掘錨機機載鉆機姿態調整分析

吳迪， 符寶鼎， 孫博， 康樂， 劉治翔， 鄒康

（1. 遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001；2. 遼寧工程技術大學 遼寧高等學校礦產資源開發利用技術及裝備研究院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

隨著我國煤炭開采深度的增加和開采強度的增大，煤礦井下安全生產問題越來越得到重視。作為煤礦安全生產的重要一環，水害防治一直是學者們關注的重點[1-2]。為有效避免水害，巷道掘進須嚴格執行“有掘必探”的作業要求。因此，學者們對于鉆探技術及超前鉆探設備的研制從未間斷。

鉆探技術是有效防止水害的重要手段，許多專家學者針對水害防治及探放水鉆機在防治水害中的應用作了大量研究。文獻[3]采用鉆車和泵車分離式設計方案，設計了一款可同時雙孔鉆進作業的鉆機，打破了傳統鉆機只能單孔鉆進的缺陷，一定程度上提高了鉆孔效率。文獻[4-5]研制了ZDY2–3200LF型雙臂窄體分體式履帶鉆機，并通過實驗驗證了其結構的合理性及性能的可靠性，并將該鉆機應用于現場，驗證了理論的正確性，為提高巷道掘進速度、保證安全生產提供了強有力的裝備支撐。為提高探放水鉆機作業時鉆孔傾角的測量精度，減小廢孔率，文獻[6]分析了傾角標定誤差產生的原因，并結合實際工況提出了解決措施。文獻[7]基于研發的鉆桿動態性能試驗系統，提出礦用鉆桿疲勞壽命預測研究方法，為鉆探施工和鉆桿的設計提供依據。文獻[8]研制了一種新型鉆孔防噴器，解決了井下高壓噴水和控制鉆孔水量的問題，提高了煤礦鉆探的安全系數。文獻[9]設計了一種回轉式減速器直驅的雙立柱式調角裝置，并將其配套使用在ZDY4300LP型鉆機中，驗證了其穩定性，為鉆機角度調節自動化和參數化提供了研究思路。文獻[10]系統總結了鉆探技術相關設備的研究進展，指出了智能鉆探設備未來發展方向。文獻[11]設計了一款礦用履帶式定向鉆機，用于解決傳統鉆機在體積龐大、狹小空間下的定向鉆孔施工問題。目前針對探放水鉆機及鉆探技術所作的研究大多聚焦于鉆機本身的設計與研究。

根據工程實踐可知，設備作業性能只是影響作業效率的一個因素，探放水作業前后，前探鉆機的部署往往需要耗費大量時間。對此，不少專家學者提出在掘錨機上裝載超前鉆探設備，盡可能地減少設備部署時間，以進一步提高鉆探效率。近些年，對于集掘、錨功能于一體的巷道掘進機機組的研究較為深入，從錨桿鉆機的運動學分析到動力學分析、從液控系統到電控系統、從結構優化到模態分析等均已有大量研究[12-17]。通過閱讀大量相關文獻發現，對于集掘、錨、探于一體的掘進機機組，目前的研究大多聚焦于設備的結構設計及液壓控制系統設計[18-22]。

針對傳統超前鉆探設備部署耗時長的局限性，設計并研發了一款機載鉆機。為使機載鉆機的設計符合要求，避免其在運行過程中與掘錨機發生干涉等問題，同時確保設計的機載鉆機在不同工況下有更強的適應性，本文對機載鉆機與掘錨機協同作業時的干涉特性展開了研究，并對掘錨機機載鉆機的尺寸設計及優化問題進行了探討。首先，分析了機載鉆機姿態調整過程中的干涉情況，根據姿態調整時的幾何位置關系，建立了掘錨機與機載鉆機發生干涉時的數學模型，并推導了掘錨機與機載鉆機發生干涉時的最大轉角計算公式。然后，以掘錨機與機載鉆機發生干涉時的最大轉角為指標，研究了掘錨機與機載鉆機各個尺寸參數對機載鉆機各個方向最大轉角的影響。最后，結合研究所得結論對機載鉆機尺寸進行優化分析。

