QM70型多功能撬毛機(jī)器人的研制及應(yīng)用

顏武剛 王 凱 代建龍

（湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205）

0 引言

目前，國內(nèi)大部分地下礦山是通過人工手持撬棍開展撬毛作業(yè)的，該方法具有勞動強(qiáng)度大、危險系數(shù)高以及效率低等缺點。并且受作業(yè)工具和經(jīng)驗的限制，有時會存在浮巖清理不徹底的情況，留下的事故隱患將威脅下道工序的作業(yè)安全[1]。

為了解決人工撬毛作業(yè)所面臨的安全問題，國內(nèi)部分地下礦山逐漸用撬毛臺車替代人工清除浮石，撬毛臺車是用于井下撬毛作業(yè)的機(jī)械化設(shè)備，主要分為沖擊式和刮削式2種，前者主要用于硬巖，后者主要用于軟巖[2]。國內(nèi)的撬毛臺車均以沖擊式為主，通過破碎錘的機(jī)械沖擊清除浮巖毛石，機(jī)械沖擊破碎清理方式對巖壁沖擊震動大，撬毛過程的沖擊震動容易引起巖壁的意外崩塌[3]。國內(nèi)現(xiàn)有的撬毛臺車是以地下鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺車等底盤為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計而成的，因此其行走方式均為膠輪式，無法爬到爆堆上面進(jìn)行撬毛作業(yè)。同時，整機(jī)尺寸較大無法適應(yīng)國內(nèi)低矮型地下礦山的使用需求。

鑒于國內(nèi)地下礦山撬毛作業(yè)的現(xiàn)狀及國家對智能礦山建設(shè)的需求，該文研制開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動靈活、功能齊全且適用于國內(nèi)低矮型地下礦山的撬毛機(jī)器人。

1 QM70型撬毛機(jī)器人整體設(shè)計思路

為了解決具有不同硬度巖石的低矮型地下礦山撬毛作業(yè)的問題，所研制的撬毛機(jī)器人搭載了獨特的多功能作業(yè)屬具，通過一鍵切換開關(guān)就能輕松地對軟硬巖開展撬毛作業(yè)；為了能夠在淺孔留礦法的撬毛作業(yè)中使用，撬毛機(jī)器人采用履帶底盤[4-5]；為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化撬毛作業(yè)，整機(jī)在轉(zhuǎn)臺的前后部分別設(shè)置了帶云臺的360°高清攝像頭和可變焦攝像頭，通過5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r地將視頻畫面?zhèn)髦吝h(yuǎn)程遙控中心；為了減少動力排放對井下空氣的污染，節(jié)省通風(fēng)費用，整機(jī)采用電驅(qū)[5]。

2 QM70型撬毛機(jī)器人計算分析

撬毛機(jī)器人技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計及選擇的依據(jù)是撬毛機(jī)器人適用的條件[3]。撬毛機(jī)器人主要是針對國內(nèi)低矮型地下礦山而研制的，要求方便下井及轉(zhuǎn)運(yùn)，并且能夠適應(yīng)不同的采礦工藝；功能上必須滿足撬毛、大塊破碎及地面平整的需求。根據(jù)設(shè)計要求，撬毛機(jī)器人的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 撬毛機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)

為了實現(xiàn)模塊化設(shè)計和提高元器件的通用性，QM70型撬毛機(jī)器人擬借用相近噸位的鑿巖機(jī)器人的回轉(zhuǎn)支承、減速機(jī)總成及履帶底盤總成，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2、表3。

表2 回轉(zhuǎn)支承及其減速機(jī)總成技術(shù)參數(shù)

表3 履帶底盤總成技術(shù)參數(shù)

2.1 上轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng)計算

上轉(zhuǎn)臺主要包括電機(jī)泵組、電控柜、電纜卷筒、液壓油箱以及覆蓋件等，質(zhì)量約2.8 t；臂架及作業(yè)屬具的質(zhì)量約1.3 t，因此，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動上轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)時一共需要克服約4.1 t的質(zhì)量。

2.1.1 上轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速計算

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比I，如公式（1）所示。

式中：I0為回轉(zhuǎn)減速機(jī)速比；Z1為回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈齒數(shù)；Z2為減速機(jī)小齒輪齒數(shù)。

上轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n，如公式（2）所示。

式中：Q為回轉(zhuǎn)馬達(dá)最大供油流量，L/min；η為馬達(dá)容積效率；q為回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量，mL/r。

n=（25×1000×0.94/26.4）/155.8=5.7 r/min＞3.0 r/min，滿足設(shè)計要求。

2.1.2 回轉(zhuǎn)力矩計算

上轉(zhuǎn)臺起動力矩MQ如公式（3）所示。

式中：P為馬達(dá)啟動工作壓力，MPa；η總為傳動系統(tǒng)機(jī)械效率，η總=η馬達(dá)×η減速機(jī)×η回轉(zhuǎn)支承=0.95×0.92×0.98=0.85。

受摩擦力、效率以及出口油壓的影響，液壓制動、制動力矩與起動力矩之比C如公式（4）所示，MZ如公式（5）所示。

回轉(zhuǎn)減速機(jī)實際制動力矩MZ0如公式（6）所示。

式中：MZ1為回轉(zhuǎn)減速機(jī)制動力矩，N·m。

MZ0= 116×155.8×0.92×0.98=16291.4 N·m＞10813.7 N·m，滿足正常工作時的回轉(zhuǎn)制動要求。

2.2 行走系統(tǒng)計算

為了保證設(shè)備能夠正常通過，采用履帶底盤，整機(jī)質(zhì)量為6.5 t，設(shè)計動力系統(tǒng)時，須保證平路及30°坡道的行走能力。

2.2.1 最大牽引力計算

行走馬達(dá)最大輸出扭矩M1如公式（7）所示。

式中：P1為行走馬達(dá)額定工作壓力，MPa；q1為行走馬達(dá)最大排量，mL；ηm1為行走馬達(dá)機(jī)械效率。

單個驅(qū)動輪的最大輸出扭矩M2如公式（8）所示。

式中：Im為行走減速機(jī)速比；ηm2為行走減速機(jī)機(jī)械效率。

單條履帶的最大牽引力F如公式（9）所示。

式中：R為驅(qū)動鏈輪基圓半徑，mm；ηm3為驅(qū)動鏈輪機(jī)械效率。

驅(qū)動鏈輪基圓半徑R如公式（10）所示。

式中：t0為驅(qū)動鏈輪節(jié)距，mm； z為驅(qū)動鏈輪齒數(shù)。

整機(jī)最大牽引力F0如公式（11）所示。

2.2.2 爬坡能力計算

爬坡時整機(jī)須克服以下阻力：1） 自重在斜坡方向分力WP=Gsinα（G為撬毛機(jī)器人自重；α為斜坡角度）。2） 運(yùn)行阻力WY=0.12Gcosα。3）履帶內(nèi)阻力Wn=0.06G。則最大牽引力應(yīng)不小于這些阻力的和，即F0≥WP+ WY+Wn；此外，還應(yīng)保證撬毛機(jī)器人在爬坡時不打滑，即需要滿足公式（12）。

式中：F1為實際需要的牽引力，kN；φ為履帶板與地面的附著系數(shù)，φ=0.8。

由此，可得公式（13）、公式（14）。

令φGcosα= G（sinα+0.12cosα+0.06），得α=31.4°。

因此，設(shè)計的牽引力滿足爬31.37°斜坡的要求。

φGcosα=0.8×6.5×9.8×cos31.37°=43.3 kN＞42.5 kN；因此，撬毛機(jī)器人在爬31.37°的坡角時不會打滑。

α=31.37°＞30°，滿足設(shè)計要求。

2.2.3 原地轉(zhuǎn)彎能力計算

撬毛機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎阻力W由2個部分組成，一部分為履帶在地面的轉(zhuǎn)彎阻力W1，另一部分為履帶的內(nèi)阻力W2，得公式（16）。

式中：μ為履帶對地面接觸阻力系數(shù)，μ=0.55。

W=（0.80×0.55+0.06）×6.5×9.8=31.85kN＜ F0=47.2 kN；因此，撬毛機(jī)器人在一般路面能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。

2.3 液壓系統(tǒng)計算

液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、行走馬達(dá)和破碎錘等液壓原件。經(jīng)分析，行走和破碎錘是功率需求最大的工況，而回轉(zhuǎn)馬達(dá)、行走馬達(dá)是借用的通用件，因此只需要計算液壓泵和破碎錘的功率。

2.3.1 破碎錘功率計算

破碎錘需要兼顧撬毛和大塊二次破碎，并根據(jù)巖石平均硬度f9選用BLTB75型破碎錘，技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 BLTB75型破碎錘主要技術(shù)參數(shù)

