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l 必圳唧必必㈣ 煤炭科学研夯总院 Y 3 712 8 9 5黼凝忑嚣揣- 嚣端； 硕士学位论文 作者姓名刘传杰 学科专业机械设计及理论 导师姓名王腾研究员 完成时间二。二。年五月二十五日 万方数据 ＼嗍嬲 C h i n aC O a IR e S e a r C hln S t i t U t e Adi S S e r t a t i O nf O rm a S t e r ’Sd e g r e e R e S e a r C ho nt h eO p t i m i Z a t i o n D e S i g nM e t h o dO fW o r k in g D e v i C eo fT U n n e IR e p a i r i n g M a C h i n eU n d e rS p a C e C o n S t r a in t S A u t h o r ’sN 狮e C h u 删i e L i u s p e c i a l 时M a c h i n eD e s i g l l a n dT h e o 巧 S u p e r v i s o r P r o f ．T e n gV 派m g F i n i s h e dt i m e M a y2 5 m ，2 0 2 0 万方数据 中图分类号 U D C6 2 1 T D 4 l学校代码 密 8 3 3 0 1 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 空间约束下的巷道修复机工作装置优化设 计方法研究 R e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o nD e s i g n M e t h o do f W r o r k i n g D e V i c eo f №e l R e p a i r i n gM a c h i n e u n d e r S p a c eC o n s t r a i n t s 申请学位王堂亟培养单位太愿研究院 学科专业机越设让厦理论研究方向芷山机械佳动与控制 答辩委员会主席王望亮论文答辩日期2 Q 2 Q 生墨且】皇目． 二。二。年五月 万方数据 钞煤岌斛学酿究总睨 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文空间约束下的巷道修复机工作装置优化设计方法 研究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取 得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签名蜘f 垄屯日期如h 年夕月够日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 空间约束下的巷道修复机工作装置优化设计方法研究系本人在煤炭科学研究总院攻 读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总院所有，本 论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究总院关于保存、使 用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被 查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知 识资源总库。本人授权煤炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密d 作者签名颤- J 任煮，日期刀矽年罗月够日 新签名铂日期肋年r 月≯7 日 万方数据 摘要 摘要 巷道修复机是专门用于井下煤矿开采以及巷道修复的设备，因其结构紧凑、 工作效率高、适应性强以及安全性高等特点，在煤矿开采行业得到了广泛的应用。 受井下空间环境的限制，要求在有限巷道高度下，反铲工作臂满足一定的卸料高 度，而常规的工程机械工作臂不能满足要求。针对该类问题，本文首先对两节臂 和三节臂对受限空间的适应性进行了研究，并对其进行机构优化并对比分析，从 而选择更合适的设计方案，得出三节臂更适合井下特殊环境的结论。在保证其结 构强度与刚度的前提下，通过尺寸优化和拓扑优化相结合的方法，尽可能的减少 其质量。主要研究内容和结论如下 1 导出了两节臂和三节臂目标函数及约束条件表达式。采用D ．H 齐次变换 矩阵法分别建立了两节臂反铲工作装置和三节臂反铲工作装置的运动学模型，并 对其进行了运动学分析，从而得出各铰点之间的位姿关系，推导了边界约束的表 达式；同时也对两节臂反铲工作装置和三节臂反铲工作装置的最大整机理论挖掘 力进行了推导，导出了非线性、多变量的目标函数表达式。 2 反铲工作装置结构适应性研究。建立了两节臂和三节臂结构与巷道高度 卸料高度的几何关系；然后建立了反铲工作装置基于挖掘力的优化目标函数以及 约束条件表达式，建立了反铲工作装置机构优化数学模型。分别对两节臂反铲工 作装置和三节臂反铲工作装置进行了工作范围适应性研究，在巷道高度2 ．5 0 米 以上时，在f ≤O ．5 9 范围内，二节臂有解，在f ≤O ．6 9 范围内，三节臂有解。三节 臂比二节臂适应范围更广。 3 分析了优化结果的关键影响因素。对三节臂反铲工作装置机构优化的影 响因素进行了分析，得出了影响三节臂反铲工作装置的关键约束条件，研究表明， 卸料高度与巷道高度对三节臂优化结果具有显著影响，巷道高度越高，卸料高度 越低，则三节臂反铲工作装置的挖掘力越大。典型的三节臂算例表明，优化后， 动臂长度减少8 ．9 ‰中间臂增加4 7 ．9 ％，斗杆减少1 8 ．7 ％，挖掘力提高9 ．4 ％。 4 完成了三节臂反铲工作装置的结构优化。在机构优化的基础上，对优化 后的三节臂反铲工作装置进行了尺寸优化以及拓扑优化，导出了尺寸优化和拓扑 优化的数学模型，在满足其强度要求的前提下，完成三节臂的结构优化。算例计 算表明，动臂质量减少1 6 ．9 3 ％，中间臂质量减少1 9 ．7 4 ％，斗杆质量减少1 7 ．