1 鉆機工作流程及工況分析

為有效預防水害，在井下掘進時，要求掘錨機每掘進一段距離都需提前使用機載鉆機向前鉆進一段距離。因此在掘錨機上裝載機載鉆機可有效提高掘錨機掘進效率。機載鉆機安裝在掘錨機龍骨上，位于原有通風除塵風機處，其在掘錨機上的安裝位置及設備結構如圖1 所示。

圖1 機載鉆機在掘錨機上的安裝位置及設備結構Fig. 1 The installation position of the airborne drilling rig on the anchor excavator and the structure of the equipment

當掘進機作業完畢，機載鉆機進行探放水作業：掘錨機調整機身位置后，首先將截割機構及鏟板收回至待機位置，然后調節機載鉆機框架，機載鉆機伸縮框架伸出后調整機載鉆機鉆進姿態至預定位置，最后機載鉆機支撐立柱伸出，準備鉆孔作業。當鉆孔作業完畢，機載鉆機收回：首先機載鉆機支撐立柱收回，然后調整機載鉆機至初始狀態后，收回鉆機伸縮框架，最后將鉆機框架退回初始位置，至此完成整個鉆探作業流程。完整的探放水工作流程如圖2 所示。

圖2 機載鉆機工做流程Fig. 2 Drilling rig work flow

本文主要研究機載鉆機工作流程中鉆機姿態調整時與掘錨機的干涉特性。由機載鉆機工作流程可知，機載鉆機與掘錨機的干涉主要有2 種形式。第1 類干涉：機載鉆機在垂直方向上做俯仰運動時，鉆頭部分與掘錨機龍骨和掘錨機截割部的干涉。第2 類干涉：機載鉆機做水平回轉時，機載鉆機水平回轉平臺與掘錨機支撐油缸之間的干涉。

為方便進一步分析掘錨機與機載鉆機間的干涉特性，并進一步推導干涉特性數學模型。將上述2 種干涉進一步簡化，得到機載鉆機與掘錨機俯仰、水平回轉干涉時的簡化模型，如圖3 所示。其中，h0為龍骨連接螺栓高度，h1，h2為龍骨高度，h3為鉆機鉆頭上緣與鉆機框架連接絞耳的高度差，h4為鉆機鉆頭高度，l0為機載鉆機水平回轉平臺回轉中心到機載鉆機框架連接絞耳的水平距離，l1為機載鉆機水平回轉平臺回轉中心到機載鉆機鉆頭前端距離，l2為機載鉆機水平回轉平臺回轉中心到機載鉆機鉆頭后端距離，L1為龍骨連接絞耳到龍骨尾部長度，L2為龍骨整體長度，L3為龍骨上護板長度，L4為掘錨機截割部長度，坐標系X1O1Y1位于掘錨機龍骨與掘錨機底板連接的鉸鏈旋轉中心處，F1F2為掘錨機龍骨上護板所在直線，陰影區域BCDE為機載鉆機鉆頭部分和鉆機回轉平臺與鉆頭相連部分，αi，βi，γi（i=1,2,···,4）分別為龍骨傾角、機載鉆機仰角和機載鉆機俯角。為確保研究的準確性與可靠性，將簡化模型與實物模型之間的差值視做預留（水平回轉干涉相同）。S0為龍骨連接螺栓到機載鉆機水平回轉中心的水平距離，S為龍骨連接螺栓到掘錨機支撐油缸的水平距離，BJ1為掘錨機龍骨護板間距，BJ2為掘錨機支撐油缸中心距，BZ1為機載鉆機鉆頭后端寬度，BZ2為機載鉆機鉆頭前端寬度，R2為掘錨機支撐油缸外缸筒半徑，θi為鉆機的水平回轉角度，坐標系X2O2Y2位于掘錨機龍骨與掘錨機底板連接的鉸鏈所在中軸線與回轉中心所在水平直線的交點處，H為鉆機水平回轉中心在坐標系X2O2Y2上的投影，J為掘錨機支撐油缸缸筒中軸線在坐標系X2O2Y2上的投影，I為機載鉆機右后端最外緣端點在坐標系X2O2Y2上的投影。

