煤矿掘进工作面锚网自动绑扎装置研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.01.025

摘要/Abstract

摘要：

为提高锚网绑扎效率及质量，设计了一种锚网自动绑扎装置。基于发明问题解决理论对手持执行器、动力驱动装置、软轴传动机构进行了结构设计，并建立了锚网自动绑扎装置的三维模型。建立了无刷直流电机可换向调速控制系统模型，电机响应速度、输出扭矩均满足绑扎需求。分析了软轴扭转角，发现最大扭转角为49.560°，电机运行滞后时间为0.017s。依据设计参数制作了样机，10组锚网绑扎测试的平均绑扎时间为1.8 s，装置各机构动作与仿真结果相符。

关键词: 锚网支护, 无刷直流电动机, 软轴, 发明问题解决理论

Abstract:

To enhance the efficiency and quality of anchor net binding， an automatic anchor net binding device was designed. Based on TRIZ， the structural design of handheld actuators， power driving devices and flexible shaft transmission mechanism was carried out， and a 3D model of the automatic anchor net binding device was established. A model of a brushless DC motor commutation speed control system was established. It is verified that the motor response speed and output torque meet the binding requirements. Torsion angle of the flexible shaft was analyzed. The maximum torsion angle is as 49.560°， while the motor operation lag time is as 0.017s. A prototype was made based on the design parameters， and the average binding time for 10 sets of anchor net binding tests ia as 1.8s. The actions of each mechanism of the device are consistent with the simulation results.

Key words: bolting with anchor net, brushless DC motor, flexible shaft, theory of inventive problem solving（TRIZ）

中图分类号:

TH122

田立勇, 李鸣昊, 于宁, 杨秀宇. 煤矿掘进工作面锚网自动绑扎装置研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 243-253.

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图/表 34

表1 矛盾分析表

Tab.1 Contradiction analysis table

问题	改善因素	恶化因素
问题	改善因素	可操作性	装置的复杂性
绑扎效率低	自动化程度、生产率	分割原理、嵌套原理、预处理原理、机械系统替换原理	等势原理、转变到新维度原理、中介物原理、机械系统替换原理
绑扎强度低，受力易失效	强度、可靠性	分割原理、合并原理、多用性原理、动态化原理、复合材料原理	分割原理、嵌套原理、部分或超额行动原理、中介物原理
电机驱动功率过高，无法在井下使用	功率、物体外部有害因素作用的敏感性	等势原理、机械系统替换原理、同质性原理、改变特性原理	分割原理、合并原理、多用性原理、有效动作的连续性原理、抛弃和再生部件原理
电机壳体较薄，无法达到防爆标准	结构稳定性、物体外部有害因素作用的敏感性	分割原理、抽取原理、多用性原理、预处理原理、中介物原理	动态化原理、有效动作的连续性原理、中介物原理、自服务原理
适用性较低	适应性及多用性	分割原理、动态化原理、部分或超额行动原理、机械系统替换原理	多用性原理、嵌套原理、反过来做原理、动态化原理、气动或液压结构原理

表2 发明原理

Tab.2 Invention principles

发明原理	经典TRIZ释义	具体设计方案
分割原理	将物体分成独立或可拆卸的部分，以便于制造、组装、拆卸、运输、存储。	锚网自动绑扎装置主要由手持执行器、传动软轴、动力驱动装置组成，各部分可单独拆卸、组装，便于井下工人运输及维修。
多用性原理	具有多种功能。	手持执行器设有储丝装置、绑扎机构，可实现自动送丝、切丝、拧丝，无需采用其他装置辅助。
动态化原理	调整性能，在工作的各个阶段达到最优状态。	动力驱动装置壳体采用隔爆处理，满足井下作业要求；内部的PLC控制器可调节电机转速、转向，满足不同粗细、松紧程度的锚网绑扎作业要求。
中介物原理	使用中介物传递或转换能量、信息或物质，以改善性能或降低成本。	井下工作环境复杂，利用传动软轴连接手持执行器与动力驱动装置，可保证动力传输的平稳性；无线方式传输信号满足井下装置本安型要求。
机械系统代替原理	用机械系统代替非机械系统或改变现有机械系统的布局，以提高效率、降低成本或增加灵活性。	新型钢丝绑扎机构代替气动连扣机的气动射钉机构，可极大改善绑扎效果，提高绑扎质量。

图1 锚网自动绑扎装置功能模型

Fig.1 Function model of anchor net automatic binding device

图2 锚网自动绑扎装置整体结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of the overall structure of the anchor net automatic binding device

