0 引言

平硐作为工程勘察和采矿的重要开拓方式，在国内外已经得到广泛应用。目前平硐使用的钻机一般有气动水平凿岩机、凿岩台车、煤矿巷道掘进机等[1-3]，涉及到矿产资源开采、隧道开挖等多种用途，大多结合钻爆破岩方式掘进。然而这些设备并不适用小尺寸勘探平硐，而且从方法上会对环境造成较大影响，不符合绿色施工的理念。

钻孔劈裂隧道掘进是一种新的施工方法，施工后隧道周边整齐、平滑，克服了爆破施工造成隧道表面凹凸不平的缺点，解决了爆破超挖、欠挖问题，大大减少了支护工作量，可降低噪声和振动对周边居民和建筑物的影响。依此原理开发的钻劈台车还在试验阶段[3]，受整体结构影响，只有一个钻臂和一个作业平台，作业效率较低，还需要进一步进行相关的技术研究[3-5]。

现有的钻孔设备相对来说尺寸比较大，适合有限空间勘探平硐的钻机需要根据具体工况需求设计，通过仿真研究钻机运动特性，验证其工作范围设计的合理性[6]。本文针对钻机工作装置进行建模，利用SolidWorks与ADAMS软件建立钻机工作装置虚拟样机模型，对其进行运动学仿真研究，得出不同工作阶段运动状态，为工作装置的控制系统设计和优化提供可靠的依据[7]。

1 勘探平硐钻机工作装置系统原理与建模

1.1 勘探平硐钻机工作装置系统原理

以在截面为2000 mm×2000 mm的平硐内钻水平孔为设计的目标，要求钻机能够尽可能贴近地面和顶端进行钻孔。为保证平硐的断面面积，拟定钻臂的工作范围最高达到2 m，最低位置不大于150 mm。同时采用分段打锥形截面的方式，如图1所示平硐截面形状，破除一段岩石后，人工磨去边缘岩壁，这样实施实际掘进的巷道尺寸要大于2000 mm×2000 mm。

图1 设计平硐截面形状

针对破岩的工作，采用非爆破钻孔劈裂的掘进方式，避免噪声和粉尘对附近居民的影响。依此确定钻机的基本功能如图2所示。平硐钻机需要完成的功能包括钻孔和劈裂,其中钻孔功能需着重设计的部分包括回转机构、伸缩机构和给进机构。回转运动通过回转马达实现，伸缩机构由液压缸实现，给进机构主要设计的是推进器、凿岩机和钎具，劈裂棒用于岩石劈裂。整个平硐钻机由电机和泵站提供动力。

图2 平硐钻机的结构功能组成

1.2 勘探平硐钻机建模

钻机整体三维示意图如图3所示。主要由凿岩给进部分、钻架滑移部分和机架回转部分三个部分组成。

图3 勘探平硐钻机结构示意图

凿岩部分主要由液压凿岩机和液压缸组成，由液压缸推动凿岩机进行给进。根据液压凿岩机和液压缸的尺寸，初步设计钻架的基本参数为：长×宽×高=1800 mm×232 mm×150 mm。

钻架滑移结构主要由支撑液压缸、旋转架、钻架连接件组成，支撑液压缸包括两个固定在旋转架上的液压缸和一个斜支撑液压缸，缸杆与钻架之间通过连接件铰接。通过液压缸成比例伸缩实现钻架竖直方向的滑移，通过斜支撑液压缸钻架可以实现俯仰一定角度。

旋转轴部分由前机架、旋转轴、隔环、齿轮轴组成，前机架与旋转轴采用螺栓连接，轴承上部设置油口，回转马达与齿轮轴啮合，带动旋转轴转动，从而带动机架旋转。

2 钻机虚拟样机建模

为了探究勘探平硐钻机工作装置在运动过程中的各个状态，必须构建一个用于仿真分析的虚拟样机模型。利用SolidWorks进行钻机工作装置零部件建模，在保持各部件尺寸不变的条件下，为这些零部件简化模型添加相应配合关系。简化后的仿真模型主要分为地面、支腿、机身(原底盘+回转马达+旋转轴+支承)等，钻机的动作执行端包括旋转支架、液压缸、钻架、凿岩部分，由于部件尺寸和运动关键节点与原模型一致，所以并不影响最后的仿真结果。装配成钻机工作装置整体模型后，再将整体模型以.x-t格式导入到ADAMS中，实现无缝对接且保留了原有模型的基本属性(包括零部件的质量、转动惯量、质心位置、相对位置关系等)，但原有装配关系已消除，所以需要在ADAMS中对整体模型添加约束实现重新装配[8-10]。

根据钻机的结构及实际运动关系，利用转动副、移动副、圆柱副以及固定副将各个零部件进行连接建立起运动关系。在自定义的参考地面与软件默认的ground之间设置固定副，在机身上四个支腿液压缸与地面之间设置滑动副和接触，在旋转支架和旋转轴设置转动副，支撑液压缸和俯仰液压缸缸杆与钻架连接件之间设置转动副，俯仰液压缸缸体与旋转支架之间设置圆柱副，在凿岩机与钻架之间设置滑动副。同时，在各运动副处定义相应驱动，这样钻机的虚拟样机构建完成。