圖3 鉆機與掘錨機的干涉Fig. 3 Interference between drilling rig and the anchor excavator

由圖3（a）可看出，第1 類干涉在數學上的表述為C，D與直線F1F2的干涉和點F1，F2與直線CD的干涉；直線BE由水平位置轉動至過點G時，點G與直線BE的干涉。由圖3（b）可看出，第2 類干涉在數學上的表述為機載鉆機主機與掘錨機龍骨兩側護板相干涉和機載鉆機前端與掘錨機支撐油缸間的干涉。機載鉆機做俯仰調整時與掘錨機干涉的具體描述見表1?？紤]到機載鉆機與掘錨機整機輪廓均為對稱分布，當鉆機做水平調整時僅考慮一個方向的轉動，另一方向轉角大小相等，區別僅在于方向不同。機載鉆機做水平調整時與掘錨機干涉的具體描述見表2。

表1 機載鉆機俯仰調整時與掘錨機干涉的具體描述Table 1 Specific description of interference with the anchor excavator during pitch adjustment of airborne drilling rig

表2 機載鉆機水平調整時與掘錨機干涉的具體描述Table 2 Specific description of interference with anchor excavator during pitch adjustment of airborne drilling rig

2 2 種干涉情況的數學模型

2.1 俯仰調整

為方便研究與計算，設定機載鉆機逆時針轉動方向為正，順時針轉動方向為負。

結合圖3（a）所示尺寸位置關系，求得點A-G、點u，v及m，n的坐標計算式。

式中：xA，yA分別為點A的橫坐標和縱坐標；xu，yu分別為點u的橫坐標和縱坐標；yC為點C的縱坐標；xF1，yF1分別為點F1的橫坐標和縱坐標；xv，yv分別為點v的橫坐標和縱坐標；Δ 為圖3（a）中點C，D的代號；*為點m，n的代號，且當Δ 取C時，*取m，當Δ 取D時，*取n。

由工況分析可知，機載鉆機的最大俯仰角度主要取決于鉆機幾何尺寸、掘錨機龍骨幾何尺寸及傾斜角度。由圖3（a）可知，βi(i=1,2,···,4)為2 條直線的夾角。

式中： ?為圖3（a）中點C，D，u，v的代號，*為m，n，F1，F2的代號，且當?取C時*取m，此時βi為β1，當?取，D時*取n，當 ?取u時，*取F1，當 ?取0 時*取F2；h3＜0 為圖3（a）中直線CD在點A下方；h3=0 為直線CD與點A重合；h3＞0 為直線CD在點A上方。

結合表1 對鉆機俯仰運動的描述，得到鉆機最大仰角：

基于圖3（a），得到俯角：

式中：xG，yG分別為點G的橫坐標和縱坐標；yB為點B的縱坐標。

2.2 水平調整

分析圖3（b）所示尺寸位置關系，求得點H，J，I的坐標：

S0的理論值為S0=xA+l0，但為方便研究及計算機載鉆機的水平調整，本文將S0視為獨立變量。

機載鉆機做水平調整時的最大轉動角度主要取決于回轉中心A的位置、掘錨機支撐油缸中心位置（安裝位置）、機載鉆機鉆頭寬度和掘錨機龍骨兩側護板的間距。根據圖3（b）所示幾何關系，求得機載鉆機水平轉角θ1和θ2：

