科学技术与工程

物理量	数值
轴距L/mm	3 600
履带宽B/mm	2 600
设备高度H/mm	3 400
大臂离原点的纵向距离b/mm	1 275
大臂离地距离h₁/mm	2 250
承接装置与大臂垂直距离h₂/mm	335

物理量

数值

轴距L/mm

3 600

履带宽B/mm

2 600

设备高度H/mm

3 400

大臂离原点的纵向距离b/mm

1 275

大臂离地距离h₁/mm

2 250

承接装置与大臂垂直距离h₂/mm

335

物理量	数值
轴距L/mm	3 600
履带宽B/mm	2 600
设备高度H/mm	3 400
大臂离原点的纵向距离b/mm	1 275
大臂离地距离h₁/mm	2 250
承接装置与大臂垂直距离h₂/mm	335

物理量

数值

轴距L/mm

3 600

履带宽B/mm

2 600

设备高度H/mm

3 400

大臂离原点的纵向距离b/mm

1 275

大臂离地距离h₁/mm

2 250

承接装置与大臂垂直距离h₂/mm

335

时间	t₁=0~1 s	t₂=1~8 s	t₃=8~9 s	t₄=9~10 s	t₅=10~29 s	t₆=29~30 s
运动状态	a₁ $t 12$ /2	v₁t₂	a₂ $t 32$ /2	a₃ $t 42$ /2	v₂t₅	a₄ $t 62$ /2
a/(m·s^-2)	a₁=0.5		a₂=-0.5	a₃=150		a₄=-150
v/(m·s^-1)		v₁=0.5			v₂=150

时间

t₁=0~1 s

t₂=1~8 s

t₃=8~9 s

t₄=9~10 s

t₅=10~29 s

t₆=29~30 s

运动状态

a₁

t 12

v₁t₂

a₂

t 32

a₃

t 42

v₂t₅

a₄

t 62

a/(m·s^-2)

a₁=0.5

a₂=-0.5

a₃=150

a₄=-150

v/(m·s^-1)

v₁=0.5

v₂=150

时间	t₁=0~1 s	t₂=1~8 s	t₃=8~9 s	t₄=9~10 s	t₅=10~29 s	t₆=29~30 s
运动状态	a₁ $t 12$ /2	v₁t₂	a₂ $t 32$ /2	a₃ $t 42$ /2	v₂t₅	a₄ $t 62$ /2
a/(m·s^-2)	a₁=0.5		a₂=-0.5	a₃=150		a₄=-150
v/(m·s^-1)		v₁=0.5			v₂=150

时间

t₁=0~1 s

t₂=1~8 s

t₃=8~9 s

t₄=9~10 s

t₅=10~29 s

t₆=29~30 s

运动状态

a₁

t 12

v₁t₂

a₂

t 32

a₃

t 42

v₂t₅

a₄

t 62

a/(m·s^-2)

a₁=0.5

a₂=-0.5

a₃=150

a₄=-150

v/(m·s^-1)

v₁=0.5

v₂=150

综掘巷道协同运锚车送架作业稳定性分析

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尹可强 ¹^,² , 周威 ² , 黄志祥 ² , 韩晓龙 ¹^,² , 邓海顺 ¹^,²^,^*

科学技术与工程 | 论文·矿冶工程 2025,25(15): 6275-6280

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科学技术与工程 | 论文·矿冶工程 2025, 25(15): 6275-6280

综掘巷道协同运锚车送架作业稳定性分析

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尹可强¹^,², 周威², 黄志祥², 韩晓龙¹^,², 邓海顺¹^,²^,^*

作者信息

¹ 煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室, 淮南 232001

² 安徽理工大学机电工程学院, 淮南 232001

尹可强(2000—),男,汉族,安徽淮南人,硕士研究生。研究方向:矿山机械。E-mail:ykq13170209065@163.com。

通讯作者:

* 邓海顺(1978—),男,汉族,安徽桐城人,博士,教授。研究方向:矿山机械。E-mail:dhs1998@163.com。

Stability Analysis of Supporting Frame Operation of Cooperative Anchor Truck in Fully Mechanized Excavation Roadway

Ke-qiang YIN¹^,², Wei ZHOU², Zhi-xiang HUANG², Xiao-long HAN¹^,², Hai-shun DENG¹^,²^,^*

