劉勁蒼，范岳柏

(湖南省地勘局探礦機械研制中心，長沙 410100)

0 引言

傳統(tǒng)鉆具排放系統(tǒng)需要工人直接接觸鉆桿，操作的危險性大，容易造成安全事故，且工作效率較低。為了改善這一問題，鉆具自動排放機械臂系統(tǒng)應運而生。目前，國外在這一領域的研究已具有較長的歷史，但是我國的進展仍較為遲緩[1,2]?；谶@個背景，本文結合當前自動排放機械臂的發(fā)展趨勢，對其中的靜力學問題進行分析與計算，為驅動系統(tǒng)的設計及制造提供理論基礎。

1 鉆具自動排放機械臂的計算參數(shù)

在對一個系統(tǒng)進行靜力學的分析時，需要根據(jù)系統(tǒng)正常工作時所能出現(xiàn)的最大載荷作為靜力學計算的數(shù)據(jù)。參照陸地鉆機的尺寸標準，鉆具自動排放系統(tǒng)能夠操縱的鉆鋌是最大載荷，一般以長度為9.45 m，外徑為254 mm，質量為3420.9 kg的鉆鋌參數(shù)進行計算。本文將型號為NC70-100的鉆鋌作為載荷參考對象，對鉆具自動排放機械臂系統(tǒng)進行靜力學分析，鉆鋌尺寸參數(shù)等見表1。

表1 NC70-100鉆鋌參數(shù)

2 鉆具自動排放機械臂設計中的靜力學計算

2.1 機械手的分類及選取

手部驅動裝置(又稱為抓取機構)、手指結構以及傳動機構的設計依據(jù)是液壓機械手夾持工件時預緊力的大小。為了保證機械手始終保持夾緊的工作狀態(tài)，機械手夾持立根所產生的夾緊力應該抵消掉鉆桿自重產生的靜載荷和立根在運動狀態(tài)下產生的動載荷，如立根運動時產生的慣性力或慣性力距。在這個過程中，由于排放系統(tǒng)的操作臂運行速度較小，其加速度導致的慣性力距和慣性力不予考慮。

工程上常根據(jù)抓持工件的工作原理對機械手進行分類，主要包括夾持以及吸附兩大分類，本文所討論的機械手是夾持式。夾持類的手部結構分為手指回轉型和平移型兩種。平移型手指主要依靠手指的平行移動完成夾持動作，適用于平板材料和矩形材料的夾持。平移型手指具有夾持不同半徑的圓棒材料不會導致中心偏移的優(yōu)點，但是其結構較為復雜、尺寸較大，加工精度要求較高?；剞D型手指完成夾持動作主要依靠指根的回轉運動，根據(jù)樞軸支點數(shù)的不同，分為單支點回轉型和雙支點回轉型。這種類型的手指具有結構簡單、外型小巧的優(yōu)點，但是對于不同的工件會造成一定程度的定位偏差[3]。

本文設計的鉆具自動排放機械臂所抓取的立根為圓柱形，直徑66.04～254.00 mm，在立根盒內排放鉆桿立根時，兩立根之間的間距較小，因此系統(tǒng)本身在水平方向上應盡量占最少的空間，才能順利地抓持住立根。此外，由于對立根在機械手內的位置精確度沒有較高的要求，采用全自動化的系統(tǒng)既可以對立根進行修正，也能夠完成自動鎖緊和松扣的動作。結合不同類型機械手的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)最終選擇雙支點回轉型夾持式機械手，并根據(jù)運行穩(wěn)定性的要求，驅動方式選擇為液壓驅動。

2.2 上機械臂的靜力計算

將液壓缸2提升使其液壓桿為回縮狀態(tài)，分析此時的上機械臂所受的靜力，計算出平移液壓缸1工作時的壓力。圖1為上機械臂的受力簡圖，其中夾緊式機械手結構用EFGH代指，連桿BE和y軸之間的夾角為α，其取值范圍為20°～55°，A、B、C為連接處。

圖1 上機械臂受力簡圖

計算所用到的參數(shù)數(shù)值分別為：lAB=lBD-lDE=0.5lCF=1819 mm，lEF=869 mm，lBE=lCF=3638 mm，lEH=601.8 mm。

圖2為EFGH機構的受力圖，建立E點的力矩平衡公式，即：

ME=FFClEFsinα-mglEH=0

(1)

(2)

圖2 E點受力分析圖

EFGH機構的受力分析圖如圖3所示，BE、CF連桿在機械手上的作用力分別用FE、FFC表示，θ為FE和y軸的夾角，α為FFC和mg的夾角，得出FE計算見公式(3)：

(3)

根據(jù)力的平衡原理，得出下列公式：

FFCsinα=FEsinθ

(4)

mg=FFCcosα+FEcosθ

(5)

根據(jù)公式(4)、(5)，得出θ的計算公式：

(6)

(7)

圖3 EFGH機構受力分析圖

B點的受力分析圖如圖4所示，建立B點的平衡方程，即：

(8)

對式(8)求解，可得：

(9)

圖5、圖6分別為連桿BE和下支架的受力簡圖，根據(jù)力平衡的原理得出液壓缸作用在下支架上的力Fy，即：

(10)

圖5 BE連桿的受力分析圖

圖6 下支架的受力分析圖

根據(jù)以上公式可求得Fy的值，且能夠得出Fy與α的曲線關系，如圖7所示。根據(jù)曲線圖可知，當α為55°時，F(xiàn)y最大為184 972.3 N。

圖7 FA和α的曲線關系圖

進一步研究提升液壓缸的工作壓力時，連桿AD的受力情況見圖8。

圖8 AD連桿的受力圖

根據(jù)力平衡關系可以得出，提升液壓缸時對AD連桿的作用力FA，見公式(11)：

(11)

其中，α的范圍為20°～55°，通過以上公式能夠求得FA值，且能夠得出FA與α的曲線關系，如圖9所示。根據(jù)曲線圖可知，當α=20°時，F(xiàn)A最大為393 931.9 N。

圖9 FA和α的曲線關系

3 結論

本文以夾持NC70-100鉆鋌為例，對鉆具自動排放機械臂所涉及的靜力學問題進行分析，計算出各個力的方程式解，得出了上機械臂的工作壓力，并繪出機械臂的工作壓力曲線，為鉆具自動排放機械臂的設計提供了理論基礎。