8 7 ％， 并改善了受力情况。 关键词巷道修复机；D ．H 齐次变换矩阵法；机构优化；尺寸优化；拓扑优化 万方数据 l I 万方数据 A b s 仃a c t A B S T R A C T T h er o a d w a yI ．印a i r i I l gm a c h i n ei s s p e c i a l l yu s e df o ru n d e r g r o u n dc o a lm i n i n g a n dt u l l l l e l r e p a i r i n g ，b e c a u s e o fi t s c o m p a c ts t l l l c t u r e ，h i g he 佑c i e n c y ，s 仃o n g a d a p t a b i l 时a n dh i 曲s e c u r i 吼i th a sb e e nw i d e l yu s e di nc o a lm i n i n gi n d u s t ⅨD u et o t h el i m i t a t i o no fu n d e r 纩o u n ds p a c ee n v i r 0 I l 】m e n t ，t h eb a C k h o e w o f k i n ga m i sr e q u i r e d t om e e tt h ec e n a i nl o a d i n gh e i g h tu n d e rt h el i m i t e dh e i g h t ，w h i l et h ec o n v e n t i o n a l w o r k i n g 撇c a m o t m e e tt h er e q u i r e m e n t s ．h lo r d e rt os o l V et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e r f i r s ts t l l d i e st h ea d 印t a b i l i t yo ft w o 黝a n dt h r e ea n nt ot h e1 i m i t e ds p a c e ，a n dt h e n o p t i m i z e sm em e c h a n i s ma n dm a k e saa n a l y s i s ，s oa st 0c h o o s eam o r es u i t a b l ed e s i g n s c h e m e ，a n do b t a i n st h a tt h et h r e ea m li sm o r es u i t a b l ef o rt h es p e c i a lu n d e r g r o u n d e n V i r o 啪e n t ．o nm ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h es t I I e n 舀ha n dr i g i d i t ，o ft h es t m c t u r c ，t h e c o m b i n a t i o no fs i z eo p t i m i z a t i o na J l dt o p o l o g yo p t i m i z a t i o na r eu s e dt or e d u c et h e m a s so ft h es t n l c t u r ea sm u c ha sp o s s i b l e ． T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r es u n l r n 撕z e da sf - o l l o w s 1 T h eo b j e c t i V em n c t i o n 锄dc o n s 仃a i n te x p r e s s i o no ft w oa n dm r e e 锄sa r e d e r i v e d ．T h ek i n e m a t i cm o d e l so f 铆oa n nb a c l h o ea n dt h r e ea mb a c k h o ea r e e s t a b l i s h e db yu s i n gm eD Hh o m o g e n e o u st r a l l s f ．o n I l a t i o nm a t r i xm e t h o d ，孤dt h e k i n e m a t i ca n a I y s i so f t h e mi sc a r r i e do u t ，s oa st oo b t a i nt h e p o s i t i o nr e l a t i o n s h i p b e 觚e e nt h eh i n g ep o i n t s ，a n dt h ee x p r e s s i o no f b o u n d a 巧c o n s t r a i n ti sd e r i v e d ；A tt h e s a m et i m e ，t h em a 【觚t h e o r e t i c a ld i g g i n gf ．o r C eo f 锕。锄b a c l 1 l o ew o r k i n gd e v i c e a I l dt h r e ea mb a c l d l o ew o d 【i 1 1 9d e V i c ei sd e d u c e d ，a I l dt h eo b j c c t i V e 劬c t i o n e x p r e s s i o nw i t hn o n l i n e a ra I l d 如【u l t i V a r i a b l ep o i n t si sd 甜V e d ． 2 T h es t m c t u r ea d a p t a b 订毋o f b a c l 1 l o ew o r k i n gd e v i c ew a ss t l l d i e d ．