图3 手持执行器结构示意图

Fig.3 Schematic diagram of handheld actuator structure

图4 绑扎机构绑扎锚网原理图

Fig.4 Schematic diagram of binding mechanism binding anchor net

图5 动力驱动装置结构示意图

Fig.5 Schematic diagram of power drive device structure

图6 软轴传动机构结构示意图

Fig.6 Schematic diagram of the structure of the flexible shaft transmission mechanism

图7 单层传动软轴螺旋钢丝弹簧展开图

Fig.7 Unfolding diagram of single-layer transmission flexible shaft spiral spring

图8 多层传动软轴缠绕机构图

Fig.8 Multi layer transmission flexible shaft winding mechanism diagram

图9 不同长度软轴的等效位移云图

Fig.9 Equivalent displacement cloud chart of flexible shafts with different lengths

表3 不同长度软轴在不同转矩下最大扭转角度 (°)

Tab.3 Maximum torsion angle of flexible shafts of different lengths under different torques

长度/mm	扭矩/（N·m）
长度/mm	0	1	2	3	4	5
25	0	2.253	4.222	6.757	9.009	11.575
30		2.702	5.015	8.003	10.794	13.516
35		3.138	6.310	9.484	12.583	15.747
40		3.619	7.021	9.997	14.327	17.823

表4 仿真数据拟合后不同长度钢丝软轴扭转刚度

Tab.4 Torsional stiffness of steel wire flexible shafts with different lengths after fitting simulation data

软轴长度/mm	25	30	35	40
软轴扭转刚度/（（°）·N^-1·m^-1）	2.252	2.699	3.146	3.639

图10 动力驱动控制系统工作原理图

Fig.10 Working principle diagram of power drive control

图11 无刷直流电机控制方案

Fig.11 Control scheme for brushless DC motor

图12 无刷直流电机控制系统方块图

Fig.12 Block diagram of brushless DC motor control system

图13 送丝过程输入轴负载转矩曲线

Fig.13 Input shaft load torque curve during wire feeding

图14 绑扎丝切断过程应力云图

Fig.14 Stress contour of the cutting process of the lashing wire

图15 切丝过程输入轴负载转矩曲线

Fig.15 Input shaft load torque curve in the shredding process

图16 绑扎丝旋拧过程应力云图

Fig.16 Stress contour diagram of the twisting process of the binding wire

图17 拧丝过程输入轴负载转矩曲线

Fig.17 Torque curve of input shaft load during wire twisting

图18 无刷直流电机调速控制系统仿真模型

Fig.18 Simulation model of brushless DC motor speed control system

图19 电机输出转速

Fig.19 Motor output speed

图20 电机输出力矩

Fig.20 Motor output torque

图21 输出角度对比曲线

Fig.21 Comparison curve of output angle

图22 锚网自动绑扎装置样机

Fig.22 Prototype of anchor net automatic binding device

图23 传动软轴扭矩、扭转角测试平台

Fig.23 Transmission flexible shaft torque and torsion angle testing platform

表5 软轴扭转角与输出扭矩实验测试结果 (°)

Tab.5 Experimental test results of soft shaft torsion angle and output torque

长度/mm
长度/mm	0.05	0.10	0.15	0.20
250	1.1	2.0	3.1	4.0
500	1.8	3.9	5.7	7.9
750	2.9	5.8	9.1	12.0
1000	4.2	7.8	11.9	16.0

表6 实验数据拟合后不同长度钢丝软轴的扭转刚度

Tab.6 Torsional stiffness of flexible steel wire shafts with different lengths after experimental data fitting

软轴长度/mm	250	500	750	1000
软轴扭转刚度/（（°）·N^-1·m^-1）	20.03	40.15	60.18	80.28

图24 锚网自动绑扎装置实验平台

Fig.24 Anchor net automatic binding device experimental platform

图25 绑扎实验过程电机扭矩、转速曲线

Fig.25 Torque\speed curve of the motor during the binding experiment process

图26 锚网绑扎实验测试效果图

Fig.26 Experimental test effect of anchor net binding

表7 锚网绑扎效率及绑扎质量参数

Tab. 7 Anchor net lashing efficiency and lashing quality parameters

名称

绑扎效率

（每扣耗时）/s

绑扎扣最大

可承受拉力/N

图27 井下锚网绑扎实验测试效果图

Fig.27 Underwater anchor network binding test results

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