姚亞峰，姚寧平，彭 濤

煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

姚亞峰1,2，姚寧平2，彭 濤2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)鉆孔的開(kāi)孔參數(shù)，即方位角、傾角和高度。針對(duì)不同種類鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)差異性及煤礦井下鉆孔的施工特點(diǎn)，總結(jié)了煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)對(duì)開(kāi)孔參數(shù)的調(diào)整要求，提出了煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的研究目標(biāo)，即能夠快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆孔開(kāi)孔參數(shù)及保障鉆機(jī)施工的穩(wěn)定性。總結(jié)出煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)具有外形尺寸小、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較大、施工時(shí)需要穩(wěn)固可靠、調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)化程度高的總體特點(diǎn)。對(duì)目前煤礦井下鉆機(jī)幾種常見(jiàn)變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、輔助穩(wěn)固方式、控制方法、適用范圍及存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了煤礦井下鉆機(jī)向鉆孔機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中變幅機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和控制方法方面的研究方向，建議重點(diǎn)從關(guān)節(jié)自動(dòng)鎖緊裝置開(kāi)發(fā)、變幅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)適應(yīng)自動(dòng)加卸鉆桿模式的需求、鉆孔開(kāi)孔參數(shù)智能調(diào)節(jié)、開(kāi)孔參數(shù)與底盤調(diào)平及機(jī)身穩(wěn)固的協(xié)調(diào)控制等方面開(kāi)展研究工作。研究成果為煤礦井下鉆機(jī)裝備智能化提供了研究思路。

煤礦井下；變幅機(jī)構(gòu)；鉆機(jī)；智能化；穩(wěn)固系統(tǒng)

鉆機(jī)按照目的和用途可分為石油天然氣開(kāi)發(fā)鉆機(jī)、煤礦井下鉆機(jī)、工程施工鉆機(jī)、水文水井鉆機(jī)、地質(zhì)勘查鉆機(jī)等[1-3]。鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)(也稱機(jī)架)的主要用途是用于調(diào)節(jié)鉆孔的方位角、傾角和高度等開(kāi)孔參數(shù)[4-5]，不同種類鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)有很大差異。石油天然氣開(kāi)發(fā)鉆機(jī)、水文水井鉆機(jī)及地質(zhì)勘查鉆機(jī)主要用于施工垂直于地面的鉆孔或與地面夾角很小的鉆孔，其變幅機(jī)構(gòu)(也稱機(jī)架)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)參數(shù)小、穩(wěn)定性高。對(duì)于工程施工鉆機(jī)中的多功能工程鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，主要用于巖石爆破孔、管棚鉆孔、錨固孔等小直徑淺孔施工，對(duì)變幅機(jī)構(gòu)的開(kāi)孔參數(shù)要求范圍很大[6-10]。這類鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)較復(fù)雜、外形尺寸較大、施工時(shí)依靠變幅機(jī)構(gòu)上安裝的給進(jìn)機(jī)身頂緊地面，不需要輔助穩(wěn)固。

煤礦井下鉆機(jī)主要用于瓦斯抽采、地質(zhì)勘探、探放水、防滅火、注漿等鉆孔的施工[11-12]，以常見(jiàn)的瓦斯抽采鉆孔為例，根據(jù)布置方式，主要分為本煤層(順層)鉆孔、高位鉆孔和穿層鉆孔[13-14]。本煤層鉆孔施工時(shí)鉆孔傾角和方位角調(diào)節(jié)范圍較小，高度則由煤層的厚度決定，變化范圍較大。高位鉆孔主要在專用鉆場(chǎng)中施工，對(duì)開(kāi)孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍要求較小。對(duì)于穿層鉆孔來(lái)說(shuō)，開(kāi)孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍很大、結(jié)構(gòu)型式多樣。其他類型的鉆孔與瓦斯抽采鉆孔一樣，根據(jù)施工方式的不同，對(duì)鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的參數(shù)要求也各不相同。因此，變幅機(jī)構(gòu)的性能直接影響鉆機(jī)的適用范圍和施工性能，快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆孔開(kāi)孔參數(shù)及保障鉆機(jī)施工的穩(wěn)定性是煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)研究的目標(biāo)，這有助于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少鉆孔輔助時(shí)間、提高施工的安全性。