Affiliations

¹ State Key Laboratory of Digital and Intelligent Technology for Unmanned Coal Mining, Huainan 232001, China

² School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

出版时间: 2025-05-28 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2406884

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摘要

收起

为解决综掘巷道掘锚比例失衡与单体运输困难的问题,设计一种综掘巷道协同运锚车,基于ADAMS建立了协同运锚车的运动学模型,对高效送架作业进行轨迹规划,并分析承接装置与支护单体前移过程中各支腿的力学特性和极限送架距离。结果表明:支护单体前移过程中,当四条支腿全支撑时,前支腿的受力和力矩分别增加196%和195%,后支腿的受力和力矩分别从73.5 kN和238 kN·m减小至0,极限送架距离为15.3 m,满足送架的设计要求;当三腿支撑而右后支腿无支撑的特殊工况时,左前支腿的受力和力矩分别增加566%和572%,左后支腿的受力和力矩分别从145 kN和462 kN·m减小至0,右前支腿恒定的受力和力矩为150.8 kN和569.4 kN·m,极限送架距离为14.99 m。可见在三腿支撑而右后支腿无支撑的特殊工况下,协同运锚车的极限送架距离超过掘进机的最大长度,满足高效送架要求。

关键词

综掘 / 超前支护 / 巷道协同运锚车 / 送架稳定性

Abstract

收起

In order to solve the problem of unbalanced ratio of excavation and anchor and the difficulty of single transportation in fully mechanized excavation roadway, a cooperative anchor truck for fully mechanized excavation roadway was designed. Based on ADAMS, the kinematics model of the cooperative anchor truck was established, and the trajectory planning of the efficient support operation was carried out. The mechanical characteristics and ultimate support distance of each leg during the forward movement of the supporting device and the supporting monomer were analyzed. The results show that during the forward movement of the supporting monomer, when the four legs are fully supported, the force and moment of the front leg increase by 196% and 195% respectively, and the force and moment of the rear leg decrease from 73.5 kN and 238 kN · m to 0 respectively. The limit distance of the support is 15.3 m, which meets the design requirements of the support. When the three legs are supported and the right rear leg is not supported, the force and torque of the left front leg are increased by 566% and 572% respectively, and the force and torque of the left rear leg are reduced from 145 kN and 462 kN · m to 0 respectively. The constant force and torque of the right front leg are 150.8 kN and 569.4 kN · m, and the limit distance is 14.99 m. It can be seen that under the special working condition of three-leg support and no support for the right rear leg, the limit distance of the cooperative transport anchor vehicle exceeds the maximum length of the roadheader, which meets the requirements of efficient support.

Key words

comprehensive excavation / advance support / tunnel collaborative anchor transport vehicle / delivery stability

引用本文

尹可强, 周威, 黄志祥, 韩晓龙, 邓海顺. 综掘巷道协同运锚车送架作业稳定性分析. 科学技术与工程, 2025 , 25 (15) : 6275 -6280 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2406884

Ke-qiang YIN, Wei ZHOU, Zhi-xiang HUANG, Xiao-long HAN, Hai-shun DENG. Stability Analysis of Supporting Frame Operation of Cooperative Anchor Truck in Fully Mechanized Excavation Roadway[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (15) : 6275 -6280 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2406884

正文

收起

随着煤矿开采装备的不断更新,综采工作面的速度越来越快,中国大多数矿山都面临着采掘比例失衡的问题^[1]。煤炭开采深度不断提高,开采环境异常的复杂^[2-3]。巷道掘进是煤炭开采的先期基础性工程,故巷道掘进效率低下已成为深部矿井高效开采的主要制约因素^[4]。深部矿井地压极高,导致巷道支护难度骤升,且掘进支护技术和设备一直未有本质突破,仍然采用先掘后支的顺序作业方式,掘进机开机率不足30%^[5]。自移式锚支护协同作业装备可以有效地解决上述问题,但自移式锚支护协同作业装备存在重复支护顶板、支护距离较短和移动速度慢的问题,因此,研究高效运输、无重复支撑的支护单体对巷道的快速掘进具有重要意义。

