

翟悅（1999-），女，吉林長春，長春師范大學學生，研究方向：數學模型應用。