1 煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的總體特點(diǎn)

不同于地面施工鉆機(jī)，煤礦井下鉆機(jī)用于在煤礦巷道內(nèi)施工，其結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)受到巷道尺寸、鉆孔類型、鉆探工藝等限制[15]，且不同結(jié)構(gòu)的變幅機(jī)構(gòu)各有其適應(yīng)性。因此，煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)具有以下總體特點(diǎn)：

①由于煤礦巷道斷面尺寸小、巷道中一般布置有運(yùn)輸軌道、風(fēng)筒等設(shè)施，對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的體積要求高，鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)發(fā)展受到尺寸和重量的限制；

②在碎軟煤層鉆孔時(shí)容易發(fā)生卡埋鉆現(xiàn)象，鉆孔過(guò)程中經(jīng)常需要處理孔內(nèi)事故，鉆機(jī)的起拔力相對(duì)較大，為了保障變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，常常增加穩(wěn)固裝置實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)固；

③同一個(gè)巷道中施工的鉆機(jī)往往需要施工前探孔和順層孔兩種類型的鉆孔，有時(shí)一種鉆機(jī)還需要在不同巷道內(nèi)施工，因此，對(duì)于鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，變幅機(jī)構(gòu)應(yīng)能滿足多種鉆孔需求，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較大；

④穿層鉆孔施工時(shí)開(kāi)孔參數(shù)調(diào)節(jié)頻繁，而井下施工環(huán)境差，為了減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率，要求變幅機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)過(guò)程中人工干預(yù)少，調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)化程度高。

2 煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)型式及穩(wěn)固方式

2.1 單油缸四連桿變幅機(jī)構(gòu)

早期大量應(yīng)用于煤礦井下施工的鉆機(jī)為分體式鉆機(jī)，要求鉆機(jī)尺寸小、重量輕，便于人工搬遷運(yùn)輸。鉆機(jī)采用分體式結(jié)構(gòu)，包括主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)3部分，變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在主機(jī)中，采用油缸四連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。變幅機(jī)構(gòu)無(wú)法調(diào)節(jié)開(kāi)孔方位角，只能依靠人工擺動(dòng)主機(jī)方向?qū)崿F(xiàn)；傾角調(diào)節(jié)范圍為-90°~90°，但是在±90°調(diào)節(jié)時(shí)需要人工調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)身實(shí)現(xiàn)。由于立柱強(qiáng)度有限，鉆孔高度調(diào)節(jié)范圍也較小。這種變幅機(jī)構(gòu)在參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)需要松開(kāi)緊固螺栓，利用油缸配合導(dǎo)鏈或人工調(diào)節(jié)機(jī)身傾角和高度，到達(dá)設(shè)計(jì)的開(kāi)孔位置后再緊固螺栓。施工時(shí)主機(jī)需要用4個(gè)專用的液壓支柱壓緊底座進(jìn)行穩(wěn)固。因此，這種變幅機(jī)構(gòu)存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。該變幅機(jī)構(gòu)采用機(jī)械鎖死，配合穩(wěn)固可靠的單體液壓支柱，可適合各種能力的鉆機(jī)。

1—底座；2—立柱；3—機(jī)身；4—橫梁；5—油缸；6—斜撐

2.2 雙油缸多自由度變幅機(jī)構(gòu)

