基于Solidworks 的自動化鉆桿箱創新設計

梁椿豪，叢佩超,，張欣，趙世鋒

（1.山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030000；2.廣西科技大學，廣西 柳州 545006）

1 設計背景

當前煤礦井下瓦斯抽放鉆機所用鉆桿的管理過程（轉場、運輸）均需由人工完成，這與未來礦機的發展方向-自動化、智能化相距甚遠。正是由于這些問題的存在，使得井下瓦斯抽放工作的效率受到很大地影響，工人的勞動強度極大，也給其人身安全帶來很多的不確定因素。為了充分發揮瓦斯抽放鉆機的工作效率，改善鉆機工人的工作環境，早日實現“無人化”井下工作面，迫切需要實現的就是對鉆桿的自動化管理。

本文設計的全自動鉆桿管理系統，實現了鉆桿從井上到井下工作現場整個過程的“自動化”和“無人化”，一名工人可操控多臺自動化鉆桿管理箱，能極大地提升鉆機工作效率，進而提升整個瓦斯抽采過程的工作效率。本產品的科技含量高，具有較高的推廣和使用價值，將給鉆機行業和煤炭企業帶來可觀的經濟效率和社會效益。

2 自動化鉆桿箱的總體方案

本文設計的自動化鉆桿箱是智能瓦斯抽放鉆機系統的關鍵設備，它主要由行走模塊、驅動模塊、傳動模塊、夾持模塊和輔助模塊構成，其系統構成如圖1 所示。根據上述模塊劃分，基于Solidworks 軟件對各組成部分進行模塊設計。

圖1 自動化鉆桿箱系統構成圖

3 行走模塊設計

根據煤礦井下工作面路況的實際情況，本文研發自動化鉆桿箱的行走機構（如圖2 所示，基于Solidworks 軟件建模）采用履帶式底盤，底盤主要選用鋼制履帶片，耐磨、強度高、牽引力大、可控性強、機動靈活。為適應鉆桿箱轉場過程中的轉彎問題，行走機構設置轉彎功能。行走機構的驅動方式采用液壓驅動，并配套設計電液控制系統，以便后期實現智能化控制，張緊裝置采用液壓式張緊（解決現場張緊裝置不可靠問題）。箱體平臺固接在履帶式底盤的橫梁上，用來安裝固定系統的其他模塊。

圖2 行走模塊

4 驅動模塊設計

自動化鉆桿箱在管理鉆桿的過程中，需要相應的驅動模塊來保證系統的正常運行。由于鉆桿箱管理需要做到精準控制，且不需要太高轉速，故選用防爆步進電機，通過精確控制其脈沖數，控制步進電機轉速。自動化鉆桿箱的驅動模塊主要包括步進電動機、驅動軸。本文的步進電動機選用普菲德的150BYG350C 式步進電動機，驅動器與電動機需配套使用，因此，驅動器選擇3ND2283-DSP。

5 傳動模塊設計

結合所管理鉆桿的實際情況（圓柱棒料），自動化鉆桿箱的傳動方式采用鏈傳動，根據自動化鉆桿箱選擇鏈傳動路線，為使鉆桿箱中可以存放更多數量鉆桿，所以路線采用蛇形排列，采用滾子鏈傳動，運動平穩。自動化鉆桿箱的傳動模塊（如圖3 所示，基于Solidworks 軟件建模）主要包括傳動軸、聯軸器、鏈條、大齒輪、小齒輪等。

6 夾持模塊設計

夾持模塊作（如圖4、5 所示，基于Solidworks 軟件建模）為自動化鉆桿箱管理鉆桿的關鍵模塊，其直接與鉆桿接觸，并負責鉆桿在箱體內的運輸，結合選擇的鏈傳動形式，其夾持模塊主要包括U 型導軌、機械爪、輕質彈簧、鉛制球、套筒和銷軸。

7 系統數字化樣機

將前面模塊化設計得到的各模塊進行整機裝配，得到自動化鉆桿箱的數字化樣機（如圖6 所示）。本文設計自動化鉆桿箱管理系統的控制方式采用無線遙控、手動控制相結合。無線通訊系統主要由無線遙控手柄、無線收發器、調制解調和編碼模塊等部分構成，在進行遙控操作時，無線收發器負責遙控手柄與控制模塊之間的通訊聯系，同時實現外部網絡連接（井上、井下通訊），與場外的多業務管理系統通信，實現自動化鉆桿箱各類工作參數的實時監控。

圖3 傳動模塊

圖4 機械爪

圖5 機械爪夾取鉆桿

圖6 自動化鉆桿箱管理的數字化樣機

8 結語

本文設計的新型全自動鉆桿箱管理系統，鉆桿運輸完全依靠鏈輪鏈條帶動鉆桿，并于分層處有旋轉軸幫助鉆桿運輸，整個運輸過程避免了人工拿放、搬運等操作，節省了大量的人力物力，更避免了安全隱患的存在，提高了井下鉆桿的管理效率，提升了瓦斯抽放鉆機的工作效率，對于煤礦井下鉆桿的運輸與使用，起到了開創性的作用。