基于运动轨迹的钻装式装置凿岩干涉分析

基于运动轨迹的钻装式装置凿岩干涉分析

挖掘钻孔机是集岩石沟槽、炉渣机于一体的挖掘设备。因此，有两个场景的孔和槽，两个场景是相互独立的。由于孔臂和槽臂位于同一机器的前部，它不可避免地会发生各自的操作。近几年关于钻装机这方面的研究很少,但是关于凿岩台车双臂的仿真、控制、运动轨迹方面的研究很多。笔者以ZZ2-8/100型钻装机结构为例,计算绘制出左右钻臂凿岩范围区域以及耙装范围区域,找到两臂凿岩时的干涉区域和纯干涉区域,提出了凿岩与耙装干涉问题的解决方案。1e点最大实践参数ZZ2-8/100型钻装机结构如图1所示,前端装有左右对称的2个钻臂和中间的1个耙臂。图2所示为左钻臂模型,定位方式为复合坐标式,包含7个油缸来实现定位动作,其中钻臂摆转油缸、钻臂俯仰油缸和钻臂自转油缸是控制凿岩范围的液压执行元件,而托架俯仰油缸、托架摆转油缸、托架补偿油缸是用来调整托架的空间位置,保证钻杆和工作面的定位角度关系,凿岩推进油缸是打孔时用来推进钻杆进尺的,所以图2所示的编号4—7这4个油缸对确定钻臂的凿岩范围是没有作用的。对于确定左钻臂的凿岩范围,由图2分析可知,只是3个油缸起主导作用,所以把左钻臂简化为图3,O1点铰接在机架上,O、O2、Y三点为钻臂座铰接点,通过钻臂摆转油缸使OO1长度变化,以使整个钻臂绕OX轴旋转,通过钻臂俯仰油缸使YO3长度变化,以使整个钻臂上升和下降,钻臂自转油缸使O4E绕钻臂底部360°旋转,产生一个到钻杆中心的旋转半径EF,即r,由分析得出,只要算出E点的最大运动范围曲线,再以这个曲线为圆心画r半径的圆,得到的外包络线即左钻臂的最大凿岩范围曲线。如图3所示,以O点为原点,OY方向为Y轴,OX方向为X轴,垂直于纸面方向向里为OZ轴。钻臂摆转油缸使OO1的长度从最短变到最长,钻臂俯仰油缸使YO3的长度从最短变到最长,这个过程中产生了E点最大运动轨迹的4个极值点。摆动角度为O2E中心轴与OXY面的夹角,左摆为正,右摆为负。俯仰角度为O2E中心轴与OYZ面的夹角,仰为正,俯为负。根据钻臂摆动油缸和钻臂俯仰油缸的行程可计算出4个极值点的参数,见表1。图4中E点最大运动轨迹可分为4段,M1M2段为钻臂上仰55°时,钻臂从-14°到47°摆动过程中E点走过的一段直线,同理M3M4段为钻臂下俯16°时,钻臂从47°到-14°摆动过程中E点走过的一段直线,可直接由4点的坐标计算并绘出;以图3中的O2铰接点为圆心,O2E段为半径画圆,并截取55°到-16°的一段圆弧,再将这段圆弧以夹角43°投影到图3中建立的OXZ坐标平面内,得到的投影即M2M3段曲线,同理M4M1段圆弧是以图3中的O2铰接点为圆心,O2E段为半径画圆,并截取-16°到55°的一段圆弧,再把这段圆弧以夹角76°投影到图3中建立的OXZ坐标平面内,得到的投影即M4M1段曲线。连接4段曲线得到E点的最大运动轨迹曲线,再以这个曲线为中心,r为半径画圆,得到的外包络曲线即左钻臂的最大凿岩范围曲线,如图4所示。根据钻装机左右2个钻臂的安装位置中心距,对称绘制即可得到ZZ2-8/100型钻装机的凿岩范围,如图5所示,其中阴影部分为左右钻臂的凿岩干涉区域。2纯干涉区域分布以耙臂抬升到最高和最低之间的距离为长度,耙臂摆动到最左边和最右边之间的距离为宽度,画出一个矩形即投影到工作面上的耙装区域。图6中,外圈拱形区域为巷道断面,斜线阴影矩形区域为耙装区域范围,对于中间的凸型网格阴影区域称为纯干涉区域。这是由于就钻装机而言,凿岩和钻孔2个工况是互锁的,所以凿岩时希望耙臂的干涉最小,所以将耙臂放到最低正中位置并投影到工作面上的区域即最小凿岩干涉区域,基于凿岩和耙装2个工况的互锁,因此称其为凿岩纯干涉区域。