液压组合钻机联合作业平台的研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 硕士工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 液压组合钻机联合作业平台的研究 课题来源* 其他 论文类型 在[ ]内打 “√” [ ]产品研发 [√ ]工程设计 [ ]应用研究 [ ]工程/项目管理 [ ]调研报告 [ ]基础研究 论文答辩日期 2020 年 6 月 10 日 答辩秘书 王彦栋 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 寇子明 教 授 博导 太原理工大学 答辩委员 1 高贵军 教 授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 李军霞 教 授 博导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家社 科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项目、 省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 万方数据 万方数据 摘 要 I 摘 要 锚杆钻机是维护煤矿可持续发展、提高煤矿开采效率的重要机械装备。 据不完全统计，最近几年，锚杆支护逐渐成为煤矿巷道中常用形式。在煤 矿巷道支护中的使用比例接近 100，使其成为可靠性强，安全性高的锚固 技术。随着煤矿开采的深入，锚杆支护设备工况日益复杂恶劣。目前锚杆 钻机在重载，大偏载工况下完成锚固支护工作仍然十分困难。因此，对于 液压组合钻机联合作业平台的设计研究具有重要的意义。 首先，介绍了该平台的组成，并绘制了不同工况下的三维模型。介绍 了钻机平台的液压系统，结合不同工况，阐述了液压系统中的回路设计。 其中主要包括，履带行走液压回路，左右帮锚液压回路，以及顶锚液压回 路，并对其负载敏感多路阀进行简单的原理介绍。之后介绍了电气控制系 统的组成，并设计了电控系统遥控组件，并分别对其功能进行简单介绍。 其次，在 AMESim 软件中对顶锚液压回路建模，首先对补偿阀进行建 模，并对其进行仿真计算。之后对负载敏感阀进行建模，并简单介绍了负 载敏感阀的工作原理。然后对变量泵进行建模，并对其进行动静态仿真验 证。完成上述关键元件建模之后，建立单油缸阀泵组合模型，验证模型的 正确性。为顶锚液压回路建模做好铺垫。在顶锚液压回路仿真模型中，设 置三组不同的负载值，得到了顶锚钻机油缸的位移以及速度变化规律。 最后，设计了电气控制系统，主要包含钻机平台与掘进机配合控制回 路、左右帮锚控制回路、顶锚控制回路、系统登陆模块以及系统监控模块 等。分析了不同模块下具体的程序设计以及界面设计。并试验了液压组合 钻机联合作业平台的同步性，按照井下模拟巷道的操作要求进行试验。首 先进行顶锚的单独试验，通过单台顶锚钻机的试验，测出每台顶锚钻机的 电控设定额定流量的百分比。在设定额定流量百分比之后，开始顶锚的同 步性试验。之后对左右帮锚的可靠性进行试验，确保整个液压组合钻机联 合作业平台的实用性和可靠性。实验首先根据工作流程及实时环境，标定 液压系统的主要参数。然后，对左右帮锚进行试验。 关键词关键词组合式；钻机平台；AMESim 液压仿真；程序设计 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 II 万方数据 ABSTRACT III ABSTRACT Bolt drill is an important mechanical equipment to maintain the sustainable development of coal mine and improve the mining efficiency. According to incomplete statistics, in recent years, bolt support has gradually become a common of surrounding rock in coal mines. The proportion of application in the support of coal mine roadway is close to 100, which makes it become the anchorage technology with strong reliability and high safety. With the development of coal mining, the working condition of bolt support equipment is becoming more and more complex. The existing bolt support equipment restricts the efficient production of modern mining. Therefore, it is of great significance for the design and research of the combined bolt drilling machine. First, the composition of the plat is introduced, and three-dimensional models under different working conditions are drawn. This paper introduces the hydraulic system of the rig plat, and expounds the circuit design of the hydraulic system in combination with different working conditions. It mainly includes crawler walking hydraulic circuit, left and right side anchor hydraulic circuit, and top anchor hydraulic circuit, and introduces the principle of its load sensitive multi-channel valve. After that, the composition of the electric control system is introduced, and the remote control components of the electric control system are designed, and their functions are briefly introduced. Secondly, the hydraulic circuit of the top anchor is modeled in AMESim software. Firstly, the compensation valve is modeled and simulated. Then the load sensitive valve is modeled, and the working principle of the load sensitive valve is introduced. Then the variable displacement pump is modeled and validated by static simulation. After the key components are modeled, the single cylinder valve pump combination model is established to verify the correctness of the model. Lay a good foundation for the modeling of the top anchor hydraulic circuit. In the simulation model of the hydraulic circuit of the top anchor, three groups of different load values are set up, and the displacement and speed