多功能鑿巖機械手的機械結構設計

李和勤　王統順

【摘 要】針對傳統機械裝置無法在礦下巷道作業而采用人工開鑿隔離槽造成人工勞動強度大、加工效率低和人身安全難以保證等突出問題，通過總體結構分析，進行升降系統、回轉系統、伸縮系統、擺動系統和的設計和研究，研制開發具有自主知識產權的新型、多功能、多自由度的鑿巖機械手，能夠在提供足夠的開槽破巖驅動力、較小的外形尺寸、較大的工作范圍的前提下保證足夠的開槽深度、降低施工人員的勞動強度，滿足隔離槽不同尺寸和規格的機械開鑿要求。

【關鍵詞】多功能；鑿巖機械手；機械結構設計；開鑿；隔離槽

中圖分類號：TD421 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0004-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.002

0 前言

在煤礦的開采過程中，煤礦巷道中隔離槽的通風或密封不好會帶來嚴重的生命、財產安全損失。目前，隔離槽的開鑿工作由人工完成的，由于巖石硬度大、工作環境差，造成人工開鑿勞動強度大、加工效率低和人身安全難以保證，同時，由于人工操作的操作水平和熟練程度層次不齊，造成隔離槽的開鑿尺寸無法滿足國家標準，給后續隔離槽的密封增加了操作難度和安全隱患[1-2]。

針對傳統機械裝置無法在礦下巷道作業而采用人工開鑿隔離槽造成人工勞動強度大、加工效率低和人身安全難以保證等突出問題[3-5]，本論文通過總體方案論證，進行升降系統、回轉系統、伸縮系統、擺動系統和的設計和研究，研制開發具有自主知識產權的新型、多功能、多自由度的鑿巖機械手，能夠在提供足夠的開槽破巖驅動力、較小的外形尺寸、較大的工作范圍的前提下保證足夠的開槽深度、降低施工人員的勞動強度，滿足隔離槽不同尺寸和規格的機械開鑿要求。

1 多功能鑿巖機械手的總體結構分析

多功能鑿巖機械手主要包括主升降系統、副升降系統、回轉系統、伸縮臂和擺動系統。

主升降系統沿左右方向水平安裝在牽引機的車體底盤的后端，主升降系統的兩端設有豎直設置的伸縮支撐腿，其中伸縮支撐腿液壓缸是雙向伸縮液壓缸。副升降系統豎直方向安裝在主升降系統的中部位置。主升降系統通過前后方向設置的主升降系統推移液壓缸與牽引機的車體底盤的后端安裝連接、且主升降系統與牽引機的車體底盤之間設置有導向滑軌。

回轉系統安裝在副升降系統上，包括回轉支撐和回轉驅動。回轉系統通過豎直方向設置的回轉系統升降液壓缸與副升降系統安裝連接、且回轉系統與副升降系統之間設置有導向滑軌。

伸縮臂包括基礎臂和一節伸縮節臂，基礎臂固定安裝在回轉系統的回轉支撐上、且伸縮臂的伸縮方向沿回轉系統的回轉支撐的徑向方向設置，伸縮節臂套接安裝在基礎臂內部、且伸縮節臂通過伸縮臂伸縮液壓缸與基礎臂連接。

擺動系統包括開槽工具回轉驅動、L型連接件和開槽工具。開槽工具回轉驅動固定安裝在L型連接件上并通過L型連接件與伸縮節臂的端部安裝連接、且開槽工具回轉驅動的回轉軸線前后方向設置；開槽工具包括鋸盤，鋸盤通過快速連接機構與開槽工具回轉驅動的回轉輸出軸連接。

擺動系統還包括第一回轉裝置，L型連接件通過第一回轉裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第一回轉裝置的回轉軸線豎直方向設置，第一回轉裝置的回轉輸出軸與L型連接件固定連接，第一回轉裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接；開槽工具還包括鉆頭，鉆頭尾部設有快速連接機構。

擺動系統還包括第二回轉裝置，第二回轉裝置通過第二回轉裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第二回轉裝置的回轉軸線前后方向設置，第二回轉裝置的回轉輸出軸與第一回轉裝置的本體固定連接，第二回轉裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接。L型連接件上還設有液壓鉗。

