1、煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050070引言随着煤矿井下钻进技术不断发展，钻进工艺技术运用越来越广泛，从早期仅用于煤层瓦斯治理近水平本煤层钻进，成功运用到顶底板岩层或穿层钻进，钻进瓦斯抽（排）放孔、注浆防灭火孔、煤层注水孔、防突卸压孔、探放水孔、地质勘探孔等其他工程钻孔。由于钻孔类型不同，势必要求开孔姿态多样化，主要依靠调整开孔倾角、开孔高度和方位角来实现，目前钻机大多数采用履带式结构，方位角通过履带的行走功能进行调节，开孔倾角和开孔高度依靠机架来调节，然而传统高
2、位钻机几乎以近水平角度进行开孔，因此调节倾角范围大多数在-1010，不具备大倾角或者负倾角的调节功能，根本不能满足上述各类型的钻孔施工。本文研制一种倾角范围为-30+30、带连杆机构的新型机架，解决高位钻进开孔倾角范围小的技术问题。1大倾角机架结构设计大倾角机架通过在机架前后各安装一只升降油缸来实现正负倾角调节功能，在进行正倾角施工时，机架前升降油缸保持不动，后升降油缸伸出抬升机架从而实现正倾角30施工，负倾角-30施工时则相反，其中俯仰油缸总行程为1 560 mm，级数为3级，各级行程为520 mm。为保证高位钻孔时机架稳定，在机架下方安装有连杆机构，连杆机构可防止机架升降及钻机施工过程中机
3、架发生倾覆。机架前后分别安装有锚固拉杆，锚固拉杆可限制机架绕连杆支点转动，这样可保证机架工作时处于稳定锚固状态。油缸缸筒与履带车架通过铰轴联接，油缸活塞杆通过铰轴与机架铰接，机架升降时油缸处于铰接状态可随机架摆动。在钻进工况下机架的受力主要为：推进力达到160 kN，扭矩达到6 000 Nm。大倾角机架结构如图1所示。图1大倾角机架结构1.前升降油缸2.机架体3.连杆机构4.锚固支撑杆5.后升降油缸6.锚固拉杆2大倾角机架静力学分析假设机架在锚固后钻进工况下受扭矩6 000 Nm，高位钻机大倾角机架设计及分析*李和祥1，2（1.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监
4、控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）摘要：机架作为煤矿用钻机的承载与稳固机构，其结构直接影响钻机的性能。设计了大倾角机架,建立了机架的力学分析数学模型，同时在Inventor中对其进行仿真分析，机架运动过程中无奇点，连杆组的运动轨迹平滑，机架危险位置为油缸伸出到1 350 mm、机架倾角为25。对其危险位置和最大负倾角位置进行理论计算与仿真，结果表明大倾角机架设计合理。关键词：机架；设计；力学分析；数学模型中图分类号：TD41文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0021 03Design and Analysis of High Angle Frame of
5、High Position Drilling RigLi Hexiang1，2(1.Chongqing Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group,Chongqing 400039,China；2.State KeyLabortory of Gas Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China)Abstract:As the bearing and stabilizing mechanism of the coal mi
6、ne drilling rig,the structure of theframe directly affects the performance of the drilling rig.Designed high angle frame,the mechanicalanalysis mathematical model of the frame was established,at the same time,simulated and analyzed inInventor.There is no singular point in the movement of the frame,t
7、he movement track of theconnecting rod group is smooth,the dangerous position of the frame is at the position where the oilcylinder extends to 1 350 mm and the angle of the frame is 25.The theoretical calculation and simulationof the dangerous position and the maximum negative angle position show th
8、at the design of the highangle frame is reasonable.Key words:frame；design；mechanical analysis；mathematical model*中煤科工集团重庆研究院有限公司自立创新引导项目（2022YBXM56）12345621起拔力160 kN，为验证机构的合理性需，对各铰接点受力分析，可分2步进行，首先分析160 kN的起拔力，然后分析6 000 Nm的扭矩，最终各节点受力为两部分力的合力，机架整体受力如图2所示。图2机架整体受力图1.左锚固杆2.机架3.右锚固杆4.撑杆5.连杆组连杆组作为关键部件，还需对
