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硕士学位论文 凿岩台车钻臂自动调平系统的设计与仿真凿岩台车钻臂自动调平系统的设计与仿真 Design and simulation of the automatic leveling system for the boom of a rock drilling rig 学位类别学位类别专业硕士专业硕士 专业领域专业领域机械工程机械工程 研研 究究 生生李良金李良金 指导教师指导教师杨阳杨阳 年年月月 万方数据 分类号TD41密级 UDC 621单位代码 凿岩台车钻臂自动调平系统的设计与仿真凿岩台车钻臂自动调平系统的设计与仿真 Design and simulation of the automatic leveling system for the boom of a rock drilling rig 专业领域机械工程 研究方向流体传动与控制 研 究 生李良金 指导教师杨阳 所在院所河北科技师范学院机电工程学院 年月 万方数据 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北科技师范学院河北科技师范学院或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字日期 2021 年 5 月 24 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北科技师范学院河北科技师范学院有关保留、使用学位论 文的规定。特授权河北科技师范学院河北科技师范学院可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查 阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名导师签名 签字日期 2021 年 5 月 24 日签字日期2021 年 5 月 24 日 万方数据 I 摘要摘要 钻爆法是现代矿产资源开采的主要方法，凿岩台车是进行钻爆法的必备工 具。在凿岩台车工作时，爆破工艺经常需钻制出平行孔，平行孔的质量直接影 响到最终爆破的效果。为此，凿岩台车需要通过调节钻臂使钻台工作时各位姿 平行。钻臂自动调平能有效提升凿岩台车的自动化程度与钻孔质量。 本文结合合作企业现有的凿岩台车样机雏形，设计了带有自动调平系统的 DFZD-1 型凿岩台车。首先对台车主要结构进行了设计选型，并建立了其三维模 型；然后，针对钻臂是一种空间机械臂结构，对钻臂部分进行了机械臂运动学 建模；通过对模型进行正运动学和逆运动学求解，找到在钻制平行孔时各时刻 钻臂位姿状态，并能计算出各缸伸缩长度；最后，对设计的钻臂液压系统进行 了设计与选型，并通过 AMESim 软件对典型工况进行了仿真分析，检验设计的 可行性。 通过对典型工况的仿真计算，验证出设计的凿岩台车钻臂模型的正确性， 并以此模型及求解方法实现钻臂在钻制平行孔时自动调平。研发的凿岩台车钻 臂自动调平系统能有效提升凿岩台车产品的自动化程度与打孔质量，为我国相 关产品提供技术支撑。 关键词关键词凿岩台车；钻臂；自动调平；液压系统 万方数据 II ABSTRACT Drilling and blasting is the main of modern mineral resource mining, and rock drilling rigs are necessary tools for drilling and blasting. When the rock drilling rig is working, the blasting process often needs to drill parallel holes, and the quality of the parallel holes directly affects the final blasting effect. For this reason, the rock drilling rig needs to adjust the drill boom to make the positions parallel when the drill floor is working. The automatic leveling of the drill boom can effectively improve the automation degree and drilling quality of the rock drilling rig. In this thesis, based on the prototype of the existing rock drilling rig of the cooperative enterprise, a rock drilling rig DFZD-1 with an automatic leveling system is designed. Firstly, the main structure of the trolley was designed and selected, and its three-dimensional model was established; then, as the drill boom is a space manipulator structure, the kinematics modeling of the drill boom was carried out; by correcting the model Kinematics and inverse kinematics are solved to find the posture state of the drill boom at each moment when drilling parallel holes, and to calculate the telescopic length of each cylinder; finally, the designed hydraulic system of the drill boom is designed and selected, and passed AMESim software pered a simulation analysis on typical working conditions to verify the feasibility of the design. Through simulation calculation of typical working conditions, the correctness of the designed rock drilling rig boom model is verified, and this model and solution can be used to