为解决支护单体运输存在安全性差、工作效率低和工人工作强度大等难题,许多学者对支护单体的高效运输进行了研究。翟明华等^[6]提出循环前移式巷道门式液压支架机械手搬运临时支护系统,可将门式液压支架沿掘进机周围的狭小空间从机后快速搬至掘进机前,循环自移时间为10~15 min,效率较低。李悦等^[7]提出一种钻锚运输车,通过托举梁将临时支架运输至掘进机身上的承接轨道,用于掘进、支护协同并行作业,但运输时间需要6 min。周威等^[8]提出了综掘巷道锚护协助车,分析协助车空载或满载状态下的3种危险工况,并无分析送架时的稳定性。贾志军^[9]提出一种综掘巷道无重复临时支护装备,通过双门式结构将支护支架运输至迎头巷道,但总体结构较大,空间利用率较低。Krauze等^[10]建立综掘巷道的支护体系,模块化安装和运输组装从而实现连续作业。宋如海^[11]提出平行作业式快速掘进支护系统,通过掘进机上的运输装置将支护单体运输至迎头巷道,从而实现快速掘进。宋凯^[12]提出一种护盾运输机构,由升降机械臂将支护单体进行运输。

针对掘支锚协同作业系统中支护单体运输困难,设计一种协同运锚车,建立协同运锚车送架工作的力学模型,通过ADAMS建立动力学模型,分析协同运锚车高效送架工况下的稳定性,旨在为提高掘进工作面运输超前支护至迎头的安全高效运输提供设计依据。

1 综掘协同运锚车工作原理

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在掘进作业时,为防止迎头巷道发生冒顶事故,故需要对空顶进行支护。支护单体为门式支架,在支护作业时整体跨“骑”在掘进机上方,将操作工人与掘进机等设备保护在支护单体内。在一线工人完成永久支护工作后,综掘巷道协同运锚车将最后方的支护单体运输到巷道迎头位置。在支护单体到达预定位置后,支护单体的横向、支撑和侧帮液压缸开始工作可将单体撑开,从而对巷道空顶处进行支撑,完成对整个巷道迎头的超前支护工作,如图1所示。

在送架作业中,综掘巷道协同运锚车采用四条支腿来保持整车的稳定,此为初始状态。送架作业可以分为两个阶段:第一阶段为驱动承载装置移动到滑台的最前端;第二阶段为大臂上的液压缸推动臂架移动将支护单体送到迎头巷道,如图2所示。

2 力学特性分析及送架轨迹设计

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以协同运锚车的右边履带的中心为原点o,设纵向中心线为X轴,垂直X轴且指向左侧履带为Y轴正向,设垂直于XY面过o的坐标线为Z轴,如图3所示。通过测量,协同运锚车坐标尺寸,如表1所示。

2.1 支腿力学分析

如图4所示以承载中心为坐标原点,底盘纵向中心线为X,过o点垂直于X轴的坐标线为Y。设前面两支腿连线到回转中心o点的距离为l₃后面两支腿连线至o点的距离为l₄,非回转部分的重力为F_G₁,重心作用点在O₄(x₄,y₄);回转部分的重力为F_G₂,重心作用点在O₅(x₅,y₅)至回转中心的距离为R,假设车体重心坐标为O₀=(x₀,y₀,z₀),大臂O₁=(x₁,y₁,z₁),小臂O₂=(x₂,y₂,z₂),承接平台O₃=(x₃,y₃,z₃)^[13-14]。

大臂伸出的中心线与X轴的夹角为θ₁,协同运锚车的重心在平面的位置坐标为

(1)

x 5 = c o s θ 1 y 5 = s i n θ 1

运架作业时,合重心在水平面的坐标位置为G(x₀,y₀),即

(2)x₀=

F G 1 x 4 + F G 2 R c o s θ 1 F G

(3)y₀=

F G 1 y 4 + F G 2 R s i n θ 1 F G

式中:F_G为总重量,kg。

故合重心轨迹方程为

(4)

x 0 - F G 1 x 4 F G 2

y 0 - F G 1 y 4 + F G 2

F G 2 R F G 2

用F_A、F_B、F_C、F_D表示4个支腿的支撑力,故根据力矩平衡原则∑M_AB=0,∑M_CD=0,∑M_AD=0,可得

(5)M_AB=F_Cl+F_Dl=F_G(l₃+x₀)

