掘锚联合机稳定性仿真分析范文

《机械设计与研究杂志》2014年第四期

1掘锚联合机工作稳定性模型

1．1边界条件设置(1)建模环境设置，设置重力加速度为9806．65mm•s－2，背景网格长度、宽度为100，Icon/markersize为100。(2)定义各零件的质量属性根据各零件的材料定义各零件的密度，在RecurDyn系统中会自动计算零件的质量和转动惯量。(3)定义运动副鉴于掘锚联合机的虚拟模型非常复杂，故将掘进机的履带、铲板、主机架、一运、后支撑等固化为一个整体(掘进机本体)，掘锚联合机的运动副约束见图1。(4)施加驱动以煤矿井下巷道高度为4m，宽4．5m时，打巷道顶部边锚杆孔的工况为例，回转台的驱动为STEP(TIME，0，0，10，26．3d);截割头升降液压缸(0);伸缩液压缸STEP(TIME，10，0，50，800);翻转液压缸STEP(TIME，50，0，70，－620);支座旋转(0d);支护液压缸STEP(TIME，70，0，79，1200);钻杆马达STEP(TIME，80，0，100，384000d);双倍程推进缸STEP(TIME，80，0，100，－1400)。(5)施加作用力钻孔机械手在钻进过程中，受到的力有钻削推进阻力和阻力扭矩，在RecurDyn中载荷的施加如下:支护载荷STEP(time，70，0，80，6000);钻头扭矩负载STEP(time，81，0，100，160000);钻头阻力AKISPL(TIME，0，Sp1，0)，其中Sp1表示钻头工作阻力随时间的变化关系，钻头阻力数据由钻头动力学仿真获得，如图2所示。

1．2模型建立机载钻孔机械手的虚拟实验模型如图3。整个振动系统模型如图3所示，仿真激振测试系统由激振器、输入通道、输出通道、掘锚联合机振动模型四部分组成，其中激振器作为激振测试的信号源，输入通道用来定义振动输入点和方向，输出通道则用来测量振动响应。采用RecurDyn建立掘锚联合机虚拟模型进行振动仿真实验，在模型中各关节处添加表1、2所示的刚度和阻尼，激振器的信号采用钻头阻力载荷，模型建立完成后，利用RecurDyn中的Eigenvalue求解器对系统的振动频率和相应点的时域信息等进行求解。

2钻孔机械手工作稳定性仿真分析

锚杆钻头在随机载荷作用下，使掘进机发生振动，为了分析掘进机机身的振动响应，测量了整机重心在X，Y，Z三个方向上的位移，沿着掘进机前进方向为X轴方向，垂直于地面竖直向上方向为Y方向，掘进机左右摆动方向为Z方向。图4所示:在X方向上，0～10s内重心位移急速下降了4．8mm，10～80s时间段内，重心位移缓慢变化，变化量在0．5mm左右，10～100s时间段内，重心位移随着激振信号幅值的变化而变化，但变化量较小，在0．5mm左右;在Y方向上，重心变化范围主要在0～20s时间段内，其余时间内重心处于缓慢变化状态，变化量在0．5mm左右;在Z方向上，重心位置变化情况与X、Y方向基本相同;由3个方向的重心位置变化曲线可知:掘锚机在启动阶段，即钻孔机械手随截割臂调整位置阶段(0～10s)，由于截割臂启动惯性的影响，重心会发生较大的位移，当机械手进入工作状态后，重心位移变化很小，在0．5mm左右，说明钻孔机械手打顶部巷道时，对整机稳定性几乎没有影响。

3机械手对掘进机工作稳定性的影响

3．1模型建立为了分析钻孔机械手对掘进机截割工作稳定性的影响，分别建立掘进机和掘锚机的振动虚拟实验模型，为了模拟截割臂工作情况，施加在截割臂上的竖直方向驱动为STEP掘进机截割头上下摆动截割时，整机的振动虚拟模型如图5。

