1、 本科毕业设计（英文翻译）题目 New generation automated drilling machine for tunneling and underground mining work(新一代自动采掘钻机) 院（系部） 机械与动力工程学院 专业名称 机械设计制造及自动化年级班级 04 级 1 班 学生姓名 程习伟 指导教师 高国富 2008 年 6 月 10 日河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）1新一代自动采掘钻机摘要介绍了新一代自动采掘钻机的选择问题，论述了设计一台钻机的要求，初步探讨了自走式钻机的发展，建立了在不同载荷作用下的钻机的虚拟模型，进行了承载机构的有限元计算。机器
2、的所有操作全部自动化，设计结果是一种新型的自动化钻机。关键词：有限元法；钻机；采矿1 引言钻机在煤矿采掘中广泛应用。这种钻机必须具有相应的功能满足用户需求。图 1 为一种新型的自动钻机模型。图 1 自走式双臂钻机依据这种模型，自走式采掘机能用来钻孔和锚孔。其所有型式和变型都有一个完全相同的牵引部和一个前台（图 1） ，主要不同之处在于两个工作臂及其附件。新一代钻机的具体应用是锚杆支护或（在改组和液压系统改型之后）隧道和矿下采掘钻孔。钻机由一个万能牵引部、一个有操作保护机构的前台和一个能附带不同工作工具的直臂。这种机器适用于长 1.82.6m、直径 2838mm 的扩展式附着锚，钻穿孔直径45
3、76mm，长度达 4340mm。由于负荷敏感液压系统装有工效操纵杆，工作工具能迅速复位，液压进给能迅速调节到钻机钻穿孔或锚孔的功率需要。现代静传动机组允许机器地河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）2下开挖与纵向倾角 12，确保从内燃机到车轮驱动的灵活传动。为了满足所有的噪音和废气清洁度，在传动过程中，驱动机组确保操作人员良好的工效条件。由于操作人员要在非常困难的环境条件下工作，例如，高的环境温度（35C ） ，高湿度（大约 95%）和空气流动有限的封闭区域（采煤工作面） ，机器应该装有空气状况工效舱室。机器有一个能 360旋转的直臂（图 2） ，该臂的运动能在采掘横截面 35m2钻并行孔和在机
4、器的一端 7.5m 宽和 7.0m 高的采掘面中锚杆支护。图 2 能 360旋转的动臂在市场调研的基础上，制定构建钻机的方案和指导方针。首要考虑的是钻机的外形尺寸和参数：最大移动高度：2500mm；可供选择的空气密闭舱；锚孔高度：最大 6.5m,钻孔横截面面积：30 35 2m；挖掘的传动宽度：最大 4.5m；挖掘的纵向坡度：12 ，横向坡度：7；钻机宽度：最大 2200mm；钻机速度：主动轮高达 5km/h,被动轮高达 12km/h；装有静传动机组的标准模型，可供选择的动力传动机组；操作舱必须满足正冲击强度要求11600J 的冲击能量（例如操作保护装置的河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）3
5、要求） ；工作舱在传动和工作期间必须开放空调；最小有效冷却湿度：282K（5） ，开采工作面外部温度：308345K，高湿度，当移动到一个新的工作面时温度和湿度频繁改变。其次是装有锚固回转台的的工作工具：回转台应该紧凑并能使钻机在不稳定的顶板工作且紧靠墙壁最大 0.5m；锚固回转台有一个至少能储藏 8 个锚杆的储藏室；在 6m 宽的巷道中，在钻机的端部安装 2 排锚杆；锚杆 1.82.6m 长；钻机能安装不同的锚杆（展开式和附着式） ；工作工具（臂和自动回转台）高度耐用；附着式锚杆自动安装。对装有工作工具钻机机身的推荐：在凿岩机情况下，需要允许直臂精确迅速地重新设置工作工具；可选框架 3660
6、m 和 4920mm 标尺，装载于该钻机；高耐久性的工作系统（直臂和钻机框架） ，润滑系统；臂长：1500m；钻机机身长度：1500mm；钻头尺寸：4551mm。关于机器的设备的推荐：钻机必须单独操作；机器必须有一个现代化的液压系统（有可靠的液压泵；分布器及伺服电动机适应矿山环境） ，确保无故障运行；机器必须具备人体工程学的控制小组与多功能摇杆快速和准确的工作工具复位；机器必须配备电动滚筒卷紧和放松电缆，后者则不能活动，应自动卷紧和放松；为冲水钻井机器必须装有一个水鼓（不适用于吸力钻井） ；需要电源组。开发了一个概念性的虚拟样机的自行式钻机与两个工作臂（图 3） 。河南理工大学毕业设计（英译汉
7、论文一）4图 3 自走式钻机三维虚拟模型图 4 臂的几何形式河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）5图 5 表面模型图 6 臂（包括扩展内部管道）的有限元网格离散模型河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）6图 7.根据胡贝尔米泽斯理论降低应力等高线，t=0.925s2 原型臂及连接臂和驱动杆的悬浮齿轮的强度计算臂的几何尺寸（图 4）采用 IDEAS 软件设计。臂结构有赖于两个伺服电机，并通过一个铰接式联合连接到一个平台。在它的前面装有馈线或和臂相关的在两个平面内（纵向和横向）可旋转的井架。图 5 显示了用于离散化的表面模型。图 8 载荷减少的悬浮齿轮点的几何模型河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）
