可变速锚杆钻机

可变速锚杆钻机

孙自飞 吴俊杰 周宇宸 钱树 戴开

（安徽理工大学 机械工程学院 安徽淮南 232001）

摘要：可变速锚杆钻机在煤矿巷道锚杆支护过程中可以降低支护成本、提高支护效率、减轻支护人员的劳动强度、加快成巷速度、提高巷道断面的利用率，对煤矿企业发展具有重要意义。本文将对可变速锚杆钻机进行分析。

关键词：可变速；自动化；智能化；齿轮式气动马达；

基金项目：创新训练项目

项目编号：S202210361098

前言：气动锚杆钻机设备是煤矿开采中应用较为广泛的设备，在目前应用中具有良好的使用效果。但由于受到运行环境、人为因素等原因常会发生一些故障，给煤矿开采的质量和效率带来了一定的影响。现阶段大多数矿井存在巷道掘进支护耗时长、用工多的问题，护帮支护作业尤为突出，严重影响巷道掘进进度，而可变速锚杆钻机则可以有效解决这些问题。

1可变速锚杆钻机的设计目的与优点

可变速钻机的主要设计目的为解决在岩石硬度系数f<=10的巷道既可以钻顶钻锚杆孔，还可以搅拌和安装树脂药卷类锚杆、锚索，达到初锚预紧力的要求，可以有效降低支护成本、提高支护效率、减少支护人员的劳动强度、加快成巷速度、提高巷道断面的利用率。可变速锚杆的优点为装置体积小，重量轻，操作简单，维护方便，运转稳定，可靠性高；在功能设计上速度可以自由切换，实现钻孔及安装螺母等功能；采用齿轮式气动马达传动，扭矩大，转速快，运转稳定，可靠性高；配置双排气路，钻机回落快，加快作业节拍，提高作业效率，在矿下具有较大的应用前景。

2可变速锚杆钻机的设计要点

该可变速锚杆钻机的主要组成部分为气腿、操作臂、马达、传动部件等。主要功能为通过气动马达带动底部齿轮，通过中间齿轮，传给相连轴，实现动力传递使钻头旋转，钻头在旋转的同时产生冲击力将地下岩层等物质开采出来。

2.1 齿轮式气动马达设计

由于气动马达的安全无污染,防火防爆等优点,在工业中得到了广泛应用。但是由于空气的可压缩性等不确定因素,气动马达的理论研究和改进工作难以深入进行,致使目前气动马达的性能普遍不佳,效率很低。针对这种情况我们对齿轮式气动马达进行了数学建模和性能优化,对原有齿轮式气动马达进行了结构上的改进,提高了马达效率。我们根据流体力学和气压传动原理及齿轮马达的结构特点,以力矩平衡和流量平衡的思想建立了力矩,流量的数学模型。完成了齿轮式气动马达的输入、输出功率的推导,提出了齿轮式气动马达的效率模型,完善了气动马达的静态特性模型，然后根据优化结果改进了现有齿轮式气动马达的结构。 在现有的齿轮马达实验台的基础上,对齿轮式气动马达进行了实验研究,测试了马达的力矩—转速特性、流量—转速特性和功率—转速特性,并与这种马达的理论研究进行了比较,通过实验验证了静态特性模型的正确性并建立了齿轮式气动马达的静态特性的数学模型。在此基础上,进行了气动马达的性能优化,并根据优化结果完成了马达的结构改进,提高了马达效率。

2.2双排气路设计

在气路方面我们通过排气系统的消声特性进行研究,应用三维数值方法对消声器的传递损失进行预测,并建立此消声器所匹配发动机的燃烧模型,计算在发动机不同工况下消声器入口处的气流温度速度作为影响因素,对发动机影响下消声器实际传递损失的变化进行分析,最后将仿真结果和试验进行对比发现双排气路可以更好的实现噪音的控制，提高钻机的动力性能，使钻机回落快，加快作业节拍，提高了作业效率。