3．2虚拟实验结果分析时域振动如图6所示，X轴方向上，0～5s时间内，截割臂在启动工作过程中，重心振动位移发生不规则的抖动，振动量在2mm以内，并且掘进机重心的抖动量要比掘锚机大一些，说明掘锚机在截割臂启动工作过程中的稳定性要优于掘进机;随着截割臂进入正常工作状态，重心位移也随之发生变化，其变化周期与截割头激励信号输入周期相同，从10～100s可以明显的看出掘锚机的重心曲线位于掘进机的下端，这说明在相同载荷情况下，掘锚机向后端偏移量大，此现象从理论上分析是不利于截割工作的，但其值在2mm左右，所以在实际工作中，该偏差是可以忽略的。Y轴方向上，两种模型中的重心变化趋势与X轴相类似，不同之处在于掘进机的重心位移曲线位于掘锚机的下面，说明钻孔机械手安装到截割臂后，增加了截割臂的重量，从而提高了整机在Y方向上的稳定性。Z轴方向上，截割臂在启动的过程中(0～5s)，重心发生了较大偏移，分析原因:截割头在刚开始的旋转工作时，产生了侧向切削阻力，加之掘进机履带与地面之间的切向刚度相对小一些，所以产生此种现象。由图6可以看出，两种模型中重心的位移误差均控制在2mm之内，分析三个方向重心的位移曲线可以得出:截割臂竖直截割工作时，钻孔机械手的安装提高了整机在竖直方向的稳定性，降低了其余两个方向上的稳定性，但两种模型中重心的差值均控制在2mm以内，由此可以说明掘锚机与掘进机两者的稳定性几乎是相同的。

4整机振动稳定性试验

根据掘锚孔整机的结构特点，其重心位于掘进机回转台旋转中心下端，所以在回转台的下端布置测点来进行整机的振动测试，测量钻孔机械手打顶部、侧帮锚杆孔，以及掘锚联合机在上下、左右摆动截割时，整机重心在3个方向的振动量。测试系统如下:(1)激励系统。以掘进机截割头工作过程中的实际截割阻力作为系统的激励。(2)传感器。采用KISTLER生产的三向加速度传感器进行测量，数据采前端PC工作站，一台工作站连接一部多通道数据采集前端，数据采集前端以模块化结构为特征。每一个输入通道都含有一个模拟信号适调模块，一个可编程放大器，一个模数转换器，一个可编程滤波器，本实验采用的是LMS公司通道数据采集前端。(3)分析软件:LMS公司的TestLab振动分析软件。测试结果如下:由图7、8可知:为满足打锚杆孔的需要，钻孔前需要截割臂左右摆动以调整机械手的位置，这时随着掘进机的启动和截割臂的摆动，整机重心发生了较大的位移，随着工作的进行，整机振动量趋于稳定，当机械手钻进破岩时，重心位移稍有增大;实验所测得的整机振动曲线比仿真曲线波动量大，这主要是因为在实际钻孔过程中，掘进机液压系统噪声、煤岩的节理发育使钻头破岩阻力与仿真阻力不同，以及其他外部环境因素造成的，但从整机振动曲线的发展趋势分析，仿真结果与实测曲线大致是相同的，所以说仿真结果是具有实际意义。由图9、10可知:掘锚联合机在纵向截割工作时，整机在竖直方向振动较大，其波动量在4mm左右，其余两方向波动量较小为3mm左右;在横向截割时，由于截割臂的摆角较大，故在开始截割时，整机的振动位移变化较大。由于掘进机液压系统噪声、煤岩的硬度不均匀、以及其他外部环境因素等造成了实测振动曲线与仿真结果稍有差别，当对比两种可以看出:仿真曲线从总体上，模拟了掘锚机在工作时的整机重心振动位移，该仿真结果具有一定的实际意义。5结论(1)通过建立钻孔机械手打巷道顶部锚杆孔时，掘锚联合机的振动模型，研究了整机重心的时域振动特性，结果表明:打顶部锚杆孔时，掘锚整机重心的振动位移在0．5mm以内，由此可以说明钻孔机械手工作时整机运行非常平稳。(2)通过建立掘进机截割工作时，整机的振动模型，研究了整机的时域振动特性，结果表明:掘进机正常工作时因钻孔机械手引起的振动偏差控制在2mm以内，说明机械手对掘进机截割性能的影响非常小。(3)通过对钻机手及掘锚机工作过程中，整机重心振动量的测量，验证了虚拟模型建立的正确性。

作者：毛君卢进南陈洪月孟辉单位：辽宁工程技术大学机械工程学院中航工业沈阳黎明航空发动机集团有限公司