8、7图 9 悬浮齿轮的离散模型图 10 根据哈伯米塞斯理论在暂停齿轮上的应力减少河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）8图 11 钻机承载结构的几何模型直臂材料是钢 weldox700，其静态材料性能分别如下：屈服点： ，MPaRe70min抗拉强度： ，938i伸长率： 。%145A几何模型被用来作为离散直臂模型（图 6）有限元强度计算的基础。3T 和 4T 壳单元用来离散直臂。这些都是在一个节点有 6 自由度的三角和四角星厚壁分子，其中考虑到厚壳理论，平均有限元的大小是 20 毫米。考虑到该材料在强度测试和配置时，可能部分增塑（材料非线性）可能会改变相当大，导致大挠度（几何非线性）所有的有限元
9、素都适应二种非线性的计算。应用动态激励进行直臂的强度计算，同时考虑到材料和几何非线性。在其最高时速12km/h，钻机驱动前轮作用在直臂上的负荷超过 100mm 高的障碍。以自走式钻机整个运动系统为蓝本（伺服机构和销视为非变形机构） ，确保有足够的分析条件。直臂负荷承受机构的非线性动力学分析，利用有明确算法的 PAM-CRASH 软件求解系统微分方程。位移、速度点和应力的轮廓，在承重结构的个别组成部分获得。图 7 显示了一个在选定结构上即时应力分布的示例（随着时间的变化特定处的应力迅速减小） 。直臂及其暂停齿轮的静态分析涵盖了穿孔的不同情况。两个最有利的暂停齿轮加载配置工作，通过分析加载暂停齿轮
10、产生的力矩选定延长内管。在这两种情况下，钻机位于相对爱悬浮齿轮位置极端的后方。河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）9该模型中的所有质量减小到一个点，由于悬浮齿轮重力和轴向力的负载减小，而导致的 A 点进给如图 8 所示。暂停齿轮的离散模型（量元素）如图 9 所示。悬浮齿轮在载荷的作用下，减小质量（图 10）产生的最大垂直负荷，是在数值计算的基础上确定的。在另一情况下，额外的基础受到了扭转，但该组件的整体作用是较小的。3 牵引部和钻机平台承重机构的强度计算该平台结构，有赖于两个轮子，并以铰接式与牵引部连接。在前面，这是装有臂与桅杆，在两个平面内（横向和纵向）相对平台旋转。作用在工作台上的载荷是由
11、工作臂、牵引臂的质量以及各种工作引起的（包括由进给引起的力的作用） 。下面介绍了工作台和牵引部承载结构的静态和动态载荷的有限元强度计算。该强度分析涵盖了载荷的四种情况：情形 1 该吊臂在处于运输位置；情形 2 一支工作臂相对钻机轴线旋转到最大角度；情形 3 一支工作臂相对钻机轴线旋转到最大角度的一半；情形 4 两支工作臂处于直行位置。使用 I-DEAS 软件设计工作台和牵引部机构（外部形状已定义）的几何模型（图 11） 。几何模型是用有限元法设计工作台和牵引部离散模型（图 12）的基础。壳 3T 和壳 4T 元件，是四角星四结点元件（平均有限元大小约 20 毫米） ，在每个结点上有 6 个自由
12、度，应用厚壁理论离散工作台和牵引部承载机构。图 12 离散模型：a）牵引部，b）工作台河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）10采煤机承载机构的离散模型在上述四种载荷情形下用计算机仿真。工作台和牵引部承载结构的强度计算用 I-DEAS 模块表示出来，该模块是应用一隐形算法解决微分方程的系统。特殊情形下载荷的计算结果示例如图 13 和图 14。图 13 根据胡贝尔米泽斯理论降低牵引部和工作台承载机构的压力受载情形 1图 14 根据胡贝尔米泽斯理论降低牵引部和工作台承载机构的压力受载情形 44 自行式钻机原型的台架试验图 15 是威尔科煤矿主机有限公司制造的一种钻机原型，该原型进行运行试验（图16）
13、和台架试验，在试验中自行式钻机承载机构的摆动频率得到测量。测量结果如表 1所示。河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）11图 15 钻隧道用自行式钻机 FM2.5 原型图 16 自行式钻机 FM2.5 原型的操作测验表 1 钻机摆动频率的测量结果序号 自由摆动频率 摆动形式1 2.2729 臂在水平面内摆动2 2.6129 臂在垂直面内摆动3 3.15504 3.4880 臂扭转摆动5 4.45736 4.6915 结构后方扭转摆动7 6.4221 臂在垂直方向摆动8 7.9160 结构后部在垂直面横向摆动9 11.2079 结构后部扭转摆动10 15.3566 结构横杠的定位摆动最小摆动频率存
