矿井锚杆钻车关键部位设计探讨∗

胡 琳，左开红，朱殿瑞，3，高志晶

（1霍州煤电李雅庄煤矿，山西临汾 031400；2.太原重型机械集团有限公司轧钢设备分公司，山西太原 030024；3.太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

矿井锚杆钻车关键部位设计探讨∗

胡 琳1，左开红2，朱殿瑞2，3，高志晶1

（1霍州煤电李雅庄煤矿，山西临汾 031400；2.太原重型机械集团有限公司轧钢设备分公司，山西太原 030024；3.太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

以矿用锚杆钻车为研究对象，在UG环境中建立了钻车的虚拟模型，并对钻车中的关键件机架在UG的高级仿真环境中进行应力与变形分析，接着对钻车的稳定性、机架强度、除尘系统、电缆自动收放系统等方面在设计过程中所遇的问题进行了分析。通过分析可知，锚杆钻车性能稳定、设计合理、满足使用要求。

锚杆钻车；UG；应力与变形；稳定性

1 引 言

锚杆钻车是集机、电、液一体化、自动化、锚杆安装机械化等高新技术于一体的装备，不仅可实现巷道锚杆支护作业中打眼、装药、紧固的全部工艺，而且可进行行走、临时支护、载运锚杆等辅助工作。作为连续采煤机的主要配套设备，在连续采煤机完成掘进工序退出工作面之后，锚杆钻车立即进入工作面，完成钻眼和安装锚杆工序，对裸露的顶板进行及时支护，以保证安全生产［1］。

连续采煤机短壁机械化开采采用连续采煤机进行掘进，掘进巷道断面呈矩形，配套先进的锚杆钻车支护顶板，能实现巷道掘进与支护的分离，可多根锚杆同时作业，支护效率大大提高。这使得短壁工作面在巷道掘进时，能实现大断面双巷或多巷掘进，掘锚交叉作业，掘进速度快。锚杆钻车使我国煤矿和其他工程巷道锚杆支护工作得到优化，提高了工作效率和支护质量，降低了工人的劳动强度，相比传统手工单体液压钻机支护方式，支护效率提高了4～5倍［2］。

2 锚杆钻车的分类与模型

锚杆钻车按行走方式分为履带行走式和胶轮行走式；按钻臂数量分为单臂、双臂、四臂等；按提供动力的方式分为电缆供电或其他动力；按除尘方式分有干式除尘方式和湿式除尘方式。为充分发挥连续采煤机的最大工作效能，国外一些公司已经研制出了多种型号的锚杆钻车［3］。矿用锚杆钻车实物外形如图1所示。

图1 锚杆钻车外形图

3 锚杆钻车性能分析

3.1 锚杆钻车稳定性分析

钻车的重心位置直接影响整机的稳定性，所以在进行稳定性研究时，对钻车的重心位置进行了分析研究，其意义在于明确整机在行走和锚钻时有无倾覆的危险，并决定是否加配重或使用临时支护。

锚杆钻车在工作过程中其重心位置是变化的，底板状况、操作平台高度和载荷分布情况是影响重心位置的主要因素。锚杆钻车的重心位置如图2所示，锚杆钻车在最低位置工作时，重心已严重前移，到了履带导向轮中心线之外，此时必须使用临时支架。

图2 最低位置重心示意图

3.2 锚杆钻车虚拟模型与机架强度分析

为缩短研发周期，提高物理样机的可靠性，在整机设计时以CMM4－20型锚杆钻车为例，采用UG分析软件进行建模。其虚拟模型如图3所示［4］。钻车的机架在工作中起着非常重要的作用，所以需对其受力与变形进行有限元分析，以此结果指导物理样机的设计。其应力与变形图如图4、5所示。通过图3～5可知机架在顶端内测与中部铰接的地方受力与变形大，需提高所用材料的性能或焊接加强肋板。

图3 锚杆钻车整机分析模型

图4 机架的应力分析

3.3 电缆自动收放系统的研究

锚杆钻车是利用井下电源工作的设备，在钻车行走过程中，必然面临电缆拖曳的问题。电缆人工拖曳时，操作人员劳动强度大，电缆摆放杂乱，容易发生电缆被钻车压断的事故，会对生产造成不利影响。

为解决该问题，专门设计了自动卷电缆装置，如图6所示。该装置由液压马达驱动，通过链条带动卷缆滚筒旋转，实现电缆的收放；卷缆滚筒通过链条带动排缆架，保证电缆顺序摆放。在进行该装置设计时，对电缆滚筒转动速度、排缆架移动速度进行匹配，保证电缆收放与钻车移动同步，同时保证电缆顺序排放。另外还设计了满缆和空缆保护装置，防止空缆时电缆被拉断、满缆时挤伤电缆［5］。

图5 机架的变形分析

图6 自动卷电缆装置

3.4 自动控制和工况数显系统研究

针对锚杆支护作业高效安全的要求，对自动控制和工况数显系统进行深入研究。

液压系统中对每个钻臂都采用单独的集成块控制，每个钻架单独配置一套，可实现每个钻臂的自动旋转、进给、下落，除尘旋流器门的自动打开和关闭。为满足不同硬度的顶板要求，设置了调速装置，可针对不同硬度的顶板采用不同的进给速度。出于安全考虑，每个钻架上有急停控制，无论是自动进给的上升还是下降状态，如有紧急情况都能立即停止动作，对人员误动作起到一定的保护作用［6］。