realize the automatic leveling of the boom when drilling parallel holes. The automatic leveling system for the drill arm of the rock drilling rig can effectively improve the automation degree and drilling quality of the rock drilling rig, and provide technical support for related products in my country. Key words Rock drilling trolley; Drill arm; Automatic leveling; The hydraulic system 万方数据 目录目录 摘要................................................................................................................................I ABSTRACT..................................................................................................................II 第一章 绪论................................................................................................................. 1 1.1 研究背景......................................................................................................... 1 1.2 凿岩台车国内外研究现状............................................................................. 2 1.2.1 凿岩台车国外研究现状....................................................................... 2 1.2.2 凿岩台车国内研究现状....................................................................... 4 1.3 凿岩台车自动调平系统................................................................................. 5 1.3.1 人工操作控制系统............................................................................... 6 1.3.2 机械联动调平系统............................................................................... 6 1.3.3 电液比例调平控制系统....................................................................... 7 1.4 研究内容......................................................................................................... 7 第二章 DFZD-1 型凿岩台车结构设计.......................................................................9 2.1 底盘................................................................................................................. 9 2.2 钻台推进装置................................................................................................11 2.3 凿岩机........................................................................................................... 13 2.4 钻臂............................................................................................................... 14 2.5 控制系统与动力系统................................................................................... 16 2.6 本章小结....................................................................................................... 17 第三章 凿岩台车钻臂机械臂运动学模型............................................................... 18 3.1 DFZD-1 凿岩台车钻臂结构参数..................................................................18 3.2 机械臂运动学基础....................................................................................... 19 3.2.1 连杆参数及连杆坐标轴..................................................................... 20 3.2.2 连杆坐标系间的齐次变换矩阵......................................................... 21 3.2.3 连杆坐标变换矩阵............................................................................. 