T h e g e o m e t r i cr e l a t i o n s h i pb e 觚e e nt h es t m c t u r eo ft w o 踟na n dt h r e ea n na n dt h eh e i g h t o ft h er o a d w a yi se s t a b l i s h e d ；t h e nt h ee x p r e s s i o no fo b je c t i v e 如n c t i o n 锄dc o n s 订a i n t c o n d i t i o n so ft h eb a c 曲o ew o r k i n gd e v i c eb a s e do nt h ee X c a v a t i o nf b r c ea r c e s t a b l i s h e d ，a 1 1 dt h e 叩t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb a c k h o ew m 垴n gd e V i c e m e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d ．T h ea d a p t a b i I i 够o f 铆oa m lb a c l 1 l o ea n dt h r e ea m b a c k h o ea r es t u d i e d ．W h e nt h er o a d w a yh e i g h ti sm o r et h a I l2 ．5 m ，t h et w oa r mi s b r o k e ni nt h er a n g eo f f ≤0 ．5 9 ，t h r e e 锄ni sb r o k e ni nt h er a I l g eo f f ≤O ．6 9 ．T h en u ．e e a n nh a saw i d e ra d a p t i V er a n g et l l 锄t h et w o 锄． 3 T h ek e yf a c t o r Si n f l u e n c i n gt h e0 p t i m i z a t i 伽r c s u l t sa r ea n a l y z e d ．T h e i n n u e n c i n gf a c t o r so f t h em e c h 锄i s mo p t i m i z a t i o no f t h et h r e ea r mb a c k h o ew o r k i n g d e v i c ea r ea n a l y z e d ，觚dt h ek e yc o n s t r a i n tc o n d i t i o n st h a ta f l ’e c tt h et h r e e 栅 I l I 万方数据 A b s t r a c t b a c k h o ew o r k i n gd e V i c ei so b t a i n e d ．T h er e s e a r c hs h o w st h a tt h eu n l o a d i n gh e i g h ta n d t h er o a d w a yh e i g h th a V eas i 嘶f i c a n ti m p a c to nt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so ft h et h r e e a n I lb a c l 【l l o ew o r k i n gd e V i c e ．T h er o a d w a yh e i g h ti sh i 曲e ra n dt h eu I l l o a d i n gh e i 曲t i sl o w e r ’t h ed i g g i n gf o r c eo ft h et h r e ea mb a c k h o ew o r k i n gd e V i c ei sg r e a t e r ．I ts h o w s t h a ta 1 F t e ro p t i m i z a t i o n ，t h eb o o ml 明g t hd e c r e a s e sb y8 ．9 ％，t h ei n t e n n e d i a t ea m i 1 1 c r e a s e sb y4 7 ．9 ％，t h ea md e c r e a s e sb y18 ．7 ％a n dt h ed i g g i I l gf ．o r c ei n c r e a s e sb y 9 ．4 ％． 4 T h es t n J c t u r eo p t i m i z a t i o no f t h r e ea 肌b a c k h o ew o r k i n gd e V i c ei s c o m p l e t e d ．O nt h eb a s i so fm e c h a n i s m0 p t i m i z a t i o n ，t h es i z e 叩t i m i z a t i o n 锄d t o p o l o g yo p t i m i z a t i o no f t h eo p t i m i z e dt h r e ea r mb a c k h o ew o r k i n gd e v i c ea r ec 枷e d o 毗，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f s i z e0 p t i m 讫a t i o n 锄dt o p o l o g yo p t i m i Z a t i o na r e d e r i V e d ．