極限破碎功率WP=QP×PP/60=90×15/60=22.5 kW（QP為破碎錘工作流量；PP為破碎錘工作壓力）。

2.3.2 液壓泵計算

為了減少發(fā)動機(jī)排放給地下礦山造成的空氣污染以及降低排風(fēng)費用，動力采用電機(jī)（380 V/50 Hz；1 480 r/min）；為了節(jié)能，選用負(fù)載敏感液壓泵和電比例負(fù)載敏感多路閥。經(jīng)過對工況的分析，除了破碎錘之外，行走所需要的流量和壓力較大。其中，平路行走所需要的流量最大，爬30°坡所需要的壓力最大。

平路行走流量計算QB如公式（17）所示。

式中：nB為平路行走時馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；q2為行走馬達(dá)半排量，mL/r；μmv為行走馬達(dá)容積效率；nd為履帶行走轉(zhuǎn)速，r/min；V1為行走速度，km/h；Rd/Cd為履帶半徑/周長。

3 QM70型撬毛機(jī)器人組成及特點

3.1 QM70型撬毛機(jī)器人組成

QM70型撬毛機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、智能控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)3個部分組成：1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由履帶底盤、轉(zhuǎn)臺、臂架系統(tǒng)和作業(yè)屬具等組成，如圖1所示。2） 智能控制系統(tǒng)搭載了機(jī)器人控制模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、報表生成、遠(yuǎn)程監(jiān)測、數(shù)字顯示、智能自主作業(yè)和故障診斷等功能。3） 液壓系統(tǒng)為負(fù)載敏感系統(tǒng)，通過負(fù)載敏感泵搭配帶閥后補(bǔ)償功能的電比例多路閥，既能夠控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)的動作，又具有抗流量飽和的功能，即使在流量不足的情況下依然可以通過精確復(fù)合動作實現(xiàn)高精度的定位。

圖1 多功能撬毛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

3.2 QM70型撬毛機(jī)器人特點

QM70型撬毛機(jī)器人的特點如下：1） 集成沖擊、刮削于一體的智能化作業(yè)屬具系統(tǒng)可輕松地開展軟巖刮削作業(yè)、硬巖沖擊作業(yè)，根據(jù)使用需求通過切換裝置實現(xiàn)一鍵切換，無須來回拆卸和搬運(yùn)，省時、省心且省力[6]，如圖2所示。2） 模塊化設(shè)計。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、可拆解安裝且轉(zhuǎn)場方便的特點，專為中小型地下礦山研制。3） 多功能。QM70型撬毛機(jī)器人可實現(xiàn)落礦后同時對采場進(jìn)行頂板側(cè)幫撬毛、大塊破碎和地面平整，為下一道采礦工序做好準(zhǔn)備。4） 作業(yè)范圍大。QM70型撬毛機(jī)器人雖然整體尺寸緊湊，但是作業(yè)范圍大，如圖3所示。

圖2 軟巖刮削、硬巖沖擊撬毛作業(yè)示意圖

圖3 QM70型撬毛機(jī)器人作業(yè)范圍

4 QM70型撬毛機(jī)器人應(yīng)用

湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新機(jī)械有限責(zé)任公司聯(lián)合中國移動為浙江蘭溪市金昌礦業(yè)有限公司量身打造了浙江省首個智慧礦山，并在-210中段試驗智慧采場中成功應(yīng)用QM70型撬毛機(jī)器人開展了撬毛、大塊破碎、平地和轉(zhuǎn)場等作業(yè)，如圖4所示。

圖4 撬毛、大塊破碎、地面平整及轉(zhuǎn)場作業(yè)

5 結(jié)語

研制QM70型撬毛機(jī)器人的目的是為了提高地下礦山撬毛作業(yè)的安全性和作業(yè)效率，主要體現(xiàn)在以下3個方面：1） 通過地表集控中心遠(yuǎn)程遙控QM70型撬毛機(jī)器人開展撬毛作業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程遙控化、作業(yè)室內(nèi)化，減少了井下工人的數(shù)量，進(jìn)一步提高了作業(yè)的安全性。2） 爆破通風(fēng)大約0.5 h后便可進(jìn)行撬毛作業(yè)，不受炮煙影響，極大地降低了工人的安全風(fēng)險，提高了設(shè)備出勤率和作業(yè)效率。3） QM70型撬毛機(jī)器人的使用可幫助礦山逐步實現(xiàn)技術(shù)隊伍知識化的目標(biāo)。