式中：xJ，yJ分別為點J的橫坐標和縱坐標；xH，yH分別為點H的橫坐標和縱坐標；xI，yI分別為點I的橫坐標和縱坐標。

由表2 對機載鉆機水平回轉調整的描述，得到機載鉆機最大水平轉角為

3 不同參數對機載鉆機與掘錨機干涉特性的影響

本文以機載鉆機的最大仰角β和最大俯角γ為評價指標，分別研究龍骨連接螺栓高度h0、龍骨高度h1和h2、龍骨連接絞耳到龍骨尾部長度L1、龍骨整體長度L2、龍骨上護板長度L3、探水鉆機工作時龍骨斜角α、掘錨機截割部長度L4、機載鉆機水平回轉平臺回轉中心到機載鉆機框架連接絞耳的水平距離l0、機載鉆機水平回轉平臺回轉中心到機載鉆機鉆頭前端距離l1、機載鉆機水平回轉平臺回轉中心到機載鉆機鉆頭后端距離l2、機載鉆機鉆頭上緣與機載鉆機框架連接絞耳的高度差h3、機載鉆機鉆頭高度h4對機載鉆機與掘錨機間俯仰調整時干涉特性的影響。以最大水平轉角θ為評價指標，分別研究龍骨連接螺栓到機載鉆機水平回轉中心的水平距離S0、龍骨連接螺栓到掘錨機支撐油缸的水平距離S、機載鉆機水平回轉中心到機載鉆機鉆頭前端距離l1、機載鉆機水平回轉中心到機載鉆機鉆頭后端距離l2、掘錨機龍骨護板間距BJ1、掘錨機支撐油缸中心距BJ2、機載鉆機鉆頭后端寬度BZ1、掘錨機支撐油缸外缸筒半徑R2和機載鉆機鉆頭前端寬度BZ2對機載鉆機與掘錨機間水平調整時干涉特性的影響。

在給定機載鉆機與掘錨機基本尺寸后，β，γ和θ值可直接由式（1）-式（10）求得。為方便區分俯仰2 個方向，本文將機載鉆機仰角定義為正角，俯角定義為負角。

為方便研究各個基本尺寸對干涉特征的影響，結合掘錨機與機載鉆機在實際中的設計尺寸，本文將圖3 中掘錨機與機載鉆機基本尺寸的取值區間列于表3。在下文的計算中若無特殊情況，所有變量取值均在表3 范圍內。表3 中h3取負值表示機載鉆機鉆頭上緣垂直高度低于機載鉆機框架連接絞耳中心。

表3 基本尺寸取值區間Table 3 Value range of basic size

3.1 不同龍骨傾角對俯仰干涉特性的影響

為分析不同龍骨傾角對俯仰干涉特性的影響，對掘錨機與機載鉆機的基本尺寸做以下設定：h0=320 mm，h1=250 mm，h2=140 mm，h3=100 mm，h4=500 mm，L1=2 300 mm，L2=6 300 mm，L3=2 185 mm，L4=7 830 mm，l0=1 740 mm，l1=1 890 mm，l2=670 mm，α=8～14 °。通過理論計算得到在不同龍骨傾角下的俯仰干涉特性，如圖4 所示。

圖4 不同龍骨傾角對干涉特性的影響Fig. 4 Influence of different keel inclination angles on interference features

由圖4 可看出，龍骨傾角越大，機載鉆機的俯仰角度越大；相對于俯角，仰角的最大調節范圍變化更明顯，該結果表明，通過調節掘錨機龍骨傾角能有效改變機載鉆機工作時仰角的范圍；若要大范圍改變俯角的變化，僅改變龍骨傾角效果不佳。

3.2 不同機載鉆機安裝位置及龍骨上護板高度對俯仰干涉特性的影響

機載鉆機在掘錨機龍骨上的安裝位置主要由尺寸h1，h2和L1決定。為分析不同機載鉆機安裝位置及龍骨上護板高度對俯仰干涉特性的影響，對掘錨機與機載鉆機的基本尺寸做以下設定：h0=320 mm，h3=100 mm，h4=500 mm，L2=6 300 mm，L3=2 185 mm，L4=7 830 mm，l0=1 740 mm，l1=1 890 mm，l2=670 mm，α=11°，h1=230～270 mm，h2=120～160 mm，L1=2 100～2 500 mm。當僅h1變化時，取h2=140 mm，L1=2 300 mm；當僅h2變化時，取h1=250 mm，L1=2 300 mm；當僅L1變化時，取h1=250 mm，h2=140 mm。通過理論計算得到在不同機載鉆機安裝位置及龍骨上護板高度下的俯仰干涉特性，如圖5 所示。

圖5 h1，h2，L1 對俯仰角的影響Fig. 5 Effects of h1, h2 and L1 on pitch angle

由圖5 可看出，h1變化對俯仰角的影響均很小，對仰角的影響幾乎為0，而對俯角的影響略大；h2變化不會影響俯角的變動，而對仰角的影響較大，且呈正比關系，這表明可通過改變h2來調整仰角范圍；L1增大使俯仰角均增大，但對仰角的影響效果不明顯。若要改動仰角，可優先考慮改變h2；若要改動俯角，可優先考慮改變L1。