9、其进行受力分析，将连杆2、3视为二力杆，其关系如图3所示。图3连杆组受力图1.杆1 2.杆2 3.杆3 4.底座杆2和杆3近似平行，为方便分析将其视为平行，同时对杆组进行受力分析得到方程：F3F5F6（1）F3OO2F5OO1（2）因锚固后2个俯仰油缸受力较小，分析时将锚固后的油缸推力忽略，同时将锚固杆、撑杆视作二力杆，将模型适当简化，对机架和整体进行受力分析可知未知数数目大于方程数目，因此模型还需建立变形协调补充方程，对机架受力分析如图4所示，变形协调关系如图5所示。图4机架受力分析图图5变形协调关系图由平衡关系和变形协调关系，可得方程：-F1sin 1-F2sin 2-F3sin 3-F4
10、sin 4+mgnsin+F=0（3）F1cos 1+F2cos 2+F3cos 3+F4cos 4-mgncos=0（4）F1OO1+F3OO3+F4OO4+FOOF-mgnOOM=0（5）F4L4E4A4=OAOCF6L6E6A6（6）式中L4、L6、E4、E6、A4、A6杆4和杆6的长度、弹性模量以及横截面积；F起拨力。因模型关于机架中间平面对称，因此这里取F=80 000 N，=30、1=16、2=61、3=49、4=71、m=1 072 kg、OO1=3 050 mm，OO3=1 363 mm、OO4=831 mm、OOF=1 533 mm、OOm=1 478 mm，联立式（1）式（
11、6）可求出：F1=-46 780 N、F2=109 110 N、F3=1 485 N、F4=2 574 N、F5=5 786 N、F6=-4 301 N，同时可以得出杆2受压、杆3和左锚固杆受拉，受力如图6所示。图6各支撑点受力关系图施加的扭矩由3组支撑机构承担，即锚固杆支撑机构、连杆组支撑机构以及撑杆支撑机构。其中锚固杆支撑机构有4个支点，计算扭矩时对撑杆力做适当简化，将4个支点看作受相同拉压力。因此有：M=M1+M2+M3（7）M1F7O1O2M2F8O3O4M3F9O5O6|（8）由支撑点的实际支撑位置和几何关系可得O1O2O3O4O5O6221（9）式（9）中，O1O20.4 m、O3
12、O40.4 m、O5O6=0.2 m。同时将机架视为刚体，则支撑点处根据小变形理论可得F7L7E7A7F8L8E8A8F9L9E9A9123=221（10）式中Li、Ei、Ai支撑杆长、弹性模量、支撑横截面积，均已知，i=7，8，9。由式（7）式（10）可得F7=8 000 N、F8=5 500 N、F9=3 000 N，方向垂直于机架。综上可知，各支撑点受力为起拔和扭转两部分力的合力。左锚固杆左、右支撑点受力：第44卷第5期Vol.44 No.5高位钻机大倾角机架设计及分析李和祥12345F6F5F24yxFF4BA3OF11234F6F5yxO2O1F3mgnFF4yxOFO1F3F13O
13、324O4OF21OF8F7MF9O11F8F7F9O3O5O6O4O235O锚固杆左支点连杆组左支点撑杆左支点撑杆右支点连杆组右支点锚固杆右支点扭矩加载点1.杆1 2.杆2 3.杆3 4.撑杆43BBAcoddAC机架位置2机架位置1123422Fz1=F724-F1F7cos 1+F12=42 929 N（11）Fz2=F12F1F7cos 1+F724=50 637 N（12）右锚固杆左、右支撑点受力：Fy1=F22F2F7cos 2+F724=111 104 N（13）Fy2=F724-F2F7cos 2+F22=107 227 N（14）连杆左、右支撑点受力：FL1=F322F3F8
14、cos 3+F82=6 570 N（15）FL2=F32-2F3F8cos 3+F82=4 662 N（16）撑杆左、右支撑点受力：Fc1=F422F4F9cos 4+F92=3 530 N（17）Fc2=F42-2F4F9cos 4+F92=2 840 N（18）对最大受力节点的连杆销轴（轴径50 mm）进行校核验算，右锚固杆处的应力56 MPa，连杆组中杆3处受力最大，其实际应力13 MPa远小于其许用剪应力141 MPa。因此机架设计合理。3大倾角机架仿真分析在Inventor软件中建立大倾角机架的运动学和力学仿真模型，Inventor软件使用模块化的可视化建模环境对虚拟样机进行仿真分析
15、，可方便直观地得出机械系统的各项性能。（1）机架运动轨迹仿真验证机架正负倾角仿真图如图7所示。由图7可知，机架正负最大倾角分别为29.2和29，与理论值30接近，其误差小于3%，同时连杆的仿真轨迹与理论计算基本重合，且轨迹平滑无奇点，验证了机构设计的正确性。时间/s图7机架正负倾角仿真图1.负倾角2.正倾角（2）机架关键部件受力仿真机架关键节点与连杆组受力仿真图如图8、图9所示。通过图8和9仿真曲线可以看出在机架从初始运行到最终停止的过程中，机架安装板和连杆组在运动到13.5 s即三级油缸伸出长度为1 350 mm时受力最大，此位置为危险位置。当运动到15.6 s即三级油缸伸出长度达到极限位置
16、后，机架安装板的受力稳定在24 000 N，等于机架的重力，连杆组的受力也稳定在2 00010 000 N。理论计算与仿真对比如表1所示。由表1可知，在危险位置处，连杆组和撑杆的受力较最大倾角处有明显增大，受力节点的理论计算值与仿真值相近，且除撑杆右支点外误差均在3%以下，撑杆节点误差较大的原因在于两撑杆不关于机架中间平面对称，处理力矩时对其进行了简化。综上所述，大倾角机架的力学模型建立准确。对最大受力节点的连杆销轴进行校核验算，锚固杆处的实际应力68 MPa，连杆组中杆3处受力最大，其实际应力44 MPa远小于其许用剪应力141 MPa。因此机架设计合理。时间/s图8机架最大倾角处关键节点受力仿真图1.右锚固左支撑点110 252 N 2.右锚固左支撑点106 135 N 3.左锚固左支撑点51 328 N 4.左锚固左支撑点43 853 N 5.连杆左支撑点6 712 N 6.连杆右支撑点4 758 N 7.撑杆左支撑点3 633 N8.撑杆左支撑点3 018 N时间/s图9连杆组受力仿真图表1理论计算与仿真对比表4结语（1）建立了机架静力学分析模型，并在计算中验证了理论模型的正确