隨著煤礦井下履帶式鉆機(jī)的普及，機(jī)構(gòu)質(zhì)量不再是重要的影響因素，雙油缸多自由度變幅機(jī)構(gòu)也得到了快速應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖2所示。轉(zhuǎn)盤安裝在履帶式鉆機(jī)車體上，轉(zhuǎn)盤上安裝轉(zhuǎn)臺(tái)，大臂的下部鉸接于轉(zhuǎn)臺(tái)上，大臂和轉(zhuǎn)臺(tái)之間鉸接油缸Ⅰ，油缸Ⅰ、大臂與轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成第一個(gè)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。托架的下部鉸接于大臂的上部，托架與大臂之間鉸接油缸Ⅱ，油缸Ⅱ、托架、大臂構(gòu)成另一個(gè)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。利用兩個(gè)曲柄遙塊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)身傾角和高度的變化，利用轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)機(jī)身方位角的變化，機(jī)身傾角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°，方位角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°，高度調(diào)節(jié)1.1 m。該變幅機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)時(shí)僅依靠液控或電控手柄控制多路換向閥實(shí)現(xiàn)，具有調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)過(guò)程無(wú)需輔助吊裝也無(wú)需人工擰卸螺栓、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。由于主要依靠?jī)山M油缸固定機(jī)身，該變幅機(jī)構(gòu)在使用時(shí)還需要撐緊安裝在機(jī)身兩端的前后穩(wěn)固裝置，提升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。該變幅機(jī)構(gòu)適用于常規(guī)能力的鉆機(jī)，鉆機(jī)能力為1 900~6 500 N·m。

1—轉(zhuǎn)盤；2—油缸Ⅰ；3—后穩(wěn)固裝置；4—托架；5—機(jī)身；6—大臂；7—油缸Ⅱ；8—轉(zhuǎn)臺(tái)；9—前穩(wěn)固裝置

針對(duì)穿層孔設(shè)計(jì)中需要在鉆場(chǎng)中施工密集型多排多列鉆孔，在該變幅機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，升級(jí)了滑移式雙油缸多自由度變幅機(jī)構(gòu)，如圖3所示，在轉(zhuǎn)盤下方和車體之間增加平移裝置，使用時(shí)依靠該平移裝置實(shí)現(xiàn)變幅機(jī)構(gòu)整體滑移，可大幅提高這種特殊需求鉆孔的施工效率。

1—滑移裝置；2—雙油缸多自由度變幅機(jī)構(gòu)

2.3 大采高多自由度變幅機(jī)構(gòu)

大采高多自由度變幅機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于煤礦井下掘進(jìn)面超前探、掘進(jìn)面爆破、本煤層多層瓦斯抽采等鉆孔的施工，具有鉆孔傾角和鉆孔高度調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。鉆孔高度調(diào)節(jié)范圍可達(dá)0.8~3.5 m，鉆孔傾角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°，方位角調(diào)節(jié)范圍-90°~90°。該變幅機(jī)構(gòu)(圖4)結(jié)構(gòu)原理為：連接架Ⅰ與調(diào)角油缸及一級(jí)臂組成第一個(gè)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，主要用于調(diào)節(jié)傾角；一級(jí)臂上面安裝有二級(jí)臂，依靠平移油缸使二級(jí)臂沿一級(jí)臂滑移，主要實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)；擺角油缸安裝在二級(jí)臂上，并通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)、連接架Ⅱ、回轉(zhuǎn)油缸、轉(zhuǎn)盤連接機(jī)身，利用擺角油缸通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)調(diào)平機(jī)身，便于鉆孔傾角的調(diào)節(jié)，利用回轉(zhuǎn)油缸調(diào)節(jié)鉆孔傾角，利用轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)鉆孔的方位角。機(jī)身的前后端安裝前后穩(wěn)固油缸，提高鉆機(jī)施工時(shí)的穩(wěn)定性。由于該機(jī)構(gòu)活動(dòng)關(guān)節(jié)多，機(jī)身穩(wěn)固主要依靠前后穩(wěn)固裝置輔助，因此，該類型變幅機(jī)構(gòu)適合于能力較小的鉆機(jī)，目前鉆機(jī)最大能力為3 200 N·m。

1—連接架Ⅰ；2—調(diào)角油缸；3—一級(jí)臂；4—平移油缸；5—二級(jí)臂；6—擺角油缸；7—后穩(wěn)固裝置；8—四連桿機(jī)構(gòu)；9—連接架Ⅱ；10—機(jī)身；11—回轉(zhuǎn)油缸；12—轉(zhuǎn)盤；13—前穩(wěn)固裝置