2.3可变速功能设计

锚杆钻机作为锚固工程的关键设备,其性能的优劣直接影响整个掘进进程的质量、成本以及进度。实现液动锚杆钻机钻进过程的执行机构主要由推进机构和回转机构两部分组成。推进机构通过液压缸为钻机提供破岩的轴向推进力,控制钻机的钻进速度。回转机构通过阀控液压马达系统,实现岩石的旋转切削。二者协调配合,实现岩石的破碎和有效钻进。目前,锚杆钻机的钻进控制主要由人工手动控制,依赖操作人员的工作经验。不恰当的回转速度和推进力,导致钻杆别杆、断杆甚至钻机停机等故障,大大影响采掘过程的整体效率。因此,有效提高钻机钻进速度成为提高掘进效率的重要保证。优化钻机钻进过程的核心在于控制钻机的推进与回转机构。针对任意一类岩石,钻机存在一个最优的破岩转速和推进力。基于此,首先,考虑锚杆钻机系统中存在的非线性、参数时变性和多干扰特性,分别建立回转系统和推进系统的数学模型。进而,针对回转系统,利用钻机运行过程中采集的回转压力、转速等信息,估计岩石硬度系数,确定最优转速。为克服回转系统中存在的非线性、阀死区特性,以及未建模因素对控制性能的影响,提出带死区补偿的自适应鲁棒回转速度控制方法。结果表明,控制器具有优良的动、稳态性能,并且控制效率较高。其次,考虑到推进系统的非线性和参数时变性,以及多种因素引起的系统扰动,提出一种钻机推进力自抗扰优化控制方法。该方法基于围岩地质条件,动态估计推进力给定值;根据推进系统模型阶次,设计自抗扰控制器。当围岩性状发生变化时,考虑到系统的响应快速性和动态稳定性,采用粒子群优化算法实现自抗扰控制器参数的动态优化整定,保证推进系统获得最佳的响应性能。将提出的方法应用于多种围岩下锚杆钻机的推进力控制,基于Matlab和AMESim的联合仿真表明,提出的方法在保证系统稳定和可靠的同时,具有非常优越的动态性能。最后,考虑到回转系统和推进系统在钻进过程中的同步工作特性,为保证整个钻机系统的最优运行,提出基于主从方式的锚杆钻机推进回转协同自适应控制策略。根据锚杆钻机前一周期钻进过程的相关信息,预测当前钻进过程中的围岩岩石硬度系数,从而预先设定当次钻进的最优推进力和最优回转速度。由于回转压力能近似反映围岩性状变化,所以协同部分以回转系统为主机构,通过采集回转压力,并进行低频滤波,自适应调整从机构最优推进力给定,从而达到钻机推进回转的自适应协同动作,为锚钻装备的自动化、智能化奠定理论基础。

3基于可变速锚杆钻机的用途

可变速锚杆钻机可以应用于水电站、铁路、公路边坡各类地质灾害防治中的滑坡及危岩体锚固工程，特别适合高边坡岩体锚固工程，还适用于施工城市深基坑支护、抗浮锚杆及地基灌浆加固工程孔、爆炸工程的爆炸孔、高压旋喷桩、隧道管棚支护孔等，其独特的传动设计和可变速模式使得其可以被广泛的应用于多种多样的环境，同时它的体积更小，重量更轻，运转更稳定，可靠性更高操作更便捷，节约了劳动力。

结束语：总而言之，可变速锚杆钻机具有广泛的应用途径，能够有效的解决在不同硬度的岩层下进行开采作业，而且操作比较简单，效率高，能延长钻杆的使用寿命，降低了钻杆的成本消耗，可以对其进行大面积推广与应用，以此提高我国的基础设施建设。

参考文献

[1]郑泊芝. 齿轮式气动马达的建模与性能优化[D].北京交通大学,2008.

[2]程伟.基于围岩感知的锚钻装备推进回转协同自适应控制研究[D].中国矿业大学,2018.

[3]徐春华.齿轮式气动马达的静态特性的理论与实验研究[D].北京交通大学,2006.