多功能鑿巖機械手上還設有冷卻液供給裝置。L型連接件上對應開槽工具的位置還設有冷卻液噴嘴。

2 多功能鑿巖機械手的機械結構設計

2.1 升降系統的設計

主升降系統沿左右方向水平安裝在牽引機的車體底盤的后端，主升降系統的兩端設有豎直設置的伸縮支撐腿，其中伸縮支撐腿液壓缸是雙向伸縮液壓缸。副升降系統豎直方向安裝在主升降系統的中部位置。主升降系統通過前后方向設置的主升降系統推移液壓缸與牽引機的車體底盤的后端安裝連接、且主升降系統與牽引機的車體底盤之間設置有導向滑軌。

如圖1所示為主升降系統的示意圖，伸縮支撐腿豎直設置在主升降系統的兩端，雙向伸縮液壓缸放置在伸縮支撐腿中。開槽作業前操作伸縮支撐腿使之伸出支撐于底板可以增加開槽作業時整機的穩定性。

主升降系統的滑軌主要用于配合副升降系統使用，可保證副升降系統沿著滑軌穩定的上升和下降。主升降系統的滑軌的底部為升降液壓缸的安裝連接位置。主升降系統的滑軌豎直方向安裝在主升降系統的中部位置，有利于主升降系統的伸縮支撐腿均勻承擔整個機械手的載荷。

副升降系統豎直方向安裝在主升降系統的滑軌上，回轉系統安裝在副升降系統上。

2.2 回轉系統

回轉系統安裝在副升降系統上，包括回轉支撐和回轉驅動。回轉系統通過豎直方向設置的回轉系統升降液壓缸與副升降系統安裝連接、且回轉系統與副升降系統之間設置有導向滑軌，如圖2所示。

圖2中，回轉系統與伸縮系統連接件主要用于連接回轉系統的回轉支承與伸縮系統的基礎臂，所受傾覆載荷和徑向載荷較大。回轉支承主要用于連接副升降系統與伸縮系統的基礎臂，并提供扭矩使多功能鑿巖機械手360°旋轉，所受傾覆載荷和徑向載荷較大。

2.3 伸縮系統

2.3.1 機械結構設計

伸縮臂包括基礎臂和一節伸縮節臂，基礎臂固定安裝在回轉系統的回轉支撐上、且伸縮臂的伸縮方向沿回轉系統的回轉支撐的徑向方向設置，伸縮節臂套接安裝在基礎臂內部、且伸縮節臂通過伸縮臂伸縮液壓缸與基礎臂連接，如圖3所示。

2.3.2 伸縮臂許用載荷分析

（1）箱型伸縮臂力學模型

本設計的箱型伸縮臂起重機為兩節伸縮臂。當第二節臂末端受到載荷作用時，其力學模型如圖4所示，其中：F為第二節臂末端的外載荷；a0和b0分別為滑塊的長和寬；L1為基本臂的長度，L2為第二節臂的長度；l為上、下兩側滑塊中心位置點在軸向的距離既搭接長度。

通常情況下，上、下兩側滑塊的尺寸與吊臂的尺寸相比是很小的，因此可以將滑塊與局部蓋板之間的接觸力近似為均布載荷。當伸縮臂的軸線與水平方向的夾角α=0°時，由于每一側都有兩個滑塊，因此上滑塊和下滑塊作用在局部蓋板平面上的分布力為：

基本臂橫截面內側尺寸為2b1×h1=0.4m×0.4m，上滑塊邊緣到局部蓋板邊緣的距離為b10=0.08m；第二節臂橫截面內側尺寸為2b2×h2=0.3m×0.3m，下滑塊邊緣到局部蓋板邊緣的距離為b20=0.03m。蓋板和腹板的厚度均為h=0.01m，上、下側滑塊的尺寸均為a0×b0×c0=0.2m×0.08m×0.04m。

（2）起重機的許用載荷分析

起重機伸縮臂材料通常為Q235，其屈服極限σs≥235MPa，取安全系數為n=1.45，可得許用應力[σ]=σs/n=162MPa，合金鋼的彈性模量E=210GPa，泊松比v=0.3。基本臂的長度L1=2.5m、第二節臂的長度L2=2m，基本臂和第二節臂之間的最小搭接長度為0.5m，則搭接段上下兩側滑塊中心點的軸向距離l=0.4m，第二節臂的外伸長度為1.6 m。