2.4 立柱雙轉(zhuǎn)盤變幅機(jī)構(gòu)

該變幅機(jī)構(gòu)(圖5)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍為傾角-90°~ 90°，方位角-90°~90°，開(kāi)孔高度0.65 m。轉(zhuǎn)盤Ⅰ固定在鉆機(jī)的履帶車體上，用于調(diào)節(jié)方位角；在轉(zhuǎn)盤Ⅰ上安裝有兩個(gè)立柱，立柱上通過(guò)轉(zhuǎn)盤Ⅱ安裝機(jī)身，通過(guò)舉升油缸升降機(jī)身來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)孔高度，通過(guò)轉(zhuǎn)盤Ⅱ調(diào)節(jié)鉆孔傾角。立柱上安裝有上穩(wěn)固裝置，機(jī)身前后還安裝有前后穩(wěn)固裝置，因此，該變幅機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較好，開(kāi)孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，能滿足各種鉆孔的需求。由于鉆孔傾角在正負(fù)轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)身的一側(cè)會(huì)與車體干涉，因此，一次傾角調(diào)節(jié)范圍有限，在正負(fù)傾角轉(zhuǎn)換時(shí)需要調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)身安裝。目前該變幅機(jī)構(gòu)主要適合3 500~4 500 N·m的履帶式鉆機(jī)。

1—轉(zhuǎn)盤Ⅰ；2—前穩(wěn)固裝置；3—機(jī)身；4—舉升油缸；5—立柱；6—上穩(wěn)固裝置；7—機(jī)身；8—后穩(wěn)固裝置；9—轉(zhuǎn)盤Ⅱ

2.5 可翻轉(zhuǎn)全斷面鉆進(jìn)變幅機(jī)構(gòu)

該變幅機(jī)構(gòu)的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍為：鉆孔高度范圍0.73~1.63 m，鉆孔傾角–90°~90°。如圖6所示，連接架和斜撐油缸固定在鉆機(jī)的履帶車體上，連接架另一端固定有立柱，通過(guò)斜撐油缸調(diào)節(jié)立柱角度，立柱上安裝升降油缸、轉(zhuǎn)盤和機(jī)身，通過(guò)升降油缸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤高度，從而調(diào)節(jié)機(jī)身高度，利用轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)機(jī)身傾角。為保障鉆孔施工時(shí)轉(zhuǎn)盤的穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈安裝有制動(dòng)裝置。立柱上安裝有上穩(wěn)固裝置，機(jī)身前后安裝有前后穩(wěn)固裝置，因此，該變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性也較高。在鉆機(jī)施工時(shí)，由于變幅機(jī)構(gòu)的立柱固定，鉆孔的方位角不能通過(guò)變幅機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，需要調(diào)節(jié)時(shí)必須移動(dòng)履帶車體，因此，該變幅機(jī)構(gòu)主要適用于全斷面穿層或本煤層順槽鉆孔施工。通過(guò)在變幅機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中增加電控元件，可實(shí)現(xiàn)遙控器控制變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，提高安全性。目前該變幅機(jī)構(gòu)常用的鉆機(jī)能力為4 500~6 500 N·m。

1—斜撐油缸；2—連接架；3—后穩(wěn)固裝置；4—機(jī)身；5—升降油缸；6—上穩(wěn)固裝置；7—立柱；8—制動(dòng)裝置；9—轉(zhuǎn)盤；10—前穩(wěn)固裝置