21 3.3 钻臂机械臂运动模型建立........................................................................... 22 万方数据 3.4 本章小结....................................................................................................... 29 第四章 基于 Matlab 的钻臂位姿计算......................................................................30 4.1 钻臂正运动分析与求解............................................................................... 30 4.1.1 正运动求解......................................................................................... 30 4.2 钻臂逆运动求解........................................................................................... 31 4.2.1 逆向运动学基础................................................................................. 31 4.2.2 逆向运动学求解方法......................................................................... 33 4.2.3 雅各比矩阵......................................................................................... 33 4.2.4 牛顿-拉弗森迭代法............................................................................34 4.2.5 欧拉角的求解..................................................................................... 36 4.2.6 雅各比矩阵及其逆矩阵的求解......................................................... 37 4.2.7 基于 Matlab 的逆运动求解................................................................38 4.2.8 逆运动结果......................................................................................... 42 4.3 模型求解应用实例....................................................................................... 48 4.4 本章小结....................................................................................................... 49 第五章 凿岩台车钻臂液压系统设计与仿真........................................................... 50 5.1 凿岩台车钻臂液压系统设计....................................................................... 50 5.2 液压系统选件............................................................................................... 51 5.2.1 调平系统油缸的选择......................................................................... 51 5.2.2 调平系统阀的选择............................................................................. 52 5.3Amesim 软件仿真..........................................................................................52 5.3.1 单缸全行程仿真................................................................................. 54 5.3.2 平行孔钻孔调平仿真.......................................................................... 57 5.4 本章小结....................................................................................................... 59 结论............................................................................................................................. 60 参考文献..................................................................................................................... 61 附录 A..........................................................................................................................64 附录 B..........................................................................................................................65 附录 