[σ]為許用應力；系數為1.1，是由于考慮到應力的局部性而將許用應力提高10%。解不等式得基本臂局部蓋板區域和第二節臂局部蓋板區域在滿足各自強度要求的前提下，第二節臂末端的最大外載荷為：

為了使得與滑塊相接觸的基本臂局部上側蓋板和第二節臂局部下側蓋板都能滿足強度條件，所以只能取F1max和F2max二者中的最小值。即起重機伸縮臂的許用載荷為：

[F]=min{F1max，F2max}（8）

由式（8）解得第二節臂末端的許用載荷為：F1max=12.59kN，F2max=16.43kN。比較F1max和F2max，為了使基本臂的局部蓋板和第二節臂的局部蓋板都不出現塑性屈服，所以第二節臂末端所能起吊的許用載荷為Fmax=12.59kN。

2.4 擺動系統

擺動系統包括開槽工具回轉驅動、L型連接件和開槽工具。開槽工具回轉驅動固定安裝在L型連接件上并通過L型連接件與伸縮節臂的端部安裝連接、且開槽工具回轉驅動的回轉軸線前后方向設置；開槽工具包括鋸盤，鋸盤通過快速連接機構與開槽工具回轉驅動的回轉輸出軸連接，具體如圖5所示。

擺動系統還包括第一回轉裝置，L型連接件通過第一回轉裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第一回轉裝置的回轉軸線豎直方向設置，第一回轉裝置的回轉輸出軸與L型連接件固定連接，第一回轉裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接；開槽工具還包括鉆頭，鉆頭尾部設有快速連接機構。

擺動系統還包括第二回轉裝置，第二回轉裝置通過第二回轉裝置與伸縮臂的端部安裝連接，第二回轉裝置的回轉軸線前后方向設置，第二回轉裝置的回轉輸出軸與第一回轉裝置的本體固定連接，第二回轉裝置的本體與伸縮臂的端部安裝連接。L型連接件上還設有液壓鉗。

多功能鑿巖機械手上還設有冷卻液供給裝置。L型連接件上對應開槽工具的位置還設有冷卻液噴嘴。

3 多功能鑿巖機械手的三維建模和裝配及工作過程分析

3.1 三維建模和裝配

采用SolidWorks2014軟件參數化建模的方法對多功能鑿巖機械手中的各零部件進行三維建模→按照各零部件的作用和裝配順序，利用SolidWorks2014軟件中的裝配模塊（如：銷釘定義、剛定義、齒輪傳動定義等）完成鑿巖機械手的裝配，如圖6所示。

3.2 工作過程分析

主升降系統沿左右方向水平安裝在牽引機的車體底盤的后端，主升降系統的兩端設有豎直設置的伸縮支撐腿，開槽作業前操作伸縮支撐腿使之伸出支撐于底板可以增加開槽作業時整機的穩定性。副升降系統豎直方向安裝在主升降系統的中部位置。回轉系統安裝在副升降系統上，包括回轉支撐和回轉驅動，回轉驅動可以驅動回轉支撐沿回轉系統的旋轉中心在360°范圍內旋轉。伸縮臂包括基礎臂和至少一節伸縮節臂，基礎臂固定安裝在回轉系統的回轉支撐上、且伸縮節臂的伸縮方向沿回轉系統的回轉支撐的徑向方向設置，伸縮節臂套接安裝在基礎臂內部、且伸縮節臂通過伸縮臂伸縮液壓缸與基礎臂連接。擺動系統包括開槽工具回轉驅動、L型連接件和開槽工具；開槽工具回轉驅動固定安裝在L型連接件上并通過L型連接件與伸縮節臂的端部安裝連接、且開槽工具回轉驅動的回轉軸線前后方向設置；開槽工具包括鋸盤，鋸盤的中心設有快速連接機構，鋸盤通過快速連接機構與開槽工具回轉驅動的回轉輸出軸連接；由于鋸盤的厚度尺寸相對輥狀結構工作頭的寬度尺寸小，因此開槽過程中鋸盤切入煤壁或巖壁時受到的反作用力較小、不需要太大的驅動力。