change rules of the oil cylinder of the top anchor drilling machine are obtained. Finally, the electrical control system is designed, which mainly includes the 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 IV cooperation control circuit between the drilling plat and the road header, the left and right side anchor control circuit, the top anchor control circuit, the system landing module and the system monitoring module. The specific program design and interface design under different modules are analyzed. At the same time, the synchronicity of the combined working plat of the hydraulic combined drilling machine is tested, and the test is carried out according to the operation requirements of the underground simulation tunnel. First, the independent test of the top anchor is carried out. Through the test of a single top anchor drill, the percentage of the rated flow set by the electric control of each top anchor drill is measured. After setting the rated flow percentage, start the synchronization test of the top anchor. After that, the reliability of the left and right-side anchors is tested to ensure the practicability and reliability of the combined operation plat. Firstly, the main parameters of the hydraulic system are calibrated according to the working process and real-time environment. Then, the left and right side anchors are tested. Key Words Combined; Drilling rig plat; AMESim hydraulic simulation; Program design 万方数据 目 录 V 目 录 摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 目 录 ....................................................................................................................................... V 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ............................................................................................................. 1 1.1.1 研究背景 .................................................................................................................. 1 1.1.2 研究意义 .................................................................................................................. 2 1.2 组合钻机的发展动态及研究现状 ................................................................................. 2 1.2.1 组合钻机发展动态 .................................................................................................. 2 1.2.2 组合钻机国外研究现状 .......................................................................................... 7 1.2.3 组合钻机国内研究现状 .......................................................................................... 7 1.3 课题研究内容与技术路线 ............................................................................................. 9 1.3.1 课题研究内容 .......................................................................................................... 9 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................. 9 1.4 小结 ............................................................................................................................... 10 第二章 液压组合钻机联合作业平台总体方案设计 ............................................................ 11 2.1 液压组合钻机联合作业平台整体设计 ....................................................................... 11 2.1.1 作业环境及设计要求 ............................................................................................ 11 2.1.2 液压组合钻机联合作业平台机构设计 ................................................................ 11 2.1.3 液压组合钻机联合作业平台各部分工作流程 .................................................... 14 2.2 液压系统设计 ............................................................................................................... 17 2.2.1 履带行走液压回路设计 ........................................................................................ 