郎霞俊

（沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

提下鉆是巖心鉆機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，它是決定鉆探效率的重要因素之一。傳統(tǒng)模式的手工提下鉆雖然使鉆探工作更為細(xì)致準(zhǔn)確，但是缺點(diǎn)在于費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大。采用機(jī)械手提下鉆的模式則可以克服以上缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提下鉆的自動(dòng)化，大大縮短鉆探周期，提高鉆探效率[1]。全液壓巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手是一個(gè)機(jī)電液一體化系統(tǒng)，主要由機(jī)械、液壓、電氣控制等部分組成。提下鉆機(jī)械手是能夠自動(dòng)完成提下鉆桿擰卸鉆桿和排放鉆桿等任務(wù)的機(jī)械裝置。該機(jī)械手的控制系統(tǒng)是核心，起指揮作用，控制其按相應(yīng)的動(dòng)作順序進(jìn)行作業(yè)，采用液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作執(zhí)行[2]。

1 提下鉆機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前提下鉆機(jī)械手的人工手持部分為圓柱形的鉆桿。考慮到該鉆桿為圓柱形、質(zhì)量較大等情況，故將機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾持式手部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型滑槽式手部結(jié)構(gòu)示意圖

單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾持手部的工作原理為：手部驅(qū)動(dòng)桿1的前端為手指開(kāi)合油缸的活塞桿，驅(qū)動(dòng)桿的后端分為兩個(gè)分支，末端分別安裝有圓柱銷(xiāo)3。手指的兩桿件上開(kāi)有滑槽，用于圓柱銷(xiāo)的滑動(dòng)。由于手指的兩桿件通過(guò)絞銷(xiāo)2連接，固定在安裝板上。當(dāng)手指開(kāi)合油缸的無(wú)桿腔后將會(huì)推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生手指張閉的驅(qū)動(dòng)力。在驅(qū)動(dòng)力的作用下，驅(qū)動(dòng)桿末端的圓柱銷(xiāo)3在手指桿件的滑槽中滑動(dòng)，從而帶動(dòng)手指的桿件繞絞銷(xiāo)2連接處轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的夾緊和松開(kāi)。驅(qū)動(dòng)桿即手指夾緊液壓缸的活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，手指繞絞銷(xiāo)點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，緩慢張開(kāi)，在驅(qū)動(dòng)桿的作用下，當(dāng)圓柱銷(xiāo)3在手指桿件的滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)到最左端時(shí)，手指達(dá)到張開(kāi)的極限狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)桿即手指夾緊液壓缸的活塞桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指繞絞銷(xiāo)點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，緩慢閉合，在驅(qū)動(dòng)桿的作用下，當(dāng)圓柱銷(xiāo)3在手指桿件的滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)到最右端時(shí)，手指達(dá)到閉合的極限狀態(tài)[3]。

2 提下鉆機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提下鉆機(jī)械手在巖心鉆機(jī)工作過(guò)程中，負(fù)責(zé)鉆機(jī)處與鉆桿庫(kù)之間的抓取搬運(yùn)工作。在鉆桿的裝卸與運(yùn)送的過(guò)程中，鉆桿一直處于垂直被抓取的狀態(tài)，直至被機(jī)械手搬運(yùn)至鉆桿庫(kù)相應(yīng)的位置時(shí)，鉆桿會(huì)被傾斜放置，此時(shí)需要機(jī)械手的手腕做一定角度的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。該設(shè)計(jì)中，1為手指開(kāi)合驅(qū)動(dòng)桿，2為手指開(kāi)合液壓缸的缸體，因此手指開(kāi)合動(dòng)作由手指開(kāi)合液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)促使手腕與手部更加緊湊，使手部運(yùn)動(dòng)作用更加便利。

該設(shè)計(jì)布置能保障手指開(kāi)合液壓缸的油管順利通過(guò)，在腕部回轉(zhuǎn)時(shí)油路仍然能保持暢通，這種布置使得油管既不暴露在外面，又不受扭轉(zhuǎn)。手腕與臂部相連接，油管由手臂內(nèi)通過(guò)并經(jīng)過(guò)腕架分別進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)液壓缸和手指開(kāi)合液壓缸[4]。