多功能鑿巖機械手在不進行開槽工作時開槽裝置總成的伸縮支撐腿和伸縮處于完全縮入狀態，可控制回轉系統的回轉驅動旋轉使伸縮臂呈豎直狀態以防止尺寸較長的伸縮臂在牽引機行進過程中造成不便。

需要進行開槽工作時，先將多功能鑿巖機械手的擺動系統垂直正對需開槽的煤壁，或巖壁停滯在需開槽位置后，操作伸縮支撐腿使其伸出穩固支撐在底板上，然后啟動開槽工具回轉驅動使其輸出軸帶動鋸盤高速旋轉，同時控制回轉系統的回轉驅動選擇合適的切入角、并控制伸縮臂伸縮液壓缸動作使伸縮節臂伸出，鋸盤的盤邊緣自適合的方位向煤壁或巖壁貼近并切入，繼續控制伸縮臂伸縮液壓缸動作使鋸盤切入煤壁或巖壁至設定深度，然后控制控制回轉系統的回轉驅動和伸縮臂伸縮液壓缸協同動作帶動伸縮臂沿煤壁或巖壁壁面切割，完成一個切口的切割后可向前或向后步進一個步距后繼續切割另一個切口，控制較短的步距長度可以實現切割后的煤壁或巖壁在工作振動和自身重力作用下自行脫落。

為了保證開槽后槽內部的巖體順利脫落，擺動系統還包括第一回轉裝置，L型連接件通過第一回轉裝置與伸縮節臂的端部安裝連接，第一回轉裝置的回轉軸線豎直方向設置，第一回轉裝置的回轉輸出軸與L型連接件固定連接，第一回轉裝置的本體與伸縮節臂的端部安裝連接，通過控制第一回轉裝置的回轉可以實現L型連接件沿第一回轉裝置的回轉軸線前后方向90°翻轉，進而實現開槽工具回轉驅動的回轉軸線由前后方向變換為左右方向；開槽工具還包括鉆頭，鉆頭尾部設有快速連接機構，鉆頭通過快速連接機構與開槽工具回轉專驅動的回轉輸出軸連接；當完成煤壁或巖壁切口的切割后可將鋸盤更換為鉆頭、并控制第一回轉裝置回轉使開槽工具回轉驅動的回轉軸線由前后方向變換為左右方向，然后再次啟動開槽工具回轉驅動使鉆頭旋轉對開槽后槽內部的巖體進行鉆孔操作，在已開過槽的基礎上通過控制鉆孔的間距尺寸可以實現槽內部的巖體順利脫落。針對頂板與需開槽的煤壁或巖壁之間具有夾角的非拱形巷道，由于鋸盤的切割具有死角而無法對夾角部位進行切割，因此為了實現無死角切割，擺動系統還包括第二回轉裝置，第一回轉裝置通過第二回轉裝置與伸縮節臂的端部安裝連接，第二回轉裝置的回轉軸線前后方向設置，第二回轉裝置的回轉輸出軸與第一回轉裝置的本體固定連接，第二回轉裝置的本體與伸縮節臂的端部安裝連接，通過控制第二回轉裝置的回轉可以實現L型連接件沿第二回轉裝置的回轉軸線上下擺動；當切割至頂板或底板與需開槽的煤壁或巖壁之間的夾角位置時可以通過控制第二回轉裝置的回轉實現L型連接件帶動開槽工具回轉驅動沿第二回轉裝置的回轉軸線上下擺動，通過同時協同控制伸縮臂伸縮液壓缸的伸出可以實現無死角切割。

4 結論

（1）在廣泛調研現有機械手裝置的基礎上，結合我國煤礦巷道的場地及工況特點，制定可行的工藝方案，分析了鑿巖機械手的總體結構，包括：升降系統、回轉系統、伸縮系統和擺動系統。

（2）設計的多功能鑿巖機械手集鋸、鉆、銑為一體，并可實現快速換刀。通過鋸盤的鋸割和鉆銑的破碎代替人工完成巖石的開鑿功能，降低了勞動強度、提高了加工效率、保障了人身安全、節約了生產成本。適用場合廣，研制的機械手運動靈活，可滿足不同規格和尺寸的巷道隔離槽的開鑿工作，同時可以適用于巖石開采的其他場合。

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