19 2.2.2 左右帮锚液压回路设计 ........................................................................................ 20 2.2.3 顶锚液压回路设计 ................................................................................................ 20 2.2.4 负载敏感多路阀 .................................................................................................... 21 2.3 液压组合钻机联合作业平台电控系统设计 ............................................................... 24 2.3.1 电控系统组成 ........................................................................................................ 24 2.3.2 电控系统遥控组件设计 ........................................................................................ 25 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VI 2.4 小结 ............................................................................................................................... 28 第三章 顶锚液压回路仿真研究 ............................................................................................ 31 3.1 AMESim 软件介绍........................................................................................................ 31 3.2 液压系统仿真建模 ....................................................................................................... 32 3.2.1 液压元件建模介绍 ................................................................................................ 32 3.2.2 负载敏感泵阀联合仿真 ........................................................................................ 41 3.3 顶锚同步钻进仿真分析 ............................................................................................... 43 3.4 小结 ............................................................................................................................... 50 第四章 液压组合钻机联合作业平台电控系统软件设计 .................................................... 53 4.1 CoDeSys 软件平台介绍与搭建.................................................................................... 53 4.1.1 创建配置工程 ........................................................................................................ 54 4.1.2 电控系统软件设计结构 ........................................................................................ 55 4.2 软件程序设计 ............................................................................................................... 56 4.2.1 参数模块设计 ........................................................................................................ 56 4.2.2 液压组合钻机联合作业平台与掘进机配合控制流程 ........................................ 58 4.2.3 液压组合钻机联合作业平台的顶锚钻机控制流程 ............................................ 59 4.2.4 液压组合钻机联合作业平台的左右帮锚控制流程 ............................................ 61 4.3 小结 ............................................................................................................................... 62 第五章 工业性模拟巷道试验 ................................................................................................ 63 5.1 工业性模拟试验准备 ................................................................................................... 63 5.1.1 液压组合钻机联合作业平台巷道环境模拟 ........................................................ 63 5.1.2 材料准备 ................................................................................................................ 63 5.2 试验系统设计 ............................................................................................................... 65 5.2.1 液压组合钻机联合作业平台试验设备布置 ........................................................ 65 5.2.2 试验流程设计 ........................................................................................................ 66 5.3 顶锚的同步性试验研究 ............................................................................................... 67 5.3.1 顶锚单独试验 ........................................................................................................ 