全液壓巖心鉆機提下鉆機械手的設(shè)計

郎霞俊

（沁和能源集團有限公司永安煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

提下鉆是巖心鉆機的核心機構(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致準確，但是缺點在于費時長、勞動強度大。采用機械手提下鉆的模式則可以克服以上缺點，實現(xiàn)提下鉆的自動化，大大縮短鉆探周期，提高鉆探效率[1]。全液壓巖心鉆機提下鉆機械手是一個機電液一體化系統(tǒng)，主要由機械、液壓、電氣控制等部分組成。提下鉆機械手是能夠自動完成提下鉆桿擰卸鉆桿和排放鉆桿等任務(wù)的機械裝置。該機械手的控制系統(tǒng)是核心，起指揮作用，控制其按相應(yīng)的動作順序進行作業(yè)，采用液壓傳動來實現(xiàn)機械手的動作執(zhí)行[2]。

1 提下鉆機械手手指結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前提下鉆機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，故將機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計為單支點回轉(zhuǎn)型夾持式手部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 單支點回轉(zhuǎn)型滑槽式手部結(jié)構(gòu)示意圖

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

2 提下鉆機械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

提下鉆機械手在巖心鉆機工作過程中，負責(zé)鉆機處與鉆桿庫之間的抓取搬運工作。在鉆桿的裝卸與運送的過程中，鉆桿一直處于垂直被抓取的狀態(tài)，直至被機械手搬運至鉆桿庫相應(yīng)的位置時，鉆桿會被傾斜放置，此時需要機械手的手腕做一定角度的回轉(zhuǎn)動作。該設(shè)計中，1為手指開合驅(qū)動桿，2為手指開合液壓缸的缸體，因此手指開合動作由手指開合液壓缸來實現(xiàn)。該設(shè)計結(jié)構(gòu)促使手腕與手部更加緊湊，使手部運動作用更加便利。

該設(shè)計布置能保障手指開合液壓缸的油管順利通過，在腕部回轉(zhuǎn)時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)通過并經(jīng)過腕架分別進入手腕回轉(zhuǎn)液壓缸和手指開合液壓缸[4]。

回轉(zhuǎn)液壓缸的定片與缸體連接，是固定不變的，動片通過螺釘、圓銷釘與輸出轉(zhuǎn)軸連接。隨著壓力油經(jīng)過油孔進出入油腔中，動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動片帶動輸出轉(zhuǎn)軸作回轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)動作。手腕回轉(zhuǎn)角度由液壓缸的動片與定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定。設(shè)計中液壓缸的回轉(zhuǎn)角度為±90°。用位置檢測元件對位置進行檢測并加以反饋控制，采用機械檔塊定位。

3 提下鉆機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本系統(tǒng)中，該提下鉆機械手的手臂主要支承著手部抓取鉆桿和搬運鉆桿。基于全液壓巖心鉆機提下鉆機械手的工藝，可知道機械手的提鉆動作順序如下：

手指張開→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（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。

升降動作靠機身做直線運動的液壓缸來實現(xiàn)，手臂回轉(zhuǎn)動作靠機身的回轉(zhuǎn)液壓缸來實現(xiàn)。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，升降液壓缸之上為手臂部件，下面為回轉(zhuǎn)液壓缸。回轉(zhuǎn)液壓缸的動片與花軸軸套固定在一起，通過花鍵軸套帶動花鍵軸回轉(zhuǎn)，活塞桿在升降液壓缸內(nèi)做升降運輸，即實現(xiàn)手臂的升降動作[3]。

4 提下鉆機械手的三維建模

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

5 巖心鉆機提下鉆機械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)提下鉆機械手作業(yè)時兩組液壓缸流量差距比較大，因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中采用雙泵供油系統(tǒng)，目的是降低溢流損失，同時也降低系統(tǒng)的發(fā)熱。如圖2所示，該機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，能很好地起到節(jié)能效果。

圖2 提下鉆機械手的液壓系統(tǒng)圖

6 結(jié)語

當(dāng)前全液壓巖心鉆機提下鉆機械手裝置應(yīng)用比較廣，可以自動完成提下鉆桿、擰卸和排放鉆桿等作業(yè)。對全液壓巖心鉆機提下鉆機械手進行設(shè)計分析，有利于提下鉆自動化控制的應(yīng)用研究，同時可以為巖心鉆機智能化的設(shè)計提供相應(yīng)的參考，對智能化巖心鉆機的發(fā)展具有重要意義。