3 煤礦井下鉆孔機(jī)器人變幅機(jī)構(gòu)的發(fā)展展望

隨著煤礦井下鉆機(jī)機(jī)械化、自動(dòng)化水平的不斷提高，鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)也逐漸從人工輔助調(diào)節(jié)發(fā)展到無(wú)需人工干預(yù)的全液壓或遙控控制，同時(shí)穩(wěn)固系統(tǒng)也逐漸集成于變幅機(jī)構(gòu)中，通過(guò)穩(wěn)固系統(tǒng)的加入不斷提高變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。伴隨著煤礦智能化開(kāi)采模式的不斷發(fā)展，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局也在《煤礦機(jī)器人研發(fā)目錄》中指出了防突、探水、防沖等鉆孔機(jī)器人的需求和定位，這也就指明了鉆機(jī)向機(jī)器人化快速發(fā)展的趨勢(shì)。由于現(xiàn)有鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)已經(jīng)發(fā)展到無(wú)需人工干預(yù)階段，這也為鉆孔機(jī)器人的變幅機(jī)構(gòu)提供了良好的基礎(chǔ)，基于此，鉆孔機(jī)器人變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及控制方法可從以下幾個(gè)方向開(kāi)展重點(diǎn)研究。

3.1 關(guān)節(jié)自動(dòng)鎖緊裝置開(kāi)發(fā)

關(guān)節(jié)機(jī)器人適合于工業(yè)領(lǐng)域的多種機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，例如裝配、噴漆、焊接等，由于關(guān)節(jié)機(jī)器人具有負(fù)載較低、運(yùn)動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，其關(guān)節(jié)是依靠伺服電機(jī)制動(dòng)鎖死的，同時(shí)在受到大的外力或振動(dòng)時(shí)又具有柔性控制以防止損壞[16-19]。鉆孔機(jī)器人的變幅機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)完開(kāi)孔參數(shù)后，在施工過(guò)程中一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，且施工過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，不同于工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作模式。由于鉆孔機(jī)器人的變幅機(jī)構(gòu)具有鉆孔施工時(shí)負(fù)載沖擊大、長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)等特點(diǎn)，因此，應(yīng)朝著提高自身剛度、不需要柔性控制方向發(fā)展。同時(shí)受鉆孔機(jī)器人施工環(huán)境所限，在煤層或復(fù)雜巖層巷道中施工，遇到地層壓力釋放時(shí)，常常導(dǎo)致穩(wěn)固系統(tǒng)失穩(wěn)，此時(shí)對(duì)變幅機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)處零件損傷較大，僅依靠穩(wěn)固系統(tǒng)提升穩(wěn)定性是不夠的。為了適應(yīng)鉆孔機(jī)器人施工時(shí)對(duì)變幅機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊、強(qiáng)力起拔等高負(fù)荷，變幅機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)處應(yīng)設(shè)計(jì)自動(dòng)鎖緊裝置，確保在鉆孔施工時(shí)變幅機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，為機(jī)器人鉆孔施工時(shí)鉆孔參數(shù)的準(zhǔn)確性提供保障。

3.2 變幅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)自動(dòng)加卸鉆桿模式的需求

鉆孔機(jī)器人的智能化鉆進(jìn)主要可分解為自動(dòng)加卸鉆桿和自適應(yīng)鉆進(jìn)兩大部分，現(xiàn)有鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以人工加卸鉆桿的模式為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)上很難適應(yīng)智能化鉆進(jìn)的需求。當(dāng)前自動(dòng)加卸鉆桿系統(tǒng)的研究集中在整體式加卸鉆桿裝置和分體式加卸鉆桿車兩種模式，其中整體式加卸鉆桿裝置是指加卸鉆桿裝置集中在鉆機(jī)本體上，鉆桿的補(bǔ)充依靠吊臂機(jī)器人或其他裝置實(shí)現(xiàn)。分體式加卸鉆桿車是指加卸鉆桿裝置和鉆桿儲(chǔ)存裝置等集成在獨(dú)立的車體上。由于兩種加卸鉆桿模式對(duì)變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)范圍、自由度要求差異很大，應(yīng)針對(duì)不同的自動(dòng)加卸鉆桿模式，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)，才能更好地發(fā)揮自動(dòng)加卸鉆桿系統(tǒng)的效率。

3.3 鉆孔開(kāi)孔參數(shù)智能調(diào)節(jié)