o nt h ep r e m i s eo f m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fs 仃l m g t h ，t h es t m c t u r a l o p t i m i z a t i o no ft h r e e 锄si sc 伽叩1 e t e d ．A R e ro p t i m i z a t i o n ，t h em a s so fb o o mi s r e d u c e db y16 ．9 3 ％，t h em a s so fi n t e m l e d i a t ea mi sr e d u c e db y19 ．7 4 ％，t h em a s so f a m li sr e d u c e db y17 ．8 7 ％，t h eo V e r a 玎m a s si sr e d u c e db yl7 ．9 7 ％a n dt h es t r e s si s i m 【p r o v e d ． 1 e yw o r d s r o a d w a yr e p a i r i n gm a c h i l l e ；D - Hh o m o g e n e o u s 仃a n s f o m a t i o nm a 仃i x m e t h o d ；m e c h 锄i s m0 p t i m i z a l i o n ；s i z e0 p t i m i z a t i 蚰；t o p o l o g y0 p t i m i z a t i 伽 I V 万方数据 目录 目录 符号和缩写词表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅷ 1 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．1 巷道修复机研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．2 工作装置研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 结构优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 本文研究内容及章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 三节臂反铲工作装置机构优化问题建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯lo 2 ．1 机构优化理论概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯lO 2 ．2 优化目标及约束条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 优化目标的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．2 ．2 约束条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 优化算法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 2 ．4 三节臂边界约束建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 2 ．4 ．1n H 齐次变换矩阵简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．4 ．2 三节臂反铲工作装置运动学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l7 2 ．4 ．3 三节臂边界约束方程建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．5 三节臂整机最大挖掘力的分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．5 ．1 工作油缸的理论挖掘力分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 2 ．5 ．2 整机理论挖掘力分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．6 三节臂优化问题数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．6 ．1 目标函数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 2 ．6 ．2 约束条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 两节臂反铲工作装置机构优化问题建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 V 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．2 两节臂边界约束方程建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．3 两节臂整机最大挖掘力分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 两节臂机构优化数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 优化结果及影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 优化前后的结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．1 三节臂优化前后的结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1 ．2 两节臂优化前后的结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 ．