3地层ws-qp3-8/100型钻工装装置目前钻装机干涉问题的解决方案有2种,一是采用滑轨钻臂方式,即左右对称的2个钻臂可以在机架上前后滑动,凿岩时左右钻臂滑到最前端,将耙臂收到最低避开凿岩干涉;二是耙装时将2个钻臂滑到最后端避开耙装干涉。在加长加宽机身的基础上来解决2种工况的干涉情况。将ZZ2-8/100型钻装机机身机长设计成最小,可用于最小8m2的岩巷断面,该机三臂并排,完全以限定运动空间的机械结构来解决干涉。由第1节得到的凿岩范围、干涉区域和纯干涉区域,以大宝鼎矿+1220m南翼运输大巷断面为例来解决干涉问题。3.1炮眼布置方式如图7所示,将凿岩范围、巷道炮眼布置断面、双臂同时凿岩干涉区域和纯干涉区域4个图叠加,划分为A、B、C、D四个区域,断面上共布置54个炮眼,A区为左钻臂凿岩区域,包含A1—A22共计22个炮眼;B区为右钻臂凿岩区域,包含B1—B22共计22个炮眼;C区为双臂同时凿岩干涉区域,包含C1—C8共计8个炮眼;D区为纯干涉区域,包含为D1和D2炮眼。解决凿岩干涉问题就是解决C区8个炮眼和D区2个炮眼的打孔任务,C1—C8孔通过两臂的时间段协调打眼即可解决干涉问题,而D1和D2孔在纯干涉区域内,需单独解决。1-左钻臂的孔序规划A、B、C三个区域内共有52个炮眼,存在一个双臂凿岩的孔序规划问题,为达到最高钻孔效率,要平均分配双臂的凿岩炮孔,保证双臂不同时进入C干涉区凿岩,还要求双臂的所有定位轨迹达到空间距离最短,假设打每个炮孔的时间均为3min。首先将C区的8个炮眼以断面中心线平均分配,根据钻臂位移最小原则,左边的C5—C8孔分配给左钻臂,右边的C1—C4孔分配给右钻臂。下面解决的就是左右钻臂的孔序规划问题,使C区的双臂干涉概率降到最低。双臂凿岩干涉情况如图8所示,每个方框为某一钻臂钻某个孔的钻孔周期,在理想状态下,钻X0孔与钻Y3孔同时开始并同时结束,这时只要判断左钻臂钻X0孔与右钻臂钻Y3孔时不发生干涉即可,但是为了得到更切合实际的孔序规划,还要判断钻X0孔时与相邻Y3孔的Y2孔和Y4孔是否发生干涉,甚至有时还需判断其与Y1孔、Y5孔的干涉以及更复杂的情况。如图7的断面所示,双臂干涉概率最低就是使左钻臂钻凿C5、C6、C7、C8孔的时间段与右钻臂钻凿C1、C2、C3、C4孔的时间段尽可能拉长。时间间隔最长的情况是C1—C4孔为右钻臂孔序最前端的4个炮眼,并且C5—C8为左钻臂孔序最后端的4个炮眼,此时的时间间隔最大,即使右臂打C1孔时就出现卡钎问题,等到左钻臂进入干涉C区也需要打22个孔的时间(大于66min)。根据钻臂最小位移原则确定A区的22个炮眼和B区的22个炮眼孔序,根据最小干涉概率确定C区炮眼孔序,由此,得到了A、B、C三个区域内52个炮眼的最佳凿岩孔序:右钻臂为(C1,C2,C3,C4,B1,B2,…,B21,B22),左钻臂为(A1,A2,A3,A4,...,A21,A22,C5,C6,C7,C8),轨迹线为如图7中折线所示,左右钻臂孔序同时前后颠倒也为最佳凿岩孔序。2调整左钻臂定位解决纯干涉区的D1和D2孔的凿岩任务,需要首先将右钻臂摆动到最右边的位置,再切换凿岩和耙装自锁装置到耙装工况,将耙臂从中间位置摆到最右边位置上,并与右钻臂上下错位放置,然后切换自锁装置到凿岩工况,在避开D区的纯干涉区域后,调整左钻臂定位并钻D1和D2孔。也可对称操作,最后用右钻臂钻凿D1和D2孔。3.2安装期间的干预耙装干涉就是将耙臂的工作范围避开,将2个钻臂调置出耙臂的耙装区域,再切换凿岩和耙装自锁装置到耙装工况,进行耙装矸石作业。4铣岩时的干涉及钻钻机区域通过计算并绘制出了