鉆孔機(jī)器人施工過(guò)程中為盡量避免人工干預(yù)，要求變幅機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)能夠根據(jù)鉆孔施工規(guī)劃設(shè)計(jì)來(lái)自主調(diào)整好鉆孔姿態(tài)，等待鉆進(jìn)指令。鉆孔姿態(tài)調(diào)整的核心是對(duì)開(kāi)孔方位角、傾角及高度的參數(shù)檢測(cè)和反饋控制。由于變幅機(jī)構(gòu)承載著鉆孔機(jī)器人的關(guān)鍵部件，如給進(jìn)機(jī)身、動(dòng)力頭、夾持器等，這部分結(jié)構(gòu)重量大、運(yùn)動(dòng)慣性大，這需要在姿態(tài)調(diào)整路徑規(guī)劃、多傳感器數(shù)據(jù)融合控制算法、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度加速度控制等方面展開(kāi)研究，以快速準(zhǔn)確地控制鉆孔機(jī)器人變幅機(jī)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)的鉆孔參數(shù)。

3.4 開(kāi)孔參數(shù)與底盤調(diào)平、機(jī)身穩(wěn)固的協(xié)調(diào)控制

鉆孔機(jī)器人在施工中都需要機(jī)身輔助穩(wěn)固，其一般工作步驟是：先利用下穩(wěn)固調(diào)平機(jī)器人底盤，再進(jìn)行變幅機(jī)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，最后進(jìn)行機(jī)身輔助穩(wěn)固，或者變幅機(jī)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整和機(jī)身輔助穩(wěn)固交叉進(jìn)行。在進(jìn)行機(jī)身輔助穩(wěn)固過(guò)程中，由于巷道頂?shù)装宓牟黄秸⑺绍浺姿?，其穩(wěn)固支撐存在微小位移，這種位移會(huì)對(duì)鉆孔機(jī)器人底盤的調(diào)平及變幅機(jī)構(gòu)的開(kāi)孔參數(shù)產(chǎn)生影響并放大誤差，從而影響最終的開(kāi)孔參數(shù)調(diào)節(jié)精度。因此，需要在進(jìn)行開(kāi)孔參數(shù)調(diào)整控制時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆孔機(jī)器人底盤穩(wěn)固支撐的變化，對(duì)底盤穩(wěn)固支撐進(jìn)行修正控制，使鉆孔機(jī)器人底盤始終保持水平，同時(shí)要實(shí)時(shí)修正鉆孔機(jī)器人的變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)控制量，即進(jìn)行開(kāi)孔參數(shù)與底盤調(diào)平、機(jī)身穩(wěn)固耦合調(diào)節(jié)控制，提高最終的開(kāi)孔參數(shù)調(diào)節(jié)控制精度。其控制流程如圖7所示。

圖7 開(kāi)孔參數(shù)與調(diào)平、穩(wěn)固協(xié)調(diào)控制流程

4 結(jié)論

a. 受煤礦井下巷道條件、鉆孔施工種類等的限制，煤礦井下鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)存在外形尺寸小、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大、施工時(shí)需要穩(wěn)固、調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)化程度要求高等突出特點(diǎn)。

b. 煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)由依靠人工輔助操作逐漸發(fā)展到僅依靠液壓手柄或遙控器操作而無(wú)需人工干預(yù)，不僅顯著減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了鉆孔輔助時(shí)間，提高了施工效率，也為煤礦井下鉆機(jī)向自動(dòng)化和智能化發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。

c.隨著煤礦井下鉆機(jī)向機(jī)器人化發(fā)展，變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)也要適應(yīng)鉆孔機(jī)器人的發(fā)展要求。變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)逐漸向提高穩(wěn)定性、適應(yīng)自動(dòng)加卸鉆桿需求等方向發(fā)展；而變幅機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)逐漸由手柄控制向智能自動(dòng)調(diào)節(jié)方向發(fā)展，并與底盤調(diào)平、輔助穩(wěn)固等相關(guān)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

請(qǐng)聽(tīng)作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] 魏培靜，王定亞，肖磊，等. 我國(guó)石油鉆機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀與后續(xù)發(fā)展思考[J]. 石油機(jī)械，2018，46(6)：1–6. WEI Peijing，WANG Dingya，XIAO Lei，et al. The status and future development of drilling rig control technology in China[J]. China Petroleum Machinery，2018，46(6)：1–6.