3.3 鉆機幾何尺寸對仰角的影響

分析圖3（a）可知，對干涉特性有影響的機載鉆機幾何尺寸主要有l0，l1，l2。此外，l0，l1和l2的變化對仰角的影響主要是改變了點C，D的橫坐標xC，xD，為方便研究，直接以點C，D相對于點A的橫坐標變化為變量對干涉特性展開研究。

為方便研究點C，D橫坐標變化下的仰角，對掘錨機與機載鉆機的基本尺寸做以下設定：h0=320 mm，h1=250 mm，h2=140 mm，h4=500 mm，L1=2 300 mm，L2=6 300 mm，L3=3 100 mm，L4=7 830 mm，α=11°，h3=100 mm 或h3=200 mm，（l0-l2）=920～1 200 mm（點C相對于點A的橫坐標），（l0+l1）=3 300～3 800 mm（點D相對于點A的橫坐標）。當僅（l0-l2）變化時，取h3=200 mm，（l0+l1）=3 600 mm；僅（l0+l1）變化時，取h3=100 mm，（l0-l2）=1 070 mm。通過理論計算得到僅（l0-l2）變化和僅（l0+l1）變化時的最大仰角，如圖6所示。

圖6 點C，D 橫坐標對仰角的影響Fig. 6 The effect of C and D on elevation

由圖6 可看出，點C相對于點A的橫坐標越大，機載鉆機的最大仰角越小，但變化不明顯；點D相對于點A的橫坐標越大，機載鉆機的最大仰角越大，且點D坐標變化帶來的影響更大。說明適當減小點A，D之間距離，可有效增大機載鉆機的最大仰角。

3.4 龍骨護板間距與掘錨機支撐油缸間距同步變化對鉆機水平轉角的影響

為研究龍骨護板間距與掘錨機支撐油缸間距同步變化時的最大水平轉角，對影響機載鉆機水平轉角的各個因素做以下設定：S0=4 255 mm，S=5 775 mm，l1=1 890 mm，l2=670 mm，BZ1=500 mm，BZ2=280 mm，R2=65 mm，BJ1=800～1 200 mm，BJ2=1 400～1 500 mm。通過理論計算得到龍骨護板間距與掘錨機支撐油缸間距同步變化時的鉆機最大水平轉角，如圖7 所示。

圖7 BJ1 與BJ2 同步變化對θ 的影響Fig. 7 The influence of synchronous changes between BJ1 and BJ2 on θ

由圖7 可看出，當BJ1較小時，BJ1越大，機載鉆機的最大水平轉角越大，當增大到一定程度時，最大水平轉角不再受BJ1增大的影響；當BJ1大于某一值時，BJ2越大，機載鉆機的最大水平轉角越大；BJ1對機載鉆機最大水平轉角的影響較BJ2大，這表明為獲得更大的水平轉角，應優先考慮調整BJ1。

3.5 不同機載鉆機鉆頭兩端寬度對機載鉆機水平轉角的影響

在圖3（b）中，機載鉆機鉆頭兩端尺寸分別由BZ1，BZ2表示。為研究BZ1，BZ2均發生變化時的最大水平轉角，對影響機載鉆機水平轉角的各個因素做以下設定：S0=4 255 mm，S=5 775 mm，l1=1 890 mm，l2=670 mm，R2=65 mm，BJ1=1 000 mm，BJ2=1 460 mm，BZ1=500～700 mm，BZ2=250～350 mm。通過理論計算得到機載鉆機鉆頭兩端尺寸均發生變化時的最大水平轉角，如圖8 所示。

圖8 BZ1 與BZ2 均變化對θ 的影響Fig. 8 The influence of change of BZ1 and BZ2 on θ

由圖8 可看出，當BZ1較小時，干涉主要發生在掘錨機支撐油缸與機載鉆機鉆頭前端，此時BZ1的增大不影響最大水平轉角；當BZ1增大到某一值時，BZ1越大，最大水平轉角越??；當BZ1小于某一值時，BZ2越大，最大水平轉角越小。這表明為確保機載鉆機有更大的水平轉角，在確?？尚行缘那疤嵯?，應當選取更小的機載鉆機鉆頭寬度。