67 5.3.2 顶锚同步试验 ........................................................................................................ 68 5.4 左右帮锚可靠性试验 ................................................................................................... 70 5.5 小结 ............................................................................................................................... 72 万方数据 目 录 VII 第六章 结论与展望 ................................................................................................................ 73 6.1 结论 ............................................................................................................................... 73 6.2 展望 ............................................................................................................................... 73 参考文献 .................................................................................................................................. 75 攻读学位期间取得的科研成果 .............................................................................................. 79 致谢 .......................................................................................................................................... 81 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VIII 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 时至今日，中国已经成为世界范围内最大的煤炭资源开采国和消费国，之所以会出 现这种情况，其主要原因在于我国独有的能源结构存在显著的特殊性，从而导致煤炭资 源始终是我国能源消耗的重心。世界上很少有国家是以煤资源作为主要能源，中国的产 煤总量占世界的 37，是世界第一产煤大国。因此，煤炭资源是我国国民经济发展和社 会经济发展的重要支柱。长期以来，煤炭能源在我国商品能源中占据的份额始终保持在 三分之二左右，几乎全国 70的化学工业原料与民用商品生产所需的能源中以及接近 80的发电量都来自于煤炭资源[1]。由此可以看出，煤炭资源在我国能源结构中占据了 重要地位。煤炭资源的开采与加工对于国家未来的能源战略安全至关重要，能够持续影 响国民经济的发展速度以及社会的稳定发展[2]。其中，最重要的一个环节是井下煤矿生 产，锚杆支护具有多种功能，能够实现巷道强度的显著提升，确保巷道围岩表现出较强 的稳定性，便于操作，不会花费较多的成本，反应速率相对较高，提升矿工在井下巷道 的工作环境，提高生产的安全性，间接影响矿井的生产收益和经济效益，锚杆支护在世 界范围内得到了普及[3]。 在锚杆安装过程中，锚杆钻机作为其关键设备，通过矿工操作钻机进行锚杆安装， 起到煤层支护效果，降低支护成本，加快巷道成型速度，减轻工人劳动强度等方面具有 显著影响。国内外对组合钻机的研究，不具备高自动化水平，在生产过程中容易出现机 械故障。其中，组合钻机刚开始由国外研究者首次提出，相继开始尝试设备的研发与设 计，并投入生产。需要明确的是，我国工业化发展的进程相对较慢，自动化水平与先进 的发达国家相比相对较低，资料显示，直到在 20 世纪 70 年代，中国才陆续开始进行研 制。从支腿式气动钻机到单体气动钻机，最后到液压组合钻机[4]。国内外对组合钻机仍 然处于研制阶段，不能够满足国内煤矿矿井巷道支护的要求。 截止目前为止，组合钻机主要由移动机构和钻机两部分组成，移动机构用来保证其 在巷道内安全运行，钻机对锚杆进行安装[5]。现有对移动机构采用是基于液压驱动履带 式移动机构，能够适应复杂的工况环境。钻机采用的是液压回转式，具备扭矩大，适应 能力强，液压动力系统受外界环境影响较小。因此，基于液压驱动的履带式组合钻机将 两者有点集成一体，大大提高其在工作环境的稳定性。 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 2 组合钻机的工作性能取与钻机结构稳定性之间存在密切的联系，此外还会受到钻机 技术可靠性的直接影响，以及液压系统可操作性高低的干预，需要明确的是，钻机技术 自身表现出来的可靠性能够对钻机性能造成非常显著的影响，是不可或缺的重要组成部 分[6]。对于锚固钻进系统来讲，可将其视为是锚固钻机正常运行的执行部件，其功能在 于执行自动钻进，装填，杆加载，混合，紧固等一系列过程。为提高支撑效率，必须确 保一次形成钻孔螺栓的安装孔[7]。 由于钻臂的长度会受到限制， 再加上顶板高度的约束， 使得类型单一的钻机通常无法在规定时间内有效完成艰巨的任务。在这种情况下，需要 对机构进行优化与改进，设计出满足规定时间内，完成最大给进行程的功能需求，同时 体现出较强的灵活性，可以基于实际情况做出相应的反应和调整。此外，完成组合钻机 的整体设计后，应该对部分重要的结构参数进行合理的设置，确保关键性能参数体现较 高的匹配度，完成钻头的优化设计，实现钻头耐磨性的显著提升，不断提高钻机的综合 性能，这是非常重要[8]。 1.1.2 研究意义 本文提出的液压组合钻机联合作业平台是基于煤矿工程机械的设计方法，确定了液 压组合钻机联合作业平台的旋转机构，履带移动机构，进给机构以及液压系统相关的重 要参数， 同时基于 SolidWorks 3D 建模软件， 设计和分析了液压组合钻机联合作业平台， 大大提高了设计效率。在一定程度上也实现了组合液压钻机联合作业平台的数字化设计， 缩短了整体周期，具有一定的研究价值与实践意义。 简化液压系统的设计，液压系统作为组合液压钻机联合作业平台的动力来源，通过 现场试验，对液压系统中顶锚液压回路的同步性进行验证。不仅如此，独立钻机除了需 要确保自身稳定性的保障之外，而且可以方便维护。当使用液压组合钻机联合作业平台 时，需要基于两个不同的方向，承受三个不同类型的作用力，具体表述为沿着旋转方 向产生的径向力，沿着轴向方向产生的静压力以及沿着钻孔方向上产生的相关冲击力。 从某个方面来说，冲击力会以特定的频率对岩体造成冲击，导致岩体表面出现裂纹，并 在旋转切割过程中导致破裂；另一方面，静压力使岩石破裂更有效[9]。因此，在实际生 产过程中优化液压组合钻机联合作业平台的结构和液压系统非常重要。它能够降低设备 损坏产生的损失，还能实现钻井效率的显著提升，有助于生产进度的推进，最大化满足 我国工业发展对煤炭的实际需求[10]。 1.2 组合钻机的发展动态及研究现状 1.2.1 组合钻机发展动态 万方数据 第一章 绪论 3 20 世纪 70 年代末，我国才开始自主研究本国专用锚杆钻机。现有的产品系列主要 以液压式、电动式、气动式为主。相关设备在煤矿生产过程中获得了推广应用[11]。 （1）液压组合钻机 液压马达是液压组合钻机的核心驱动部件，在其输出的动力作用下，锚杆产生旋转 对目标煤层产生切削作用， 实施煤炭采掘。 泵站在工况状态下需要为马达输出液压动力， 使马达进入旋转状态。低速旋转是当前使用最多的旋转方式，不仅免去了对次轮结构的 依赖，还能够为钻机输出更多的驱动力。液压组合钻机主要包括导轨式、手持型和气动 式三种[12]。 其中导轨式钻机主要由三大部件组