C..........................................................................................................................68 附录 D..........................................................................................................................70 附录 E..........................................................................................................................71 万方数据 附录 F..........................................................................................................................72 附录 G..........................................................................................................................74 附录 H..........................................................................................................................76 附录 I...........................................................................................................................77 附录 J...........................................................................................................................79 附录 K..........................................................................................................................81 致谢............................................................................................................................. 84 万方数据 第一章绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景 当前，我国正处于“两个一百年”奋斗目标的交汇时期，已基本建成小康 社会，实习了第一个百年奋斗目标，正向着建设社会主义现代化国家新征程这 个第二个百年奋斗目标进军。伴随着国家的不断发展，矿产资源的的开发和利 用也不断面临新的挑战。 现代矿产资源开采和现代隧道挖掘的方法主要是“盾构法”和“钻爆法”。 盾构法是指利用大型盾构机对岩石进行切削，通过切割断面的岩石，从而掘进 出断面的形状，进而达到实现整个断面掘进的目的[1]。但是大型全断面盾构机不 仅体型庞大，系统复杂；而且价格不菲，耗能较大[2]；最为关键的是，它对土质 要求特别高，适用于土质松软的场合，不能在土质坚硬的岩层当中使用。钻爆 法则是指在预先设定的掌子面钻出相应数量的炮眼或炮孔，随后将适量的炸药 填入炮孔之中，之后将其引爆，然后用高压水枪将爆炸过程中的产生的碎石和 土块冲走，接着对爆炸形成的断面进行修葺，固定。最后安装断面所需要的相 关装备形成能够开采矿产资源的通道或者可供车辆通行的隧道。为了钻得所需 的炮眼或炮孔，需要用到凿岩台车。 凿岩台车是钻爆法实施的必要机械设备。如图 1-1 所示，凿岩台车一般由行 走系统、底盘、钻臂、推进器、凿岩机含钎杆、动力系统、电气控制系统、液 压系统组成[3]。凿岩台车根据爆破工艺需求，通过各个部件和系统的联合工作完 成对山体或者隧道的布孔，钻孔，成孔的循环作业过程，适用于矿山、水电、 铁路、公路、采石场等领域巷道、隧道的掘进、采石工作。 万方数据 第一章绪论 2 图 1-1 凿岩台车的组成 Fig. 1-1 The composition of the rock drilling rig 1.2 凿岩台车国内外研究现状 1.2.1 凿岩台车国外研究现状 国外对于凿岩台车的研究起步比较早，技术已相对成熟。当前世界知名的 凿岩台车及配套设备设计生产公司包括瑞典的 Atlas Copco、芬兰的 Tamrock、 法国的 Montabert 和 Eimco-Secoma、德国的 Krupp、美国的 Ingersoll-Rand、日 本的 Furu Kawa 等， 产品类型超过 50 种， 其中 Atlas Copco 公司和 Tamrock 公司 处于世界领先水平，所产的机型品种多、质量好、销量大，共占有全球 60左 右的市场份额[4]。 早在 1887 年，世界上第一台气动轻型凿岩机就诞生了，这改变了以往传统 的人工手动凿岩方式提高了凿岩的效率。但是由于气动凿岩机本身在工作中存 在耗能高、噪音大等问题，因此并没有形成产业化生产。而后在 1970 年，凿岩 机实现了技术上的关键突破，法国 Montabert 公司成功研制出世界上第一台液压 凿岩机 H50 型，随后该公司将之装配到了液压钻车上，用于矿山钻孔工作中， 并且创造了连续钻孔 14000m 的优异成绩。 这标志着液压凿岩机正式投入市场[5]。 万方数据 第一章绪论 3 液压凿岩机相较于气动凿岩机，不仅有着能耗小、噪音小、污染少、自动 化程度高的优点，而且液压凿岩机使用安全性也是气动装备无法比拟的。所以， 此后的各国都将研究重心放在了液压凿岩机上面。 1970年， 法国的Eimco-Secoma 公司生产出了 RPH35 型液压凿岩机；1973 年瑞典的 Atlas Copco 公司则研制出 了 COP1038HD 型和 COP1238 型液压凿岩机，之后该公司又在 1986 年推出了 COP1440 型和 COP1550 型等新型高速液压凿岩机，新一代的液压凿岩机相较之 前，在噪音、污染、自动化等方面有了进一步的提升，使得其凿岩效率整整提 升了一倍[6]；1974 年德国 Zalzijit 公司推出了 HH 型凿岩机；1975 年德国的另一 家公司，ThyssenKrupp 公司则研制出了 HB 型凿岩机[7]；同年美国 Ingersoll Land 则推出了 HARD 型液压凿岩机，并一举创造了连续凿岩 65000m 的骄人成绩； 一年之后，美国 Joey 公司则推出了 JH-2 型液压凿岩机；1978 年日本 Furu Kawa 公司也相继推出 HD100 和 HD200 型液压凿岩机[8]。 