掘錨一體機全自動錨桿鉆機的研制

潘麗君 張 強

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

自動掘錨一體機是未來智礦發展的趨勢，智能化、自動化和無人化是煤礦設備創新研發的方向，其中錨護作業的自動化一直是個難題，現有的錨護工藝大部分都是人工操作，工作時間長，人工與機械配合作業存在效率損失，容易出現工傷事故，安全風險高。該文通過設計研發自動化執行機構替代傳統人工操作，結合現有成熟的智能相機視覺識別技術，真正實現了全自動的錨護作業，減少輔工人數，節省支護時間，提高了礦區支護作業工作效率。

1 全自動錨桿鉆機整體機構設計

全自動錨桿鉆機包括錨桿鉆機、智能相機和動作執行機構3個部分：1） 錨桿鉆機，能夠實現自動抓取錨桿、自動安裝拆卸釬桿和自動擰緊螺母。2） 動作執行機構，包括平動、俯仰擺動、左右擺動3個自由度，通過控制液壓閥，實現油缸運動控制，使執行機構按照運動軌跡規劃將鉆機精確對準目標孔，控制鉆機鉆頭對孔精度小于或等于±10mm。3） 智能相機識別系統，系統根據掘進機的指令推動鉆機平動達到粗略位置，視覺系統接收到控制指令后進行拍照，實現目標的識別并給出目標的位置，控制系統根據視覺系統通過坐標轉換給出的目標位置，得出執行機構繞2個軸轉動的角度，控制系統對鉆機的運動軌跡規劃和控制、驅動執行機構將鉆機對準目標孔。全自動錨桿鉆機結構示意圖如圖1所示。

圖1 全自動錨桿鉆機機構示意圖

2 全自動錨桿鉆機關鍵部件設計

2.1 錨桿鉆機

錨桿鉆機主要由機座、滑動架、馬達滑移座、支撐架組件、鏈條機構、錨桿夾爪、鉆桿夾爪、錨桿料倉、膠棒機構、長拖鏈組件、短拖鏈組件、多路閥護罩、液壓系統以及控制系統等零部件組成。錨桿鉆機機構示意圖如圖2所示，油缸選取參數見表1。

圖2 自動錨桿鉆機機構示意圖

表1 油缸參數表

錨桿料倉：可存儲3根錨桿（參考裝有剪切銷形式螺母、錨盤），通過擺動油缸驅動實現指定位置供料，通過2個接近開關檢測供料是否到位。錨桿夾爪：從錨桿料倉里抓取錨桿，安裝到鉆機上。通過剪切手結構實現抓取動作，使錨桿抓手實現大角度動作。鉆桿夾爪：實現釬桿的安裝與拆卸。設計滑動架固定扶持器和支撐架隨動扶持器，實現錨桿與釬桿在鉆機軸線上的限位與導向。巧妙設計的限位裝置可實現1個油缸對2個自由度機構的控制。馬達組件主軸及其導向機構：實現鉆桿與釬桿的切換與導向，提高容錯能力。在主軸末端增加導向裝置，當釬桿、錨桿與主軸軸線偏離時進行導向，并在鉆到頂板時自動回退。

油缸的最大推力和最大拉力計算如公式（1）、公式（2）所示。

式中：為缸筒內最高工作壓力；為缸筒內徑，mm；為桿徑直徑，mm。

隨動扶持器油缸、鉆桿二級油缸、錨桿二級油缸3處=32 mm，=20 mm，=10 MPa。

將上述參數代入公式得到公式（3）、公式（4）。

鏈條驅動油缸、支撐架油缸、滑動架油缸3處，=63 mm，=45 mm，=16 MPa。

將上述參數代入公式得到公式（5）、公式（6）。

活塞桿的強度計算如公式（7）所示。

式中：為活塞桿的最大推力；為活塞桿直徑；σ為材料的許用應力。

對中碳鋼（調質），σ=400 MPa；對隨動扶持器油缸、鉆桿二級油缸、錨桿二級油缸3處，=8038 N，=20 mm。

代入得到公式（8）。

對鏈條驅動油缸、支撐架油缸、滑動架油缸3處=79876N，=45 mm。

代入得到公式（9）。

安全系數計算公式如公式（10）所示。

將=25.6 MPa和=50.2 MPa代入得公式（11）、公式（12）。

活塞桿的安全系數均大于3，強度滿足使用要求。

活塞桿穩定性計算如公式（13）、公式（14）所示。

式中：為活塞桿的作用力，；F為活塞桿彎曲失穩臨界壓縮力，N；n為安全系數，通常取n=4；為實際彈性模數，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導向系數，=1；L為液壓缸完全伸出長度，mm。