此锚杆钻车采用以PLC为核心控制器的控制系统，具有接线简单、可靠性高、功耗小、功能完善的特点，能满足现代化、智能化矿井的需要。

本系统保护功能齐全，除拥有煤矿井下用电设备所要求的中性点不接地保护、漏电保护、短路及过流保护外，还有相序检测、缺相检测、油温、油位检测等保护。在机身周围相应设置了急停按钮，以方便在紧急情况下断开油泵电机供电，确保操作人员的生命安全。当出现以上所列故障或任意一处急停按下时，主电控箱和指令电气控制箱的显示器同时显示故障状况或急停位置，并且声光报警器会在故障时发出信号，提醒操作工人，体现人性化要求。

3.5 除尘系统的研究

锚杆钻车在进行支护工作时，产生的呼吸性粉尘可达到粉尘总量的90%以上，人体肺部长期吸入，会导致矿工常见的尘肺职业病，严重危害矿工的身体健康。因此在煤矿开采及巷道掘进过程中采取有效除尘措施非常必要。锚杆钻车上搭载的除尘系统性能好坏已成为评价整机性能的一个重要指标［7］。

为此，对除尘风机与液压系统的匹配、噪声与吸尘效果的匹配、高效率集尘方式等方面进行了深入研究，提出如图7所示的除尘系统。其工作流程：粉尘－钻箱－旋流器－除尘箱－风机－消音器－大气。

3.6 临时支护系统的研究

在巷道支护中，空顶的及时支护是对安全生产的基本保障，在使用锚杆支护时，设备前端有2 m左右的空顶，解决这部分的空顶安全是使用设备和保障工作人员安全的前提。

为解决上述问题，研制了临时支护系统，如图8所示，设计采用4个支撑油缸对破碎顶板进行临时支护。4个油缸安装在整个设备最前端的滑轨上，油缸上有圆形旋转托盘，可在±25°内进行转动，满足顶板不平的支护要求。支护油缸上配置有平衡阀，可保证支护力的持续稳定。在操作上，4个油缸的升降顺序也有区别。进行支护时，2个下支撑油缸先下降，接触到地面之后，通过顺序阀实现上支撑油缸的上升，这样可保证整机的稳定性，同时也实现了顶板支护的稳定。回收时动作刚好相反，先收回上面的支撑油缸，再提升下支撑油缸。

图7 锚杆钻车干式除尘系统

图8 临时支护

4 结 语

锚杆钻车作为矿井提高支护效率的关键设备，对缓解采掘失调起到了积极作用。笔者对锚杆钻车关键部件的设计进行了探讨，特别是对电缆自动收放系统、除尘系统、临时支护系统等方面存在的问题提出了满足实际工况的解决方案。笔者的研究为今后锚杆钻车的研发、设计与使用起到了一定借鉴作用。

［1］ 祁玉宁.新型锚杆钻车的研制及应用［J］.煤矿机械，2012（12）：86－89.

［2］ 张幼振.我国煤矿锚杆钻车的应用现状与发展趋势［J］.煤炭工程，2010（6）：101－103.

［3］ 仇卫建，宋明江，曹琼琼，等.CMM4－20型中厚煤层锚杆钻车的研制及应用［J］.煤矿机械，2010（7）：119－120.

［4］ 魏勇刚.四臂锚杆钻车的研制及应用［J］.煤炭科学技术，2006（10）：56－59.

［5］ 马有财.塔山矿全液压锚杆钻车的开发与应用［J］.煤炭工程，2011（1）：31－32.

［6］ 刘 静，马长乐.高瓦斯大断面综掘巷道液压锚杆钻车试验研究［J］.煤矿机械，2009（1）：6－7.

［7］ 侯相华.锚杆钻车机载干式除尘系统设计［J］.煤矿机械，2009（1）：24－26.

Discussion of Key Parts Design of Mining Anchor Drill Rig

HU Lin1，ZUO Kai－hong2，ZHU Dian－rui2，3，GAO Zhi－jing1

（1.Liyazhuang Coal Mine of Huozhou Coal，Linfen Shanxi 031400，China；2.Taiyuan Heavy Machinery Group Co.，Ltd，Steel Rolling Equipment Branch，Taiyuan Shanxi 030024，China；3.College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Taking mine anchor drill rig as the research object，and the virtual model of drill rig in UG environment is estab⁃lished，then the stress and deformation are analyzed for drill rig key－module frame in the UG senior simulation environment，then the stability of drill rig，the strength of frame，dust removal system，automatic cable release system in the design process encountered problems are analyzed.Through the analysis，the anchor drill rig has stable performance，reasonable design，and can meet the requirement.

anchor drill rig；UG；stress and deformation；stability

TD163

A

1007－4414（2013）04－0113－03

2013－06－11

胡 琳（1986－），女，山西文水人，助理工程师，主要从事工程测量方面的研究工作。

朱殿瑞（1985－），男，山西祁县人，硕士，主要从事机械设计及制造工艺方面的研究工作。