基于運動軌跡的鉆裝式裝置鑿巖干涉分析

基于運動軌跡的鉆裝式裝置鑿巖干涉分析

挖掘鉆孔機是集巖石溝槽、爐渣機于一體的挖掘設(shè)備。因此，有兩個場景的孔和槽，兩個場景是相互獨立的。由于孔臂和槽臂位于同一機器的前部，它不可避免地會發(fā)生各自的操作。近幾年關(guān)于鉆裝機這方面的研究很少,但是關(guān)于鑿巖臺車雙臂的仿真、控制、運動軌跡方面的研究很多。筆者以ZZ2-8/100型鉆裝機結(jié)構(gòu)為例,計算繪制出左右鉆臂鑿巖范圍區(qū)域以及耙裝范圍區(qū)域,找到兩臂鑿巖時的干涉區(qū)域和純干涉區(qū)域,提出了鑿巖與耙裝干涉問題的解決方案。1e點最大實踐參數(shù)ZZ2-8/100型鉆裝機結(jié)構(gòu)如圖1所示,前端裝有左右對稱的2個鉆臂和中間的1個耙臂。圖2所示為左鉆臂模型,定位方式為復(fù)合坐標(biāo)式,包含7個油缸來實現(xiàn)定位動作,其中鉆臂擺轉(zhuǎn)油缸、鉆臂俯仰油缸和鉆臂自轉(zhuǎn)油缸是控制鑿巖范圍的液壓執(zhí)行元件,而托架俯仰油缸、托架擺轉(zhuǎn)油缸、托架補償油缸是用來調(diào)整托架的空間位置,保證鉆桿和工作面的定位角度關(guān)系,鑿巖推進油缸是打孔時用來推進鉆桿進尺的,所以圖2所示的編號4—7這4個油缸對確定鉆臂的鑿巖范圍是沒有作用的。對于確定左鉆臂的鑿巖范圍,由圖2分析可知,只是3個油缸起主導(dǎo)作用,所以把左鉆臂簡化為圖3,O1點鉸接在機架上,O、O2、Y三點為鉆臂座鉸接點,通過鉆臂擺轉(zhuǎn)油缸使OO1長度變化,以使整個鉆臂繞OX軸旋轉(zhuǎn),通過鉆臂俯仰油缸使YO3長度變化,以使整個鉆臂上升和下降,鉆臂自轉(zhuǎn)油缸使O4E繞鉆臂底部360°旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生一個到鉆桿中心的旋轉(zhuǎn)半徑EF,即r,由分析得出,只要算出E點的最大運動范圍曲線,再以這個曲線為圓心畫r半徑的圓,得到的外包絡(luò)線即左鉆臂的最大鑿巖范圍曲線。如圖3所示,以O(shè)點為原點,OY方向為Y軸,OX方向為X軸,垂直于紙面方向向里為OZ軸。鉆臂擺轉(zhuǎn)油缸使OO1的長度從最短變到最長,鉆臂俯仰油缸使YO3的長度從最短變到最長,這個過程中產(chǎn)生了E點最大運動軌跡的4個極值點。擺動角度為O2E中心軸與OXY面的夾角,左擺為正,右擺為負(fù)。俯仰角度為O2E中心軸與OYZ面的夾角,仰為正,俯為負(fù)。根據(jù)鉆臂擺動油缸和鉆臂俯仰油缸的行程可計算出4個極值點的參數(shù),見表1。圖4中E點最大運動軌跡可分為4段,M1M2段為鉆臂上仰55°時,鉆臂從-14°到47°擺動過程中E點走過的一段直線,同理M3M4段為鉆臂下俯16°時,鉆臂從47°到-14°擺動過程中E點走過的一段直線,可直接由4點的坐標(biāo)計算并繪出;以圖3中的O2鉸接點為圓心,O2E段為半徑畫圓,并截取55°到-16°的一段圓弧,再將這段圓弧以夾角43°投影到圖3中建立的OXZ坐標(biāo)平面內(nèi),得到的投影即M2M3段曲線,同理M4M1段圓弧是以圖3中的O2鉸接點為圓心,O2E段為半徑畫圓,并截取-16°到55°的一段圓弧,再把這段圓弧以夾角76°投影到圖3中建立的OXZ坐標(biāo)平面內(nèi),得到的投影即M4M1段曲線。連接4段曲線得到E點的最大運動軌跡曲線,再以這個曲線為中心,r為半徑畫圓,得到的外包絡(luò)曲線即左鉆臂的最大鑿巖范圍曲線,如圖4所示。根據(jù)鉆裝機左右2個鉆臂的安裝位置中心距,對稱繪制即可得到ZZ2-8/100型鉆裝機的鑿巖范圍,如圖5所示,其中陰影部分為左右鉆臂的鑿巖干涉區(qū)域。2純干涉區(qū)域分布以耙臂抬升到最高和最低之間的距離為長度,耙臂擺動到最左邊和最右邊之間的距離為寬度,畫出一個矩形即投影到工作面上的耙裝區(qū)域。圖6中,外圈拱形區(qū)域為巷道斷面,斜線陰影矩形區(qū)域為耙裝區(qū)域范圍,對于中間的凸型網(wǎng)格陰影區(qū)域稱為純干涉區(qū)域。這是由于就鉆裝機而言,鑿巖和鉆孔2個工況是互鎖的,所以鑿巖時希望耙臂的干涉最小,所以將耙臂放到最低正中位置并投影到工作面上的區(qū)域即最小鑿巖干涉區(qū)域,基于鑿巖和耙裝2個工況的互鎖,因此稱其為鑿巖純干涉區(qū)域。