履带式自动换杆液压钻车设计研究

作     者：董浩浩 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵继云

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：自动换杆 液压锚杆钻车 自适应模糊PID控制 

摘      要：煤矿井下钻探施工是进行矿井巷道支护、瓦斯治理和冲击地压防治最直接有效的手段,液压锚杆钻机作为煤矿井下极为重要的钻孔机械,其自动化程度在很大程度上决定了锚杆支护的效率和安全性。随着对锚杆钻机研究的不断深入,钻机在功能和适应性上已经有了很大改善,但是在换杆机构和结构布局上还有较大改进空间。现阶段急需开发出一种自动化程度较高、结构设计合理、移动方便且控制策略合理高效的液压锚杆钻机,该钻机可以提高换杆速度,钻孔效率高,能够实现自适应钻进,大幅度提高煤矿锚杆支护的效率,保障煤矿工人生命安全,具有十分重要的现实研究意义。针对目前矿井液压锚杆钻机换杆布局不合理、换杆速度慢及控制策略简单等问题,本文就履带式自动换杆液压钻车的结构设计、关键参数、钻车力学特性和钻孔的自适应控制策略等展开了设计研究工作。通过对履带式自动换杆液压钻车钻进参数和自动换杆机构关键参数的计算和研究,提出了自动换杆钻车关键部件的设计理论及方法,仿真分析了该钻车设计的合理性。本文开展的研究内容如下:首先分析了煤矿巷道锚杆钻机等钻孔机械的研究现状,研究了履带式自动换杆液压钻车的工作原理,总结了锚杆钻机及其自动换杆机构的设计理论和方法,提出了本论文的研究内容和技术路线。研究了液压钻车的工作环境和总体设计原则,研究设计了履带式自动换杆液压钻车总体方案及其关键部件,包括履带行走机构、调位液压臂、顶部承载机构、自动换杆机构和液压锚杆钻机。基于液压锚杆钻机的总体需求和自动换杆机构的工作原理方案,计算液压锚杆钻机和钻杆库的关键参数。根据煤矿巷道中实际作业环境,液压钻车采用全液压驱动,行走机构采用履带行走机构,调整姿态使用调位液压臂,钻进系统采用液压缸-链条倍程进给机构和滑移式钻架。在此基础上设计了履带式自动换杆液压钻车的液压系统,并对液压元件进行了计算选型。基于有限元分析理论,采用ANSYS Workbench软件对液压钻车的锚杆钻机钻架和钻杆库的关键部件进行了静力学分析和模态分析。通过静力学分析得到了锚杆钻机钻架和钻杆库关键机构的应力分布云图和总形变位移云图,证明钻架的强度和刚度符合设计要求。通过模态分析得到钻架和钻杆库的前六阶固有频率和振型图,分析结果表明钻架和钻杆库的固有频率均大于工作频率,证明钻机工作过程中不会因共振导致生产事故。通过对钻车关键结构的有限元分析可知,钻架和钻杆库的设计均满足设计要求。在对钻车关键结构进行有限元分析的基础上,对履带式自动液压钻车进行了刚体动力学和运动学分析。在不影响分析结果的基础上,对液压钻车的三维模型进行简化,将液压钻车的模型导入到ADAMS中,对其进行模型的合理简化、约束与驱动以及时间函数的添加,得到虚拟样机,通过仿真得到液压钻车各个工作机构的运动曲线。通过对钻车结构的运动分析证明,钻车各个结构在运动过程中不会发生干涉现象,运动平稳,能够完成预期运动,钻车结构设计合理。采用AMESim软件对履带式自动换杆液压钻车的钻进控制回路进行了仿真分析,并对液压锚杆钻机动力头钻进位置的自适应模糊PID控制进行了相关研究。传统PID控制器结构简单、稳定鲁棒性能好,缺点是当工程系统运行的时候,PID控制器所有控制参数无法改变,不能应对时变性强和瞬变工况。因此本文使用传统PID控制算法作为对照组,另外设计了自适应模糊PID控制器,实现了整定参数的实时调整。依据钻机设计参数,对仿真系统的参数进行设定,对动力头推进回路进行了仿真研究,使用AMESim和MATLAB/Simulink构建了液压锚杆钻机动力头推进位置联合仿真模型,并利用Simulink和AMESim完成联合仿真和分析,结果表明,自适应模糊PID控制算法能更加精确地控制钻孔位置,相较于传统PID控制,模糊PID控制的跟踪误差仅不到传统PID控制跟踪误差的50%,且有更强的时变工况应变能力和动态性能。本文以履带式自动换杆液压钻车为研究对象,重点研究了液压锚杆钻机的自动换杆及其高效自适应控制,计算了锚杆钻机的关键参数,设计了钻车的关键工作机构,对整机、锚杆钻机钻架和钻杆库关键部件做了性能分析,并对锚杆钻机钻孔的自适应控制做了研究,为液压锚杆钻机的自动化换杆和自适应控制开发提供了理论参考和技术支撑。