煤矿钻机用液控半自动上杆装置的设计及优化

谢 杰

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

为了保障钻孔施工操作人员的身体健康和生命安全，同时响应国家提高煤机装备数字化控制、自动化生产和远程操作能力的要求，国内大多国有大型煤矿已开启煤机设备自动化和智能化升级，但受制于资金压力和现有设备的规模投入，一些中小型煤矿很难在短期内投入大量资金进行设备升级改造，因此市场急需一种能将常规钻机进行简单改造后升级为半自动化钻机的方法[1-3]。在进行煤与瓦斯防突、探放水和卸压等钻孔施工作业时，目前大多数常规钻机采用的是人工手动上钻杆，该操作距离孔口较近，而孔口排渣返水、瓦斯突出和涌水，威胁着操作人员的人身安全。半自动上杆装置的设计完全解决了上述问题，该装置可作为独立部件，在尽可能少地改变原钻机结构的前提下，对原全方位常规钻机进行改造，实现半自动上钻杆的功能，减轻操作者的劳动强度，提高操作者的安全性[4-7]。

1 半自动上杆装置总体方案设计及其动作分析

半自动上杆装置总体结构如图1所示，主要由钻杆箱体、钻杆推送机构、机械手、机械手推进机构和主机连接架组成。

1—主机连接架；2—机械手；3—钻杆箱体；4—钻杆推送机构；5—机械手推进机构。

钻杆箱体主要作用是存放钻杆，设计容量为8根ø73 mm钻杆和9根ø63 mm钻杆，可以通过更换调节条的尺寸来适应不同规格钻杆；钻杆推送机构主要作用是向机械手逐根推送钻杆，该结构采用杠杆原理，极大地减小了机构尺寸，同时采用扭簧挡板，配合钻杆箱体实现底上顶出的功能；机械手主要用于抓取钻杆，至动力头同轴位置，通过动力头正转和推进实现上扣上杆，机械手设计有轴向和径向浮动机构，能有效降低钻杆在上扣时的瞬时冲击载荷；机械手推进机构主要是配合机械手将钻杆送入动力头同轴位置，该机构采用油缸推送、轻量化设计，在保证功能的前提下，减小了整体质量，降低了对重要部位的载荷；主机连接架功能是连接半自动机械手和机架体，为便于在常规钻机上升级改造，该结构接口与原机架连接结构接口一致。

该装置与全方位钻机配合使用，能够实现全方位钻机在0°～360°任意倾角施工，从同一角度向钻杆箱补充钻杆，通过液压阀组的控制，能够实现联动夹持和推送钻杆[8-12]。

钻杆箱体入杆口为底部，出杆口为顶部，扭簧挡板位于底部、机械手完全松开、机械手推进机构位于收回状态时为初始状态。当半自动上杆装置位于初始状态时，配合动力头和夹持器上杆的整个动作流程如下：

1)从钻杆箱体底部逐根装入钻杆；

2)扭簧挡板在推送油缸的驱动下，将整排钻杆向顶部推送，直至接触顶部限位块；

3)机械手在夹紧油缸的驱动下夹紧钻杆；

4)机械手随钻杆在推进油缸的驱动下，将钻杆推至与动力头轴线同心位置；

5)旋转动力头，缓慢推进动力头，直至动力头上主动钻杆与机械手上钻杆接扣完成；

6)继续推进动力头，直至机械手上钻杆与夹持器所夹持钻杆接扣完成；

7)机械手松开钻杆，并处于最大开口状态；

8)机械手收回至初始位置；

9)夹持器松开，动力头旋转推进至机架最前部；

10)夹持器夹紧，动力头反转卸扣，并后退至机架尾部，等待下一根钻杆；

11)推进扭簧挡板，将下一根钻杆推至顶部限位块处，等待机械手第二次夹持。

按照上述流程循环，即可实现半自动上杆装置的上杆作业。

2 关键零部件的相关计算

2.1 推送机构的相关计算

推送机构的作用是将钻杆推送至机械手位置，在钻杆箱体、滑轨、连杆、杠杆、扭簧挡板和推送油缸等机构的共同配合下完成推送动作。若推送力较小，则无法推动钻杆，需要对推进油缸进行相应计算。推进机构结构如图2所示，通过简化，可得推进机构原理图如图3所示。