(6)M_CD=F_Al+F_Bl=F_G(l₄-x₀)

(7)M_AD=F_Bh_B+F_Ch_C=F_Gh_G

式中:h_B、h_C、h_G为点B、C和G到线段AD的距离。

协同运锚车的重心O与4个支腿在同一水平面, F_A和F_B的合力在AB线上,F_C和F_D的合力在CD线上,如图4所示。由图4可得

(8)tanα₁=

b - a l

(9)tanα₁=

a l 5

当合重心O的位置坐标为(x₀,y₀)时,可得

(10)

S 1 l 5

y 0 x 0 + l 3 + l 5

(11)

S 2 l 5 + l

y 0 x 0 + l 3 + l 5

联立式(4)~式(11)可得

(12)F_A=

a + S 1 2 a

F_AB=

a + S 1 2 a l 4 - x 0 l

F_G

(13)F_B=

a - S 1 2 a

F_AB=

a - S 1 2 a l 4 - x 0 l

F_G

(14)F_C=

b + S 2 2 b

F_CD=

b + S 2 2 b l 3 + x 0 l

F_G

(15)F_D=

b - S 2 2 b

F_CD=

b - S 2 2 b l 3 + x 0 l

F_G

由支腿的支撑反力计算可得,当F_C和F_D一者或同时为0时,协同运锚车可能发生倾覆。

2.2 送架轨迹设计

第一阶段送架作业,当支护单体前移时,此时协同运锚车整车重心前移,则承载装置对协同运锚车的前支腿受力是不断变化的。第二阶段送架作业,大臂上的液压缸推动小臂向前运动。

以EBZ260H悬臂式掘进机为例,机长为11.7 m,为实现高效送架的目的,30 s内将支护单体运送至迎头巷道,故对送架作业进行轨迹设计,如表2所示。

通过Adams进行仿真分析,对支护单体进行运动轨迹仿真结果如图5所示。

3 协同运锚车常规送架作业整车稳定性分析

收起

3.1 全支撑常规送架作业稳定性分析

通过Adams建立协同运锚车送架过程的动力学仿真,协同运锚车添加自身重力,4个支腿分别设置接触力。

如图6所示,前支腿和后支腿初始受力分别为76.9 kN和73.5 kN,前支腿受力持续增大,而后支腿受力持续减少,当到达30 s时受力达到最大,前支腿和后支腿最终受力为114.1 kN和37.6 kN,故不会发生倾覆。

随着承载装置的送架作业,前支腿和后支腿初始力矩分别为294 kN·m和238 kN·m,前支腿的力矩不断增大,而后支腿的力矩不断减小,前支腿和后支腿的最终力矩为433 kN·m和121 kN·m。

3.2 三腿支撑常规送架作业稳定性分析

在送架作业过程中,协同运锚车的后支腿可能会因为巷道底板平整度不高,出现一个支腿不受力的工况,故需要对此进行仿真验证。

如图7所示,当承载装置的送架作业时,左前支腿受力持续增大,最大值为75.7 kN;左后支腿持续减小,最小值为75.9 kN;右前支腿几乎恒定一个常值为151 kN。

随着承载装置的送架作业,左前支腿初始力矩为100 kN·m,持续增大,最大值为287.4 kN·m;左后支腿初始力矩为100 kN·m,持续减小,最小值为244.1 kN·m;右前支腿几乎恒定一个常值为572.7 kN·m。

4 协同运锚车极限距离送架作业

收起

通过分析送架作业仿真结果,协同运锚车在常规送架作业中是不会发生倾覆,故后续假设综掘巷道协同运锚车的大臂向前伸展,直至综掘巷道协同运锚车发生失稳现象为止^[15]。

4.1 全支撑最远距离送架作业稳定性分析

通过Adams建立协同运锚车送架过程的动力学仿真,协同运锚车添加自身重力,运动部分添加3个平移副和两个驱动。

如图8所示,在最远距离送架作业,支护单体高度分量保持不变,在发生倾覆时,支护单体位移竖直分量发生改变,故可知协同运锚车在26.6 s发生倾覆,此时的位移变化值为15.3 m。