回轉(zhuǎn)液壓缸的定片與缸體連接，是固定不變的，動(dòng)片通過(guò)螺釘、圓銷(xiāo)釘與輸出轉(zhuǎn)軸連接。隨著壓力油經(jīng)過(guò)油孔進(jìn)出入油腔中，動(dòng)片與定片之間的油腔中液壓油的壓力逐漸升高，油腔中的壓力油推動(dòng)動(dòng)片帶動(dòng)輸出轉(zhuǎn)軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。手腕回轉(zhuǎn)角度由液壓缸的動(dòng)片與定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定。設(shè)計(jì)中液壓缸的回轉(zhuǎn)角度為±90°。用位置檢測(cè)元件對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)并加以反饋控制，采用機(jī)械檔塊定位。

3 提下鉆機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，該提下鉆機(jī)械手的手臂主要支承著手部抓取鉆桿和搬運(yùn)鉆桿?；谌簤簬r心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手的工藝，可知道機(jī)械手的提鉆動(dòng)作順序如下：

手指張開(kāi)→手臂伸出→手指閉合（夾緊鉆桿）→手臂下降→手臂縮回→手臂旋轉(zhuǎn)（反）→手臂伸出→手腕旋轉(zhuǎn)（正）→手指張開(kāi)（放鉆桿）→手臂縮回→手指閉合→手腕旋轉(zhuǎn)（反）→手臂旋轉(zhuǎn)（正）→手臂上升→停止。

升降動(dòng)作靠機(jī)身做直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作靠機(jī)身的回轉(zhuǎn)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，升降液壓缸之上為手臂部件，下面為回轉(zhuǎn)液壓缸。回轉(zhuǎn)液壓缸的動(dòng)片與花軸軸套固定在一起，通過(guò)花鍵軸套帶動(dòng)花鍵軸回轉(zhuǎn)，活塞桿在升降液壓缸內(nèi)做升降運(yùn)輸，即實(shí)現(xiàn)手臂的升降動(dòng)作[3]。

4 提下鉆機(jī)械手的三維建模

在三維建模過(guò)程中，對(duì)于比較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)而言，如果不進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，在確定系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)上有一定的困難。模型簡(jiǎn)化主要是對(duì)系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行等效和簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的某些次要的固有特性進(jìn)行忽略。本論文當(dāng)中在不影響提下鉆機(jī)械手性能的前提下，對(duì)提下鉆機(jī)械手的三維建模進(jìn)行了下列簡(jiǎn)化：對(duì)液壓缸與安裝底板之間的安裝連接等處進(jìn)行簡(jiǎn)化，在裝配連接定義中采用剛性連接、銷(xiāo)釘連接和圓柱連接等來(lái)代替實(shí)際工作中的功能。在三維建模中，各液壓缸的進(jìn)油和出油管路并未在模型中體現(xiàn)出來(lái)，便于模型能夠更加美觀地表現(xiàn)出來(lái)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)后，可以得到提下鉆機(jī)械手的三維模型。

5 巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)提下鉆機(jī)械手作業(yè)時(shí)兩組液壓缸流量差距比較大，因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中采用雙泵供油系統(tǒng)，目的是降低溢流損失，同時(shí)也降低系統(tǒng)的發(fā)熱。如圖2所示，該機(jī)械手手臂升降液壓缸及手臂伸縮液壓缸供油采用大流量泵，手臂回轉(zhuǎn)液壓缸、手腕回轉(zhuǎn)液壓缸及手指夾緊液壓缸供油全部采用小流量泵。大小雙泵供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能很好地起到節(jié)能效果。

圖2 提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前全液壓巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手裝置應(yīng)用比較廣，可以自動(dòng)完成提下鉆桿、擰卸和排放鉆桿等作業(yè)。對(duì)全液壓巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，有利于提下鉆自動(dòng)化控制的應(yīng)用研究，同時(shí)可以為巖心鉆機(jī)智能化的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考，對(duì)智能化巖心鉆機(jī)的發(fā)展具有重要意義。