履带式液压锚杆钻车关键结构及液压系统设计

煤炭资源的生产和安全事关国家能源战略,直接对国民经济的可持续发展产生影响。锚杆支护是一种有效的煤矿井下巷道支护方式,可以改善矿工在井下巷道内的作业环境和安全条件。履带式液压锚杆钻车是锚杆支护的关键设备,与传统锚杆用风钻相比,具有速度快、成本低以及工人劳动强度小等优势,已在国内外煤矿及隧道施工中得到广泛应用。目前国内履带式液压锚杆钻车可靠性较低,仅依靠相似机械进行类比设计,没有独立的设计方法和设计思路,液压控制系统较复杂且稳定性差,以上缺陷限制了履带式液压锚杆钻车的发展,同时制约了矿山及隧道的建设和运行。因此提高锚杆钻车设计质量,优化设计钻车关键部件及液压控制系统,对提高煤矿生产效率和生产安全性具有重要意义。本文以履带式液压锚杆钻车为研究对象,设计与钻车相适应的变幅机构、移动机构以及液压系统,并对关键部件进行数值仿真和优化。本文的主要研究内容如下:(1)分析履带式液压锚杆钻车研究现状,对主要的功能部件进行设计计算以及参数选择。将钻车按功能划分为行走模块、变幅模块、钻进模块和液压系统,根据钻车移动部件的要求计算履带的主要参数,结合钻孔方位和高度要求设计变幅机构,计算了液压缸在内的相关参数,根据性能要求设计液压系统,计算了液压系统的主要参数,完成关键元件的选型。(2)针对履带式液压锚杆钻车的变幅装置进行结构校核与仿真,建立三维模型后分别进行运动学仿真、动力学仿真以及模态分析,发现变幅机构支撑架的薄弱部位。结果表明变幅机构的强度与刚度均满足设计要求。(3)建立履带式液压锚杆钻车的液压系统仿真模型,将模型分为变幅系统模块、进给系统模块、履带行走及平台旋转模块以及负载敏感泵组模块,对驱动履带行走的液压马达进行仿真,分析各个功能模块的执行元件能否完成既定的工作目标。从仿真图线可以看出,所设计的液压系统稳定性强,机械效率高,有良好的动态性能,可以完成履带式锚杆钻车的行走、调高及钻进等动作。(4)对变幅机构中间支撑架进行拓扑优化分析,根据分析结果改进支撑架结构,优化三维模型,重复进行静力学分析和模态分析,有限元分析结果表明结构变形量减小,结构强度与刚度提高的同时各阶固有频率提高,验证了此变幅系统的可靠性。