3 设计方案的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 三节臂空间约束的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．1 巷道高度的约束对优化结果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 ．2 最大卸料高度的约束对优化结果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 ．3 最大挖掘深度的约束对优化结果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l 4 ．2 ．4 最大挖掘半径的约束对优化结果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．5 综合影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3 三节臂设计变量对挖掘力和工作范围的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 彳G 的长度对挖掘力以及工作装置工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．2 脚的长度对挖掘力以及工作装置工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．3C 尸的长度对挖掘力以及工作装置工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．4 肷的长度对铲斗油缸挖掘力以及工作装置工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 三节臂反铲工作装置结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 结构优化理论概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 挖掘过程受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 5 ．3 尺寸优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．3 ．1 尺寸优化数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．3 ．2 尺寸优化分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．3 ．3 尺寸优化结果验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．4 拓扑优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．4 ．1 拓扑优化方法选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 Ⅵ 万方数据 目录 5 ．4 ．3 拓扑优化分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 5 ．4 ．4 拓扑优化结果强度校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．1 主要研究结论及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．2 文章不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 ⅥI 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 符号和缩写词表 T a b l eo fs y m b o l sa I l da b b r e V i a t i o n s 符号／缩写意义 尺的 g 俩 办鹕 G A S A G A P D ．H 法 口j ∞ d j 。e i 崩Ⅻ，飓m ，飓Ⅲ，R ㈣ 凡3 ，凡 F 、，F 2 ，F 3 ， R l ，＆，如，肠 尸l Ⅻ，P 2 Ⅻ，乃㈣，S Ⅻ 目标函数 不等式约束 等式约束 遗传算法 模拟退火算法 遗传算法中的代沟 用于控制每代中种群被 替换的比例 四参数法 D ．H 法坐标系中的连杆长度、扭角 D ．H 法坐标系中的两连杆距离、夹角 三节臂最大挖掘深度、挖掘高度、卸料高度、 挖掘半径 三节臂斗杆、铲斗油缸理论挖掘力 三节臂动臂、中间臂、斗杆、铲斗油缸理论 推力 三节臂动臂、中间臂、斗杆、铲斗油缸闭锁 能力对挖掘力限制时的挖掘力 三节臂整机理论挖掘力 三节臂工作装置安装位置距地面高度 设定的最大挖掘深度、挖掘高度、卸料高度、 巷道高度值 两节臂最大挖掘深度、挖掘高度、卸料高度、 挖掘半径 两节臂铲斗、斗杆、动臂油缸闭锁能力对挖 掘力限制时的挖掘力 两节臂整机理论挖掘力 两节臂工作装置安装位置距地面高度 卸料高度与巷道高度的比值 材料的应力 应力安全系数 ⅥI I 协，D，C，口 Z ，F 三彳 ‰2氏R 凡d，盯疗 万方数据 1 绪论 1 ．1 选题背景及意义 我国煤矿开采主要是井下开采的形式，因此需要在井下开辟巷道，而巷道作 为井下煤矿开采系统的基本单元，其安全性和可靠性是保证煤矿开采工作的基 础。近年来煤矿开采的强度不断增加，巷道围岩变形以及破坏的问题变得越来越 突出，这严重影响了井下煤矿开采工作的安全和正常进行【l 】。随着巷道采掘深度 的不断增加，巷道围岩的变形及破坏程度越来越大，修复的周期也越来越短。巷 道 包括顺槽 破坏的具体表现如下【2 】 ． 1 喷网层脱离，顶部下沉、形成底鼓。用锚网支护的巷道在拱肩处产生 剪切变形的现象，在喷网层处发生脱离的现象，在底脚处产生内挤的现象，在底 板处产生底鼓现象，这些现象使巷道的断面收缩率不断增大，从而使巷道无法满 足安全使用的要求。 2 支架扭曲破坏，形成尖顶。将型钢作为支架的巷道，其破坏现象主要 为支架的扭曲变形、内挤、下插底板以及形成尖顶；这些现象使得安装在支架周 围的背板和金属网不能有效地限制围岩的变形，从而导致支架折断、扭曲以及外 露。 