對隨動扶持器油缸、鉆桿二級油缸、錨桿二級油缸3處，=8038 N，=20 mm，=7.84×10，L=376 mm。

將上述各參數代公式得到公式（15）。

對鏈條驅動油缸、支撐架油缸、滑動架油缸3處，=79876 N，=45 mm，=2×10，L=400 mm。

將上述各參數代公式得公式（16）。

則有公式（17）～公式（19）。

由此得出安全系數均大于4，油缸滿足穩定性使用要求。

綜上所得，錨桿鉆機中設計的隨動扶持器油缸、鉆桿二級油缸、錨桿二級油缸、鏈條驅動油缸、支撐架油缸以及滑動架油缸均滿足使用要求，油缸選型和設計合理。

2.2 動作執行機構

假設掘錨機第一排布置兩臺自動錨桿鉆機，巷道寬度（5.4 m），第一排錨桿鉆機需要打6根錨桿，單側錨桿鉆機需要打3個點，因此錨桿鉆機需要3個動作自由度的機構：1） 滑動機構，錨桿鉆機整體巷道斷面橫向移動，帶平衡閥、位移傳感器。2） 左右擺動機構，帶平衡閥、位移傳感器，約±15°擺角，實現一個位置可打2個點及失效孔的補打。3） 前后擺動機構，帶平衡閥、位移傳感器，約-7°擺角，適應不同地質條件及失效孔的補打。動作執行機構示意圖如圖3所示，各個機構的油缸參數見表2。

圖3 動作執行機構示意圖

表2 油缸參數表

設定活塞桿運動速度=3.0（m/min），則活塞一次行程所需時間=0.36/3.0=0.12 min。

流量如公式（20）所示。

式中：為液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積；為活塞面積。

則有=×3×3.14÷4×0.063×10=9.35L/min。

活塞桿伸出時的理論推力如公式（21）、公式（22）所示。

式中：為無桿側活塞面積；為有桿側活塞面積。

如公式（23）～公式（25）所示。

式中：為活塞桿的作用力，；F為活塞桿彎曲失穩臨界壓縮力，N；n為安全系數，通常取n=4；為實際彈性模數，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導向系數，=1；為液壓缸完全伸出長度，mm。

可得公式（26）。

平移油缸滿足使用要求。

設定活塞桿運動速度=3.0（m/min），則活塞一次行程所需時間=0.07/3.0=0.023 min。

流量如公式（27）所示。

式中：為液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積；為活塞面積。

則有=×=3×3.14÷4×0.063×10=9.35L/min。

與平移油缸理論推力相等，無桿側=93470 N；有桿側=55790 N。

如公式（28）～公式（30）所示。

式中：為活塞桿的作用力，；F為活塞桿彎曲失穩臨界壓縮力，N；n為安全系數，通常取n=4；為實際彈性模數，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導向系數，=1；L為液壓缸完全伸出長度，mm。

可得公式（31）。

左右擺動油缸滿足使用要求。

設定活塞桿運動速度=3.0（m/min），則活塞一次行程所需時間=0.43/3.0=0.14 min。

流量如公式（32）所示。

式中：為液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積；為活塞面積。

則有=×=3×3.14÷4×0.063×10=9.35L/min。

與平移油缸理論推力相等，無桿側=93470 N；有桿側=55790 N。

如公式（33）～公式（35）所示。

式中：為活塞桿的作用力，；F為活塞桿彎曲失穩臨界壓縮力，N；n為安全系數，通常取n=4；為實際彈性模數，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導向系數，=1；為液壓缸完全伸出長度，mm。

可得公式（36）。

前后擺動油缸滿足使用要求。

2.3 智能相機

智能相機系統包括控制鉆機平移、俯仰、擺轉的液壓系統以及視覺拍照定位系統、通信和運動控制系統。通過布置在鉆機本體上端的視覺傳感器向頂板拍照，識別預制鋼帶上的預鉆孔，確定孔位中心。通過坐標系轉換和液壓系統控制實現運動軌跡規劃，將運動指令傳達給執行機構。由視覺系統實現識別定位，通過繞2個軸線的旋轉帶動鉆機的鉆孔軸線運動，并最終引導執行結構到預鉆孔位中心。智能相機主要技術參數見表3，智能相機計算方法步驟如圖4所示。

圖4 智能相機計算方法步驟示意圖

表3 智能相機主要技術參數

3 結語

該文設計的全自動錨桿鉆機通過智能相機與自動化機構能夠滿足錨護的動作工藝，實現了自動支護作業，替代了人工作業，減少井下輔工人數。該全自動錨桿鉆機結構合理緊湊，自動化機構選用的液壓缸滿足設計使用需求。智能相機系統單次作業時間（含鉆機就位、拍照、計算、執行結構移動到位）不大于30 s，支護1個錨桿所需時間不大于2 min。