[2] 張陽(yáng). ZMK5530TZJ100型車載鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2019，36(3)：67–72. ZHANG Yang. Analysis and optimization of luffing mechanism of ZMK5530TZJ100 carrier mounted rig[J]. Journal of Machine Design，2019，36(3)：67–72.

[3] 姚亞峰，梁春苗，宋海濤，等. ZDY1450LG 型全液壓坑道鉆機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2015，43(6)：124–127. YAO Yafeng，LIANG Chunmiao，SONG Haitao，et al. Development and key technology of fully hydraulic drill rig ZDY1450LG[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43(6)：124–127.

[4] 曹靜，姚寧平，姚亞峰，等. 煤礦坑道瓦斯抽采鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析[J]. 煤礦機(jī)械，2013，34(5)：120–122.CAO Jing，YAO Ningping，YAO Yafeng，et al. Design and force analysis of luffing mechanism coal tunnel gas drainage rig[J]. Coal Mine Machinery，2013，34(5)：120–122.

[5] 李旺年，邵俊杰，郭相平. ZDY750L底錨鉆機(jī)在新元礦底板錨固施工中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(2)：196–200. LI Wangnian，SHAO Junjie，GUO Xiangping. Application on ZDY750L drilling rig in anchoring of floor in Xinyuan coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(2)：196–200.

[6] 胡亞，田宏亮，殷新勝，等. 基于ADAMS的工程鉆機(jī)多變幅機(jī)構(gòu)虛擬仿真研究[J]. 煤礦機(jī)械，2011，32(6)：68–70.HU Ya，TIAN Hongliang，YIN Xinsheng，et al. Simulation and research on multi-luffing mechanism for engineering drilling rig based on ADAMS[J]. Coal Mine Machinery，2011，32(6)：68–70.

[7] 曹博，朱建新，朱振新. 樁架新型變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2019，39(9)：1–7. CAO Bo，ZHU Jianxin，ZHU Zhenxin. Dynamic analysis of new variable amplitude mechanism of pile frame[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2019，39(9)：1–7.

[8] 朱振新，朱建新，唐博豪，等. 多級(jí)組合型大角度變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019，50(6)：1334–1342. ZHU Zhenxin，ZHU Jianxin，TANG Bohao，et al. Dynamics characteristics of multi-stage combined type large angle luffing mechanism[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2019，50(6)：1334–1342.

[9] 謝嵩岳. 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009. XIE Songyue. Research on dynamic characteristics of luffing mechanism of rotary drilling rig[D]. Changsha：Central South University，2009.

[10] 康輝梅，許怡赦，金耀. 一種新型旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31(11)：97–100. KANG Huimei，XU Yishe，JIN Yao. Dynamic research of a new mast link frame system in rotary drilling rig[J]. Journal of Machine Design，2014，31(11)：97–100.

[11] 姚克，田宏亮，姚寧平，等. 煤礦井下鉆探裝備技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(1)：1–5. YAO Ke，TIAN Hongliang，YAO Ningping，et al. Present situation and prospect of drilling equipment technology in coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：1–5.

[12] 盧寧，趙繼云，張德生，等.煤礦井下全液壓鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦機(jī)械，2011，32(3)：1–3. LU Ning，ZHAO Jiyun，ZHANG Desheng，et al. Present situation and developing tendency of underground coal mine hydraulic drilling machine[J]. Coal Mine Machinery，2011，32(3)：1–3.

[13] 姚寧平，姚亞峰，張杰，等. 煤礦井下梳狀定向孔鉆進(jìn)技術(shù)與裝備[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(10)：12–16.YAO Ningping，YAO Yafeng，ZHANG Jie，et al. Technology and equipment of pectination directional drilling in underground mine[J]. Coal Science and Technology，2012，40(10)：12–16.