现阶段，为解决巷道底鼓的问题，主要是通过人工修复或使用装载机、挖掘 机等非专用设备的形式，不但费时费力，而且修复成型效果差，并且还会破坏围 岩。巷道修复机是专门用于煤矿井下巷道修复的专用设备，可以有效的修复变形 的煤巷或岩巷，能够大幅度提升巷道修复的机械化水平，进而促进我国煤矿井下 巷道围岩控制技术的进一步发展，从而使井下开采工作的安全以及效率得到保 证，并推动了煤炭行业技术的发展【1 】。 因此，煤矿井下变形的巷道需要多功能高效的巷道修复机。巷道修复机一般 由动力部分 电动机或发动机 、履带行走部、驾驶操纵以及反铲工作装置等组 成【3 】。而反铲工作装置是巷道修复机主要组成部分之一，是直接完成挖底、刷帮、 挑顶以及废旧物料的装运转载等工作的装置。同时，使用巷道修复机具有以下优 势[ 3 】 1 提高效率，节省人力和降低成本。巷道修复机的机身部分结构紧凑， 扒取范围广，能够完成全断面装载转运工作，而且不需要工人辅助清理巷道，极 大地节省了人力资源，降低了工人的劳动强度。 2 安全可靠性高。机械修复与人工修复相比有较大的优势，机械修复能 1 万方数据 l 绪论 够做到及时刷扩以及支护，缩短了顶板的空顶时间，避免巷道施工人员与巷道围 岩进行近距离接触，巷道内工作人员的安全性得到了提高。 3 适应性强。巷道修复机装备着履带行走机构，能够适应狭小的巷道工 作空间，行走灵活，适应性强。 由于巷道宽度受到限制，巷道修复机一般没配有运送物料的刮板输送机。在 卸料过程中，工作装置需要在保证物料不撒落的情况下，将物料装入料斗车，因 而巷道修复机采用了后退式卸料和侧面卸料两种卸料方式。如图1 ．1 ～1 ．2 所示， 是巷道修复机的后退式卸料和侧面卸料的两种卸料方式。图1 ．1 表示的是巷道修 复机后退式卸料的方式，后退式卸料是指巷道修复机从巷道口后退进入巷道，而 料斗车面向巷道向外开出运料；图1 ．2 表示的是巷道修复机侧面卸料的方式，侧 面卸料是指将物料搬运到放置在巷道修复机一侧的料斗车里完成卸料，再由料斗 车将物料运送出去。 图1 ．1 巷道修复机后退式卸料方式示意图 F i g ．1 ．1D i a g r a mo fb a c kd i s c h a r g eo fr o a d w a yr e p a i r i n gm a c h i n e ，／，，／f7 ，，，／，／，，，，，，，，，，，，，，，，，／0M 歪篓 憾 扭匿 舞 萎 篷垒 榔 甏广1 I 广一 | | _ ，，，，，，，，，／，，，印 I ≥，，／，， ，，，／，，，，，，，，，，， 巷惨机与矿车间距 证d 醛 一 巷道宽度 一 憾 图1 ．2 巷道修复机侧面卸料方式示意图 F i g ．1 ．2D j a g r a m o fs i d ed i s c h a r g eo fr o a d w a y r e p a ir i n gm a c h i n e 图1 ．1 中，1 、2 、3 、4 表示动臂、中间臂、斗杆和铲斗；5 、6 、7 、8 表示 动臂油缸、中间臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸；9 表示料斗车。动臂即与滑动铰 2 万方数据 l 绪论 接处相连的工作臂，斗杆则是与铲斗相连接的工作臂，而中间臂则是连接动臂与 斗杆的中间连接机构，动臂、斗杆、中间臂和铲斗一起构成巷道修复机的工作装 置。与动臂、中间臂、斗杆和铲斗相连接的油缸则为动臂油缸、中间臂油缸、斗 杆油缸和铲斗油缸，工作装置通过油缸的伸缩来完成挖掘、装载等动作。 目前工程机械中，常用的反铲工作装置有两节臂，伸缩臂以及三节臂结构。 两节臂 动臂为整体式弯动臂 挖掘性能好、作业范围广，但工作装置占用 空间较大，巷道高度受限时无法满足工作要求；伸缩臂 伸缩臂套装在固定臂之 外的动臂 结构紧凑，布置方便，防护性好，但挖掘作业范围相对较小；三节臂 采用辅助油缸的组合式动臂 作业范围广、挖掘性能好，而且结构紧凑【4 1 。 因此，采用三节臂形式的工作装置有可能满足煤矿井下巷道修复机特殊的工 况要求。而且三节臂相对于两节臂，有如下优点【4 】 1 重心后移更安全。中间臂收回之后，整个设备的重心向后移动，因而驾 驶操作更稳。 2 收缩状态更灵活。中间臂收回之后，整个设备的长度变短，因而作业更 加灵活。 3 作业范围更加灵活。采用三节臂的设计，可以根据巷道大小变化，调节 工作臂的高度，避免与顶板接触，从而使巷道修复机能够在不同高度的断面内灵 活工作。 三节臂工作装置的动臂油缸布置有支撑式和悬挂式两种。油缸布置为悬挂式 的工作装置，工作时，油缸能充分发挥主动力，挖掘力较大，但是挖掘高度和卸 料高度较小；油缸布置为支撑式的工作装置，挖掘力相对较小，但是挖掘高度和 卸料高度较大【4 】。为了在巷道高度受限的情况下，使工作装置的卸料高度满足要 求，而且结构尽可能紧凑，所以选用油缸布置为支撑式的工作装置。 图1 ．3 支撑式动臂油缸示意图 F i g ．1 ．3D i a g l ‘a n lo rt h es u p p o r t c db o o n lc y l i l l d e l ． 图1 ．4 悬挂式动臂油缸示意图 F i g ．1 ．4D i a g l _ a n lo ft 1 1 eh a n g i n gb o o l l lc y I i n d e I _ 煤矿井下要求在有限的巷道高度下实现卸料工作，而目前的工程机械反铲工 作装置不能满足巷道修复的工作空间要求，即卸料时，动臂容易触顶物料不能转 载到矿车上，再者，斗杆臂过短，影响挖掘深度。为满足井下特殊的工作环境要 求，本文对两节臂和三节臂两种较常见的结构形式进行机构优化，然后对其工作 3 万方数据 1 绪论 范围适应性进行对比分析，选择一种更加合适的设计方案，然后再对其进行结构 优化，提出一种反铲工作装置的设计理论和方法。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 巷道修复机研究现状 近年来，国外相关企业已经展开了巷道修复设备的技术研究，以德国哈
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