之后，在 20 世纪 80 年代，随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，装备 制造商将液压凿岩机和推进装置安装到了液压钻车的钻臂上，从而实现它们的 协同工作，由此诞生了凿岩台车。全新的凿岩台车环境适应能力好，可用于露 天矿场作业、井下矿场的采矿作业和地底隧道的掘进作业，具有着污染低、噪 音小、效率高等优点，此外还具有更强的凿岩能力，能够破除更为坚硬的硬岩 断面层岩石。因而，凿岩台车相关产品得到了世界各国的广泛关注和重点研发。 在 1987 年的斯德哥尔摩世界采矿展览会上，Rask 公司、Atlas Copco 公司、 Tamrock 公司等分别展出了多种不同型号的单臂微型液压凿岩台车,开启了液压 凿岩台车的快速发展时期[9]。 1996 年芬兰 TOMROCK 公司推出了 Solo60 型凿岩 台车，该台车装备了新型推进器和新型钻具，实现了一个钎杆就能够在一个断 层面完成凿岩的工作， 大大加快了凿岩效率。 同年， 该公司又推出了 Superdrilling 型凿岩台车，该台车的逻辑编辑器可以准确的控制推进器和钻臂的动作，确保 了炮孔定位的精度，进而提高了凿岩的精度。目前中型和大型的液压凿岩台车 的应用较多，多用于矿山地下掘进、采矿凿岩和隧道凿岩等工程领域[10]。其中， 最具有代表性的属瑞典 Atlas Copco 公司生产的 RocketBoomer 系列凿岩台车和 日本 Furu Kawa 公司生产的 T3RW-210-177Y 型凿岩台车,他们以其明显的先进 性、经济性和安全性得到了众多用户的认可。 这也在一定程度上吸引了世界上 众多制造商的相继研制和开发，更进一步促进了液压凿岩台车的蓬勃发展[11]。 随着计算机技术的日益成熟和稳步发展，国外厂家将计算机技术和凿岩台 万方数据 第一章绪论 4 车进一步融合，研发出了自动控制系统产品，实现了凿岩台车的自动调平以及 炮孔孔序的智能化规划，进一步完成了凿岩台车的技术革新。因此，当前国外 厂商占据着更多份额的中高端凿岩台车市场。 1.2.2 凿岩台车国内研究现状 国内对于凿岩台车及其相关设备的研究相对较晚，1972 年中南矿冶学院与 长沙矿冶研究院开始合作研发液压凿岩设备，但是由于当时国家处于特殊的历 史阶段，凿岩设备和相关技术也相对比较落后，所以研究进程也比较缓慢。直 到 1980 年，在长沙矿冶研究院、株洲工具厂等相关单位的通力合作之下，才研 发出了我国第一台 CGJ2Y 型液压凿岩钻车和 YYG80 型液压凿岩机，并且通过 了当时的冶金技术部的鉴定，这也标志着我国对于凿岩台车的研究开始了正式 起步。 而后，为了加快我国对于液压凿岩设备研究进度，提升我国凿岩钻探的能 力，国内很多的厂商，如南京工程机械厂、沈阳有色设备冶金总厂、宜兴采掘 场、 沈阳风动工具厂、 天水风动工具厂等分别从瑞典的 Atlas Copco 公司、Eimco Secoma 公司引进了 11 种液压凿岩台车、4 种液压凿岩机，不但引入国外当时先 进的产品，也将相关的技术一并引入并消化。这不仅促进了我国自主研发液压 凿岩台车进程的发展，也有利于我国凿岩台车品牌体系的形成，从而促进国内 凿岩台车的批量生产和产品性能的进一步提高。 1986 年中南工业大学进行了学习再现式凿岩机器人的研究工作，主要的研 究方向是凿岩机器人的自动定位和布孔[12]。1998 年，在国家“863 计划”的扶 持下，中南工业大学最先承担凿岩设备的研发和制造，开始了对凿岩机器人的 系统性研究[13]。经过两年夜以继日的艰苦奋斗，突破了国内相关产品空白的困 难和国外技术垄断的难题，终于在 2000 年成功研制出了 JSZY2-90M 型两臂隧 道液压凿岩机器人，这也是我国第一台隧道凿岩机器人样机，这项成果的出现 标志着我国凿岩设备和相关技术都取得了重大突破，填补了我国隧道机器人发 展史上的空白。2003 年湖南山河智能股份有限公司成功研制出了机电一体化履 带式露天液压潜孔钻机 SWDA165[14]。在 2004-2005 年期间，中南大学液压机械 工程研究所和湖南万众机械有限公司联手并成功研制出了 WZD100 型和 万方数据 第一章绪论 5 WZD150 型履带式露天钻机。该钻机装备了高精度的高气压潜孔钻进系统，能 够进行高效率、高精度、高强度的硬岩钻探。是当时国内最先进的机电一体化 液压潜孔钻机，荣获了 12 项国家专利技术。 在随后的十年中，相关的企业不断吸取国外先进产品的技术，对自身产品 进行改善，逐步提升我国凿岩台车产品的可靠性、安全性与工作效率，推动了 我国台车相关产品的蓬勃发展。 2014 年石家庄铁道大学和石家庄车辆有限公司成功研制出了 CHDO3 型凿 岩台车，通过实验表明了国产隧道凿岩台车不仅成本低，质量可靠而且工作稳 定，安全系数高。在性能和技术水平的比较下也丝毫不输国外凿岩台车。2015 年，中铁科学研究院研发的 CLO2 型凿岩台车则是将国际先进的机械化凿岩技 术与国内实际施工条件相结合，成功的将核心关键技术实现了“中国化”，有 效地解决了由于国内和国外地质条件不同而造成的国外凿岩台车无法满足国内 隧道掘进、井下采矿、露天采矿的问题。同年，铁建重工联合 AWV 公司共同研 制了数字化凿岩台车，这将实现智能工程装备“互联网”的设想。 从国内凿岩台车发展历程来看，我国液压凿岩台车走的是一条自主研发和 引进国外先进技术相结合的道路[15]。经过几十年的摸索与发展，我国凿岩台车 已经形成了自己的品牌系列，不再完全依靠进口国外的设备，能够实现大规模、 大产量的专业化、系列化生产，但是国内产品与同类型的国外产品相比较在技 术方面依然存在差距，关键零部件仍然依靠国外进口，产品的性能与自动化程 度急需提高。尤其是在中、高端产品市场占比较低。 在调平系统方面，国内与国外相比仍有较大的差距。国内的调平系统以机 械联动调平系统和人工操作系统为主，这就造成了凿岩台车整体结构偏大，而 且时常有超欠挖的现象发生。国外则是利用电液比例调平系统，减轻了台车的 整体质量而且在自动调平方面有了更为出色的表现。 1.3 凿岩台车自动调平系统 凿岩台车一般是根据爆破工艺要求，通过驱动钻臂调节凿岩机位置，进而 钻制出炮孔或炮眼。钻臂是凿岩台车的主要工作臂，是凿岩台车最为核心的工 作机构之一。从工作过程来说，是由它来带动钻臂上的推进器、液压缸、凿岩 万方数据 第一章绪论 6 机，钎杆的运动，从而使得凿岩机前端钻具定位到指定的钻孔掌子面位置，进 而实现定点钻孔；从功能上说，钻臂调节凿岩机在空间达到预设位置，从而钻 制爆破工艺所需的炮孔布局。炮孔包括多种类型如顶孔、低孔、帮孔、掏槽孔 等，其中，掏槽孔是影响爆破效果的一个关键指标。平行孔掏槽是常用的掏槽 形式之一，需要使用钻臂调节凿岩机在各钻孔位姿平行，即利用凿岩台车的调 平系统进行调平。目前凿岩台车的调平主要是通过人工操作、机械联动