14、在于臂上，因为臂的大部分具有低的弯曲和扭转刚度。前 5 个摆动频率：从 2.27Hz 到 4.45Hz 确定在这个区域。另一个与摆动相关的结构部件是机构的尾部，尾部轴线上方结构窄化，在水平面产生横向摆动（7.91Hz）和扭转摆动（4.69Hz河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）12和 11.2Hz） 。5 工作操作的自动化由于这种机器在非常困难的条件下工作，其必须装有空调冷却室，并附带有岩石防滑保护装置（RSPS） 。要求所有的工作操作自动执行，而且钻机由一个操作员操作。机器配备有空调冷却室，该室内安装有计算机操作控制装备。其中有一个计算机复查器，操作员经由操纵杆(图 17)了解而且控制所有的
15、操作。当一个操纵杆引导吊杆的时候，另一个控制钻头。运行的操作的即时参数，举例来说，在地上凿穿的洞的间隔,在计算机屏幕上显示出来。钻孔在复查器屏幕( 图 18)上用计算机数据登记和可视化控制。分析岩石硬度，而且即时选择钻机参数，测量被在地上钻穿的洞。为了以最低的成本钻并且摧残一个最适宜的轮廓，在挖隧道时，要有一个基本的目标，这意味着较少的塌方和较低的风险（塌方的移除是相当昂贵的） 。三维立体轮廓在大部份的情形下被安放在一个巨大的装备上而且能被钻机操作员操作。三维立体轮廓特征如下：在钻孔/引炸期间一个隧道轮廓检查当做一个正常的操作,一扫描 3-空间的轮廓被测量，而且在轮廓方面的点被显示到操作员,陷
16、落通知操作员，塌方计算并显示给操作员，被记录的轮廓能被在个人计算机上显示而且以书面的形式备案,陷落可以在下一个外圆角中钻/摧残，轮廓能以较小的误差和较小的移除昂贵陷落的风险钻出。计算机系统确保高质量在地上凿穿的洞以及钻具和钻机的较长寿命。自行式钻机装备有激光控制-测量系统。该系统的应用如图 19 所示。河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）13图 17 左边操作柄上的自动吊杆控制自动功能，右边的控制钻动功能图 18 计算机在复查器屏幕上用图解式的可视化控制钻机河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）14图 19 自行式钻机装有激光控制系统：a)工作原理图，b)隧道轮廓的激光测量,c) 基于激光测量的
17、隧道表面6 设计的评价采矿公司,包括在卢宾的波兰 K.G.H.M,基于旧的设计已经特殊化了采矿机器。机器的生产力和工作质量是很低的。此外，因为他们在高生产力下不确保工作安全，所以，他们不适合工作自动化。操作这样的机器的采矿公司正在找寻高容量自行式的钻机在确保他们的操作员的最大的安全的情况下，做高质量的工作。河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）15提供的机器的多吊杆设计已经得到来自潜在的客户的赞成。成功的关键是与一个框结构整合的适当吊杆的设计,各个方向都携带适当的负载，并促成工作用工具的工作操作。另外，在工作台和牵引机的形状方面，万用骨架的发展也很重要。设计的成功也能归因于对机器的所有商业模型是
18、同一的牵引机的设计。当然，工作台的设计是通用的。自行式钻机的商业模型之间的设计差异仅仅在于安装臂和附件的方法。7 结论钻穿孔或隧道和矿物的顶部，自行式钻机在深度 1000m 以下的较差挖掘条件下工作已经实现，万用牵引机和工作台(两者的尺寸依照强度标准)最初的框架也已经设计。分析的结果使设计最适宜的承载结构成为可能。依赖它的模型,自行式采矿机能钻孔或锚孔。所有的模型有一个同一的完全牵引机和一个前台而且只在工作吊杆和他们的附件有差异。适应隧道挖掘工作的采矿机模型(图 20)是最重的和负载是最大的 ,重量高达27,000kg。图 20 AMV2ABC-CC 型隧道挖掘钻机在矿物挖掘中，已经设计出了用
19、于锚杆支护(在更新设备和修正水力系统之后)和钻孔的钻机。在采深 1000m 以下，遵照现在的标准，保护操作员免于地下挖掘岩石滑动的结构，需要自动化采掘单一操作采矿机装备有现代工作工具和空调操作室。根据地质条件河南理工大学毕业设计（英译汉论文一）16和用户需求，目前的自行式钻机能使膨胀和粘附型锚杆装置锚 1.8-2.6m 长，直径 28-38mm 的孔，钻直径 45-76mm,长 4340mm 的孔。由于水压载荷敏感系统装备有工效操纵杆，工作工具能迅速复位，并且液压进给能迅速适应钻头钻孔或锚孔的功率需求。现代的液体静压驱动装置允许机器在地下的挖掘在 12范围内调整纵向标高，而且确保从内燃机到行轮的灵活传动，即使是最重的模型。为了达到所有的噪声和排气清洁标准，在传动过程中，驱动机构要确保操作员良好的工效条件。一种新型的直臂已经问世，这种直臂可旋转 360，在采矿时能在横截面积 35 2m的地方钻平行孔，并且能把机器的一端锚固在7.5m 宽， 7.0m 高的工作面顶部。参考文献略附：英文原文见下页
