关键词:
煤矿机械
竖井装备
钻锚装置
岩性识别
摘要:
煤矿竖井开采过程中,井壁锚杆支护将制约竖井施工安全性和效率。由于当前竖井井壁锚杆支护主要由人工完成,封闭空间内作业环境恶劣、劳动强度大、作业精度低、工程成本高,严重制约了矿井施工效率和安全。为此,本文设计了一种竖井环轨钻锚机,为竖井井壁钻锚支提供一种高效的解决方案。主要内容如下:
(1)根据竖井井壁支护施工工艺,设计了竖井环轨钻锚机的总体结构。竖井环轨钻锚机整体分为钻锚机、存杆上杆机构以及驱动机构三个部分,开展了其关键部件结构设计及参数计算,并针对其钻锚机、驱动装置、液压马达等关键装置开展了选型设计,进而建立其三维模型。
(2)关键部件马达滑块和侧向轮夹手的有限元分析和结构优化。基于竖井环轨钻锚机施工负载条件,建立了关键部件马达滑块和侧向轮夹手的有限元分析模型,开展了强度和刚度的校核和动态特性的分析,并建立了多目标优化模型,分析了马达滑块的开孔面宽度、开孔直径、侧面到中心距离以及侧向轮夹手的夹持板宽度、夹持板厚度、固定面长度对于最大应力、最大形变和质量的影响,结构优化后,马达滑块最大应力相较于优化前降低了 12.7%,侧向轮夹手相比较优化前后最大应力减少了13.8%。
(3)竖井环轨钻锚机液压系统设计与仿真分析。针对竖井环轨钻锚机的作业流程及各执行部件的动作流程,将液压回路分为升降回路、夹紧回路和钻进回路三大模块,进而设计出钻锚机的整机液压系统,建立其AMEsim仿真模型;并分析了转动载荷、节流阀开度、蓄能器预充压力、溢流阀开启压力等参数及偏载工况对液压系统压力及流量特性的影响规律。结果表明:载荷为900N·m~1200N·m,节流阀开度在60%~80%,蓄能器预充压力为13MPa~15MPa,溢流阀开启压力设为15MPa~17MPa时,回路响应速度快、稳定性好。存杆箱升降液压缸在偏载工况下,同步误差最大绝对值为0.0081mm,小于预设误差0.0100mm,同步性满足设计要求。
(4)基于神经网络的钻机岩性识别及其算法优化。通过设计岩性识别模块替代人工钻孔识别,减少工人参与钻锚施工时间。为改善钻机钻孔对岩性的适应性能,将钻机钻速、钻杆压力和钻进速度作为评价指标,建立岩性识别训练数据库,其中前250组数据作为训练集,用以BP神经算法训练反推数据函数模型,后50组数据作为测试集,用以验证训练得出的函数模型准确性,通过BP神经网络和PSO算法对钻机前端传感器传回数据进行分析,以避免当岩体硬度过大时钻机持续钻进导致钻杆损伤。通过设置算法评价指标和训练数据库搭建,BP神经网络岩性识别训练集准确率为94.9495%,测试集准确率为93.2203%,由于BP神经网络存在训练速度慢、容易陷入局部最小值以及难以确定隐藏层神经元数目等缺点,采用优化了 BP神经网络上述不足的PSO粒子群算法进行训练,相比BP神经算法,PSO算法训练集准确率提升至98.6532%,测试集准确率提升至96.6102%,施工效率和作业安全性能得到提升。
图[66]表[16]参[86]