3地層ws-qp3-8/100型鉆工裝裝置目前鉆裝機干涉問題的解決方案有2種,一是采用滑軌鉆臂方式,即左右對稱的2個鉆臂可以在機架上前后滑動,鑿巖時左右鉆臂滑到最前端,將耙臂收到最低避開鑿巖干涉;二是耙裝時將2個鉆臂滑到最后端避開耙裝干涉。在加長加寬機身的基礎(chǔ)上來解決2種工況的干涉情況。將ZZ2-8/100型鉆裝機機身機長設(shè)計成最小,可用于最小8m2的巖巷斷面,該機三臂并排,完全以限定運動空間的機械結(jié)構(gòu)來解決干涉。由第1節(jié)得到的鑿巖范圍、干涉區(qū)域和純干涉區(qū)域,以大寶鼎礦+1220m南翼運輸大巷斷面為例來解決干涉問題。3.1炮眼布置方式如圖7所示,將鑿巖范圍、巷道炮眼布置斷面、雙臂同時鑿巖干涉區(qū)域和純干涉區(qū)域4個圖疊加,劃分為A、B、C、D四個區(qū)域,斷面上共布置54個炮眼,A區(qū)為左鉆臂鑿巖區(qū)域,包含A1—A22共計22個炮眼;B區(qū)為右鉆臂鑿巖區(qū)域,包含B1—B22共計22個炮眼;C區(qū)為雙臂同時鑿巖干涉區(qū)域,包含C1—C8共計8個炮眼;D區(qū)為純干涉區(qū)域,包含為D1和D2炮眼。解決鑿巖干涉問題就是解決C區(qū)8個炮眼和D區(qū)2個炮眼的打孔任務(wù),C1—C8孔通過兩臂的時間段協(xié)調(diào)打眼即可解決干涉問題,而D1和D2孔在純干涉區(qū)域內(nèi),需單獨解決。1-左鉆臂的孔序規(guī)劃A、B、C三個區(qū)域內(nèi)共有52個炮眼,存在一個雙臂鑿巖的孔序規(guī)劃問題,為達到最高鉆孔效率,要平均分配雙臂的鑿巖炮孔,保證雙臂不同時進入C干涉區(qū)鑿巖,還要求雙臂的所有定位軌跡達到空間距離最短,假設(shè)打每個炮孔的時間均為3min。首先將C區(qū)的8個炮眼以斷面中心線平均分配,根據(jù)鉆臂位移最小原則,左邊的C5—C8孔分配給左鉆臂,右邊的C1—C4孔分配給右鉆臂。下面解決的就是左右鉆臂的孔序規(guī)劃問題,使C區(qū)的雙臂干涉概率降到最低。雙臂鑿巖干涉情況如圖8所示,每個方框為某一鉆臂鉆某個孔的鉆孔周期,在理想狀態(tài)下,鉆X0孔與鉆Y3孔同時開始并同時結(jié)束,這時只要判斷左鉆臂鉆X0孔與右鉆臂鉆Y3孔時不發(fā)生干涉即可,但是為了得到更切合實際的孔序規(guī)劃,還要判斷鉆X0孔時與相鄰Y3孔的Y2孔和Y4孔是否發(fā)生干涉,甚至有時還需判斷其與Y1孔、Y5孔的干涉以及更復(fù)雜的情況。如圖7的斷面所示,雙臂干涉概率最低就是使左鉆臂鉆鑿C5、C6、C7、C8孔的時間段與右鉆臂鉆鑿C1、C2、C3、C4孔的時間段盡可能拉長。時間間隔最長的情況是C1—C4孔為右鉆臂孔序最前端的4個炮眼,并且C5—C8為左鉆臂孔序最后端的4個炮眼,此時的時間間隔最大,即使右臂打C1孔時就出現(xiàn)卡釬問題,等到左鉆臂進入干涉C區(qū)也需要打22個孔的時間(大于66min)。根據(jù)鉆臂最小位移原則確定A區(qū)的22個炮眼和B區(qū)的22個炮眼孔序,根據(jù)最小干涉概率確定C區(qū)炮眼孔序,由此,得到了A、B、C三個區(qū)域內(nèi)52個炮眼的最佳鑿巖孔序:右鉆臂為(C1,C2,C3,C4,B1,B2,…,B21,B22),左鉆臂為(A1,A2,A3,A4,...,A21,A22,C5,C6,C7,C8),軌跡線為如圖7中折線所示,左右鉆臂孔序同時前后顛倒也為最佳鑿巖孔序。2調(diào)整左鉆臂定位解決純干涉區(qū)的D1和D2孔的鑿巖任務(wù),需要首先將右鉆臂擺動到最右邊的位置,再切換鑿巖和耙裝自鎖裝置到耙裝工況,將耙臂從中間位置擺到最右邊位置上,并與右鉆臂上下錯位放置,然后切換自鎖裝置到鑿巖工況,在避開D區(qū)的純干涉區(qū)域后,調(diào)整左鉆臂定位并鉆D1和D2孔。也可對稱操作,最后用右鉆臂鉆鑿D1和D2孔。3.2安裝期間的干預(yù)耙裝干涉就是將耙臂的工作范圍避開,將2個鉆臂調(diào)置出耙臂的耙裝區(qū)域,再切換鑿巖和耙裝自鎖裝置到耙裝工況,進行耙裝矸石作業(yè)。4銑巖時的干涉及鉆鉆機區(qū)域通過計算并繪制出了