针对煤矿井下液压锚钻设备的研究现状,设计一款适用于锚杆钻机的电动缸。采用行星滚柱丝杠作为运动机构,基于拉格朗日方法建立电动缸运动机构的刚体动力学模型,考虑了重力加速度和垂直顶升工况。利用Simulink建立拉格朗日数学方程的仿真计算模型,并对3种工况下电动缸的工作特性进行了数值模拟。研究结果表明丝杠扭矩和输出载荷之间呈线性关系,在较大的角速度或者角加速度工况下,工作效率均会有所降低;恒角加速度工况扭矩受到负载影响,功率和效率主要受到角加速度的影响;恒角速度工况的功率和扭矩主要受到负载的影响,较高的角速度会导致效率降低。通过对3种工况下扭矩、功率和效率的影响因素分析,验证了该动力学模型的正确性。

针对带有外部扰动的液压锚杆钻机摆角跟踪控制问题,提出了一种自适应跟踪控制方案。结合实际工况条件在系统中加入内、外部扰动,利用自适应技术对未知扰动进行估计,消除其对系统扰动的影响。为了避免虚拟控制器连续求导而导致微分爆炸现象的发生,引入一阶动态面滤波器。结合不等式放缩,设计相应控制器和自适应律。利用Lyapunov函数直接法证明闭环系统所有信号一致有界,且系统输出可以跟踪到给定信号,跟踪误差可由设计参数进行调整。最后,通过仿真验证该自适应控制方案的有效性。

井下多数液压锚杆钻机钻速控制主要依靠人工根据经验手动控制,在钻进不同岩层时仍采用固定钻速,影响钻孔质量,作业效率低。根据锚杆钻机电液伺服元件和比例阀的特点,首先利用动力学相关理论方程建立锚杆钻机回转系统模型,由状态变换得到空间表达式;然后根据测量岩层硬度系数估算出在变化围岩条件下锚杆钻机的最优转速;最后设计PID迭代学习控制律,随着迭代次数不断增加,通过反馈跟踪误差不断修正控制器,从而达到快速跟踪的目的。与传统PID控制进行仿真对比,结果表明该控制器响应速度、调节时间和跟踪精度等性能有了显著提升,且鲁棒性更强。

大多数液压锚杆钻机转速控制主要依赖于工程技术人员的现场经验,在人工钻进不同岩层时,多采用固定转速,导致作业效率低、设备故障率高。本研究提出了钻机转速的无模型自适应控制算法。该算法仅利用系统的I/O数据,而不需要系统的精确机理模型信息,其可适应钻孔过程中岩层的变化以及快速性的要求。文中分别对无外界干扰和存在外部扰动两种情况进行仿真验证,结果表明:本研究所提出的无模型自适应控制方法能够实现对期望转速的快速跟踪,相比于PID控制,具有更好的控制性能和较强的鲁棒性。

目前国内单根锚杆支护作业存在效率低、工人劳动强度大、支护成本高、自动化程度低等问题,结合煤矿巷道对小型化锚杆钻车的技术需求,提出了双臂全自动锚杆钻车结构和配套的液压系统设计方案,对液压系统和电气控制系统进行了设计,经试验与现场应用表明:此液压锚杆钻车可达到传统人工手持钻机8~9台的功效,操作人员减少为3人,锚杆支护效率提高了2倍以上,此设计可为后期实现煤矿井下智能支护作业提供相关技术参考。

针对我国煤巷传统锚杆支护钻机存在工人劳动强度大、作业速度慢、自动化程度低的问题,开发了一套结构合理、维护方便、可靠性高的圆柱导向对称布置锚杆钻机。介绍了它的结构、功能和设计参数,阐述了它在总体布置、导向方式、链传动机构和润滑方式上的设计特点。该钻机应用于煤巷智能快速掘进系统的成功实践表明,钻机可靠性高、维护量小,操作方便,提高了掘锚一体机和锚杆转载机锚杆作业的效率,实现了锚杆支护由半机械化向完全机械化和自动化的技术跨越,取得了良好的经济和社会效益。

根据煤矿机载液压锚杆钻机的作业需求,设计了一种锚杆转机的控制系统。系统以液压压力传感器为系统唯一传感器,简化硬件系统,在煤矿井下恶劣工作环境下具有更高的可靠性。系统以可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)为控制器,通过压强判断锚杆钻机工作状态,可实现液压锚杆钻机的自动化施工。煤矿试验结果表明,控制系统可实现锚杆钻机的自动化运行,具有较高的可靠性。

针对传统的锚杆钻机液压系统性能已无法满足实际生产需求的情况,以某煤矿的EBZ-160型掘进机机载锚杆钻机为研究对象进行了设计。通过对锚杆钻机运动过程分析、锚杆钻机液压系统结构设计、液压缸行程确定以及液压缸稳定性计算完成了锚杆钻机液压系统的设计。通过实际测试后发现,系统运行稳定,1年未发生传统液压系统的动作不协调、噪声等故障,性能得以提升,符合锚杆钻机液压系统设计要求。

针对现阶段小型矿场的使用需求,提出一种新型的锚杆钻机,使得锚网和支护动作在同一台机器上相继有序地完成,提高工作效率。采用AMESim仿真软件对锚杆钻机中工作系统进行设计的同时对系统进行仿真分析,并得到液压缸动作速度、动作位移量与时间的关系曲线,分析了主泵与马达排量、马达转动惯量等参数。根据结果曲线对系统提出改进措施。通过对新型锚杆钻机的仿真研究,验证了该回路的可行性,为设计高效率锚杆钻机提供了理论参考。

简要介绍了差异演化算法的基本原理、特点和流程给出了冲击回转型液压锚杆钻机冲击机构的优化设计模型进而应用1stOpt软件中提供的差异演化算法通过编程对冲击回转型液压锚杆钻机冲击机构进行了优化设计使液压锚杆钻机的工作总效率提高到了76%效果令人满意同时也表明应用差异演化算法解决实际工程优化问题的可行性与可靠性。