最远距离送架作业中,前支腿最大受力为151.2 kN,最大力矩573.2 kN·m,后支腿最小受力和最小力矩均为0,如图9所示。

4.2 三腿支撑最远距离送架作业稳定性分析

在送架作业最远距离的过程中,协同运锚车的后支腿可能会因为巷道底板平整度不高,出现一个支腿不受力的工况,故需要对此进行仿真验证。

如图10所示,在发生倾覆时高度位移发生改变,故协同运锚车在27 s时发生倾覆,此时的位移变化为15 m。

如图11所示,在最远距离送架作业第二阶段中,左前支腿持续增大,一直到与右前支腿近乎等值为151.7 kN;左后支腿持续减小,直至为0;右前支腿受力恒定一个常值为150.8 kN。

随着承载装置的送架作业,左前支腿力矩持续增大,最大值为572.3 kN·m;左后支腿力矩随着时间的递增而减小,直至为0;右前支腿力矩几乎恒定一个常值为569.4 kN·m。

5 结论

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(1)为实现协同运锚车高效送架目的,对运动轨迹进行设计,通过仿真得到在30 s可将单体支护运送至迎头巷道进行超前支护。

(2)当4条支腿全支撑时,前支腿的受力和力矩分别从76.9 kN和294 kN·m增加至151.2 kN和573.2 kN·m,后支腿的受力和力矩分别从73.5 kN和238 kN·m减小至0,极限送架距离为15.3 m。仿真结果符合设计要求。

(3)当三腿支撑而右后支腿无支撑时,左前支腿的受力和力矩分别从26.8 kN和100 kN·m增加至151.7 kN和572.3 kN·m,左后支腿的受力和力矩分别从145 kN和462 kN·m减小至0,右前支腿恒定的受力和力矩为150.8 kN和569.4 kN·m,极限送架距离为14.99 m。极限送架距离超过了掘进机机身长度。

(4)由两种工况下高效运架仿真的极限送架距离,验证了协同运锚车高效运架时的稳定性满足设计要求。

基金

收起

国家自然科学基金(51575002)
矿山智能技术与装备科研创新团队项目(2022AH010052)

参考文献

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文献

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2025年第25卷第15期

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379

145

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doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2406884

接收时间：2024-09-13
首发时间：2025-07-09
出版时间：2025-05-28

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出版历史

收稿日期：2024-09-13
修回日期：2024-11-17

基金

国家自然科学基金(51575002)

矿山智能技术与装备科研创新团队项目(2022AH010052)

作者信息

¹ 煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室, 淮南 232001

² 安徽理工大学机电工程学院, 淮南 232001

通讯作者:

* 邓海顺(1978—),男,汉族,安徽桐城人,博士,教授。研究方向:矿山机械。E-mail:dhs1998@163.com。

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kxjsygc/CN/10.12404/j.issn.1671-1815.2406884

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

物理量	数值
轴距L/mm	3 600
履带宽B/mm	2 600
设备高度H/mm	3 400
大臂离原点的纵向距离b/mm	1 275
大臂离地距离h₁/mm	2 250
承接装置与大臂垂直距离h₂/mm	335

物理量

数值

轴距L/mm

3 600

履带宽B/mm

2 600

设备高度H/mm

3 400

大臂离原点的纵向距离b/mm

1 275

大臂离地距离h₁/mm

2 250

承接装置与大臂垂直距离h₂/mm

335

时间	t₁=0~1 s	t₂=1~8 s	t₃=8~9 s	t₄=9~10 s	t₅=10~29 s	t₆=29~30 s
运动状态	a₁ $t 12$ /2	v₁t₂	a₂ $t 32$ /2	a₃ $t 42$ /2	v₂t₅	a₄ $t 62$ /2
a/(m·s^-2)	a₁=0.5		a₂=-0.5	a₃=150		a₄=-150
v/(m·s^-1)		v₁=0.5			v₂=150

时间

t₁=0~1 s

t₂=1~8 s

t₃=8~9 s

t₄=9~10 s

t₅=10~29 s

t₆=29~30 s

运动状态

a₁

t 12

v₁t₂

a₂

t 32

a₃

t 42

v₂t₅

a₄

t 62

a/(m·s^-2)

a₁=0.5

a₂=-0.5

a₃=150

a₄=-150

v/(m·s^-1)

v₁=0.5

v₂=150