1—箱体；2—滑轨；3—杠杆；4—推送油缸；5—扭簧挡板；6—连杆。

图3 推进机构原理图

推动钻杆时，考虑滑轨与扭簧挡板存在摩擦，钻杆与钻杆箱体存在摩擦，根据推进机构原理图建立力学平衡方程式：

(1)

式中：FN1为钻杆推进所需的力，N；R1为动力臂长度，mm；R2为阻力臂长度，mm；FPj为推送油缸推进力，N；α为杠杆与连杆的夹角，(°)；μ1为滑轨与扭簧挡板的摩擦因数；μ2为钻杆与钻杆箱体的摩擦因数；x为钻杆数量，取值8；m为单根钻杆质量，取12 kg/根；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

R1=110 mm，R2=440 mm，μ1=0.25，μ2=0.5，根据式(1)可知,α越大，FPj所需力就越大，αmax=45°，计算可得FPjmax=3 657.1 N；考虑极端工况下正常运行，安全系数k1=2，可得油缸推进力FPj=7 314.2 N。

查阅《机械设计》手册，计算缸筒内径:

(2)

式中:Dj1为油缸缸筒内径，mm；p1为推送油缸正常工作时的压力，取14 MPa。

取整后按照设计标准GB/T 2348，可以得到油缸缸筒内径Dj1为28 mm，油缸缸筒壁厚为5 mm。

查阅《机械设计》手册，计算活塞杆内径：

(3)

式中:dj1为油缸活塞杆内径，mm；φ为往复运动比，取φ=2.5。

取整dj1=18 mm。

由以上计算可知，推送油缸主要参数：dj1=18 mm，Dj1=28 mm，筒壁厚为5 mm，推进行程为150 mm。

2.2 机械手的设计与计算

机械手的作用是夹紧钻杆，为防止接杆时轴向抱死，对机械手推进机构造成较大冲击载荷，因此机械手夹紧处设计有弹簧浮动卡瓦；同时为防止接杆时螺纹接口回缩速度与动力头推进速度不匹配，对机械手推进机构造成较大冲击载荷，因此机械手轴向方向设计有弹簧浮动机构。在上下卡瓦、浮动卡瓦、夹紧油缸、上下卡瓦座等机构的共同配合下完成上钻杆动作。若机械手夹紧力不够，在大角度钻孔施工时，会导致钻杆从机械手内滑落，因此需对夹紧油缸和周向浮动弹簧力进行相应计算。机械手结构如图4所示，经过简化，机械手原理图如图5所示。

1—上卡瓦；2—上卡瓦座；3—夹紧油缸；4—连接座；5—轴向浮动弹簧；6—周向浮动弹簧；7—下卡瓦座；8—浮动卡瓦；9—下卡瓦。

图5 机械手原理图

建立受力分析方程式:

(4)

式中:Fqj为夹紧油缸夹紧力，N；FN2为机械手夹紧钻杆夹持力，N；R3为动力臂长度，mm；R4为阻力臂长度，mm。

为保证钻杆在钻孔倾角θmax=90°施工时钻杆不脱落，该处使用2根弹簧，即弹簧提供的弹力如下：

(5)

(6)

式中:Ft1为周向浮动弹簧提供的弹力，N；FN2min为安全系数下机械手夹紧钻杆时钻杆最小夹持力，N；μ3为浮动卡瓦与下卡瓦摩擦因数，取μ3=0.1；k2为安全系数，考虑极端工况下正常运行，取值2。

将有关参数值代入式(4)～(6)计算可得：FN2min=2 400 N,Ft1min=1 200 N。

工作时弹簧的受力分析如图6所示。

图6 弹簧受力分析图

在x′ 点处受到最大切应力τ：

τ=τ′+τ″

(7)

式中:τ为弹簧所受最大切应力，N；FA1为弹簧所受压力，N；dA1为弹簧丝直径，mm；DA1为弹簧中径，mm；C为弹簧指数(旋绕比)；Ks为弹簧理论曲度系数。

考虑弹簧螺旋角β的影响，切应力分析截面应为椭圆截面，引入修正曲度系数K1：

(8)

弹簧丝的剪切扭转强度条件如下:

