关键词:
井筒装备
钻锚一体机
有限元分析
运动学分析
液压同步驱动
摘要:
竖井锚杆安装速度制约井筒装备的效率,从而影响矿建周期。现有竖井锚杆安装工艺,存在施工效率低和安装精度不高等问题。为满足竖井内工字钢托架“凹字形”的锚杆安装需求,本文设计了竖井环轨钻锚一体机。搭建了三维模型,开展了关键部件有限元分析与多目标优化,利用ADAMS进行运动学分析,分析了升降机构的偏载,建立了双液压缸同步驱动系统液压回路,通过模糊PID提升了系统鲁棒性。主要内容如下:
(1)基于工字钢托架的锚杆需求与竖井空间特征,提出了竖井环轨钻锚一体机的总体设计方案,通过载荷核算确定了关键零部件。建立了关键部件有限元分析模型,开展了强度和刚度校核并进行动态特性分析。建立了万向轮架结构多目标优化数学模型,分析了顶板高度、顶板厚度与圆柱高度对最大应力、形变量与质量的影响,尺寸参数优化后万向轮架的最大应力降低了6.7%。
(2)构建了升降机构的动力学模型,通过质量-系矩阵与虚功原理分析了变质心位置与驱动力的对应关系。在ADAMS中建立了升降机构的虚拟样机模型,验证了其运动能力满足锚杆安装需求,分析了变载荷、变运动速度与时变偏载对升降机构双驱动力的影响。载荷越高、运动速度越快、偏载变化速率越快,双驱动力的偏载相对越大。最后,针对升降机构在左、中、右三种极端工位下的双驱动力变化开展了仿真研究,左位时驱动力偏载最大,中位次之,右位时最小,且偏载时变。
(3)针对升降机构所受的变偏载,基于“主从控制”与“同等控制”两种模式,提出了三种液压回路:改进型PID控制、分流阀控制、模糊PID控制下的双液压缸同步回路。利用Simulink设计了自适应模糊PID控制策略,利用AMESim建立了三种液压回路的水力模型,开展了同步性研究。结果表明:左、中、右三种极端工况时,自适应模糊PID控制下双液压缸同步驱动系统相对于改进型PID控制同步偏差带分别降低20.3%、2.1%、50%;相对于分流阀液压同步回路同步偏差带分别降低49.6%、36.7%、76.2%。基于“主从控制”模式,自适应模糊PID控制的双液压缸同步驱动系统具有更好的同步性与鲁棒性。
图[64]表[11]参[87]