4 關鍵尺寸優化

通過理論計算并對結果進行對比分析，得出了掘錨機與機載鉆機尺寸優化的理論依據?，F根據一定設計要求，對1 組掘錨機與機載鉆機的尺寸進行優化。

現要求機載鉆機的俯仰角度變化區間為-10～15°，水平回轉角度不小于±15°?，F有掘錨機與機載鉆機的基本尺寸：h0=320 mm，h1=250 mm，h2=140 mm，h3=300 mm，h4=500 mm，L1=2 300 mm，L2=6 300 mm，L3=2 185 mm，L4=7 830 mm，l0=1 740 mm，l1=1 890 mm，l2=670 mm，α=11°，S=5 775 mm，BZ1=500 mm，BZ2=280 mm，R2=65 mm，BJ1=1 200 mm，BJ2=1 460 mm。

通過理論計算，在上述設定下，機載鉆機的最大俯仰角為（-8.12°，5.93°），最大水平轉角為（-15.8°，15.8°），因此只需要針對機載鉆機的俯仰角進行尺寸優化。增大龍骨傾角α可有效增大機載鉆機的俯仰角，因此先將掘錨機龍骨傾角由11°增大到16°，通過理論計算，求得此時的機載鉆機俯仰角為（-9.89°，10.94°）；適當增大h1，L1可增大最大俯角，適當增大h2可增大仰角，因此分別增大h1，L1，h2，使h1=310 mm，h2=190 mm，L1=2 600 mm，通過理論計算求得此時機載鉆機俯仰角為（-11.79°，11.83°）；減小h3，L3可有效增大最大仰角，因此將h3減小至220 mm，L3減小至1 600 mm，此時機載鉆機俯仰角為（-10.97°，15.18°）。掘錨機與機載鉆機優化前后的尺寸見表4。

表4 優化前后的尺寸Table 4 Dimensions before and after optimization

增大龍骨傾角α、龍骨連接螺栓高度h0、龍骨高度h1，h2、龍骨連接絞耳到龍骨尾部長度L1，并減小機載鉆機鉆頭上緣與機載鉆機框架連接絞耳的高度差h3、龍骨上護板長度L3，機載鉆機的最大俯仰角得到了有效增加。

5 結論

1） 龍骨傾角α 越大，機載鉆機的俯仰角角度越大。

2） 龍骨高度h1變化對俯仰角的影響均很小，龍骨高度h2變化不會影響俯角的變動，而對仰角的影響較大，且呈正比關系；龍骨連接絞耳到龍骨尾部長度L1增大使俯仰角均增大，但對仰角的影響效果不明顯。

3） 適當減小點A、D之間的距離，可有效增大鉆機的最大仰角。

4） 當掘錨機龍骨護板間距BJ1較小時，機載鉆機的最大水平轉角度越大，當增大到一定程度時，最大水平轉角度不再受掘錨機龍骨護板間距BJ1增大的影響；當掘錨機龍骨護板間距BJ1大于某一值時，掘錨機支撐油缸中心距BJ2越大，機載鉆機的最大水平轉角度越大；掘錨機龍骨護板間距BJ1對機載鉆機最大水平轉角度的影響較掘錨機支撐油缸中心距BJ2大。

5） 當機載鉆機鉆頭后端寬度BZ1較小時不影響最大水平轉角；當機載鉆機鉆頭后端寬度BZ1增大到某一值時，機載鉆機鉆頭后端寬度BZ1越大，水平轉角越??；當機載鉆機鉆頭后端寬度BZ1小于某一值時，機載鉆機鉆頭前端寬度BZ2越大，水平轉角越小。

6） 將掘錨機龍骨傾角由11°增大到16°，此時的機載鉆機俯仰角為（-9.89°，10.94°）；適當增大龍骨高度h1，龍骨連接絞耳到龍骨尾部長度L1可增大最大俯角，適當增大龍骨高度h2可增大仰角，因此分別增大h1，L1，h2，使h1=310 mm，h2=190 mm，L1=2 600 mm，此時的機載鉆機俯仰角為（-11.79°，11.83°）；減小鉆機鉆頭上緣與鉆機框架連接絞耳的高度差h3，龍骨上護板長度L3可有效增大最大仰角，因此將h3減小至220 mm，L3減小至1 600 mm，此時機載鉆機俯仰角為（-10.97°，15.18°）。