(9)

根据弹簧截面的剪切、扭转强度条件，可以得到弹簧丝最小直径：

(10)

弹簧受载后的轴向变形量λ：

(11)

式中:G为切变模量;n为有效圈数。

将Ft1min=1 200 N，考虑结构尺寸限制DA1取20 mm，代入式(7)～(11)中计算可得：nA1=5，dA1=4 mm。

为实现接杆时机械手的轴向浮动，同时又保证大角度施工时机械手不发生轴向窜动，因此需对轴向浮动弹簧进行计算。机械手受力分析如图7所示。

图7 机械手受力分析图

水平状态弹簧预压缩后长度:

H1=H0-λt1

(12)

式中:H1为弹簧预压缩后长度，mm；H0为弹簧自由长度,mm；λt1为弹簧预压缩量，mm。

在大角度时轴向浮动弹簧主要受到钻杆重量和机械手自重影响，且该机构装有2组弹簧对顶，每组2根，在最大倾角状态下，建立受力平衡公式[13-16]：

(13)

式中：dB1为弹簧丝直径，mm；Δλt2为弹簧再受力后变形量，mm；mj为机械手自重，取30 kg。

考虑结构尺寸限制，DB1取28 mm，Δλt2取5 mm，代入式(7)～(13)计算可得：nB1=4，dB1=3.6 mm。

3 关键结构件有限元分析

3.1 机械手推进机构的有限元分析

机械手推进机构位置关系决定了机械手夹持钻杆与动力头中心的同心位置关系，该机构为悬臂结构，受力点较为集中，故对其进行有限元分析。将机械手推进机构的三维模型进行简化并进行网格划分和导入，分别对机械手收回位置和伸出位置进行有限元分析，结果如图8～11所示[17-20]。

图8 机械手推进机构收回状态位移云图

图9 机械手推进机构收回状态应力云图

图10 机械手推进机构伸出状态位移云图

图11 机械手推进机构伸出状态应力云图

经过分析，机械手推进机构在机械手收回状态时，最大应力值为26.03 MPa，在滑轨前端；最大位移值为0.411 8 mm，在推进机构尾部。机械手推进机构在机械手伸出状态时，最大应力值为8.643 MPa，在推进架的尾部；最大位移值为0.117 7 mm，在钻杆处，该最大应力值和最大变形值均符合设计要求。

3.2 主机连接架的有限元分析

主机连接架用于连接机架和上杆装置，该机构为悬臂结构，位置关系决定了机械手夹持钻杆与动力头中心的同心位置关系，故对其进行有限元分析。将主机连接架的三维模型进行网格划分和导入，对上杆装置进行简化，有限元分析结果如图12和图13所示。

图12 主机连接架位移云图

图13 主机连接架应力云图

为避免上杆装置发生较大位移形变，在主机连接架正面和背面分别增加了加强筋，底部采用槽钢加强，经过优化，最大应力值为58.25 MPa，出现在机架螺栓连接处，其值远小于许用应力；最大变形值约为0.85 mm，出现在钻杆箱支撑板末端，模拟钻杆处最大变形值约为0.53 mm，变形极小，符合设计要求。

4 样机试制

对半自动上杆装置样机进行试制，对机械手、机械手推进机构和钻杆推进机构各运动件单独进行了动作测试，结果表明动作灵活稳定。将半自动上杆装置配备在常规遥控钻机上进行测试，分别将钻机倾角调至0°、45°、90°、135°、180°进行测试。单独进行钻杆抓取、推送测试时，各机构动作稳定可靠，无卡阻、抓偏等现象；进行加接钻杆测试时，单次共连续加接6根钻杆，加接时钻杆对中、机械手浮动等功能正常；进行135°和180°大倾角加接钻杆测试时，机械手推出时钻杆中心发生偏移，但符合有限元分析的变化量，能够完成对中加接钻杆。

5 结语

对煤矿全方位常规钻机改造升级用半自动上杆装置进行了研究，首先分析了工作流程并进行了总体方案设计，然后对运动部件、受力部件和关键零件进行了相应计算和有限元分析，最后进行了样机试制。试验结果表明：该半自动上杆装置设计合理，动作平稳，无卡阻、抓偏等现象，满足实际需求。