[14] 石璐，宋海濤，張剛，等.窄體全液壓履帶鉆機(jī)的研制與應(yīng)用[J]. 煤礦安全，2018，49(1)：112–114. SHI Lu，SONG Haitao，ZHANG Gang，et al. Development and application of narrow body full hydraulic track drilling rig[J]. Safety in Coal Mines，2018，49(1)：112–114.

[15] 梁春苗，姚亞峰，石璐，等.全液壓坑道鉆機(jī)給進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)與分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2012，40(3)：90–92. LIANG Chunmiao，YAO Yafeng，SHI Lu，et al. Design and analysis of feeding device of all hydraulic tunnel drilling rig[J]. Coal Geology & Exploration，2012，40(3)：90–92.

[16] 楊林. 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].煤礦機(jī)械，2018，39(8)：60–62. YANG Lin. Research status and key technology of underground gas drainage drilling robot in coal mine[J]. Coal Mine Machinery，2018，39(8)：60–62.

[17] 王清峰，陳航. 瓦斯抽采智能化鉆探技術(shù)及裝備的發(fā)展與展望[J]. 工礦自動(dòng)化，2018，44(11)：18–24. WANG Qingfeng，CHEN Hang. Development and prospect on intelligent drilling technology and equipment for gas drainage[J]. Industry and Mine Automation，2018，44(11)：18–24.

[18] 楊揚(yáng)，陳柏，王堯堯. 建筑鉆孔機(jī)器人的振動(dòng)與控制研究[J]. 機(jī)電工程，2019，36(6)：596–601. YANG Yang，CHEN Bai，WANG Yaoyao. Vibration and control of building drilling robot[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering，2019，36(6)：596–601.

[19] 燕楠. 基于柔性多關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法研究[J]. 長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2019，20(2)：72–76. YAN Nan. Research on motion control algorithm based on flexible multi-joint robot[J]. Journal of Changchun Institute of Technology(Natural Sciences Edition)，2019，20(2)：72–76.

Development situation and prospect of luffing mechanism of drilling rig in underground coal mine

YAO Yafeng1,2, YAO Ningping2, PENG Tao2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The luffing mechanism of drilling rig is used to adjust the opening parameters of the borehole, that is, azimuth angle, inclination angle, and height. According to the structural differences of different types of drilling rig and the construction characteristics of borehole in underground coal mine, this paper summarizes the adjustment requirements to opening parameters and proposes the research goal, which can rapidly and accurately adjust the parameters of the borehole and safeguard the stability of drilling construction. It is concluded that the luffing mechanism of drilling rig in underground coal mine has overall characteristics of small size, large adjustment range of parameters, reliable stability in construction, and high automation in the process of adjustment. According to the analysis of structural characteristics, auxiliary stable mode, control method, applicable range, and advantages and disadvantages of several common luffing mechanisms in underground coal mine, the key research directions in terms of structure and control methods of luffing mechanism are proposed in the process of development from drilling rig to drilling robot. It is suggested that the research should focus on the development of automatic locking device of joint, demand of automatic loading and unloading drillpipes, the intelligent adjustment of opening parameters, the coordinate control of opening parameters with chassis leveling and body stability. The research results provide an approach for the equipment intellectualization of drilling rig in underground coal mine.

underground coal mine; luffing mechanism; drilling rig; intellectualization; stable system

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.003

1001-1986(2020)02-0014-06

2019-11-12；

2020-01-06

國(guó)家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-003-002)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)

姚亞峰，1979年生，男，河南長(zhǎng)葛人，博士研究生，研究員，從事煤礦坑道鉆探技術(shù)與裝備的研究與應(yīng)用. E-mail：yaoyafeng@cctegxian.com

姚亞峰，姚寧平，彭濤. 煤礦井下鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：14–19.

YAO Yafeng，YAO Ningping，PENG Tao. Development situation and prospect of luffing mechanism of drilling rig in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：14–19

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)