潘麗君 張 強(qiáng)

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

0 引言

自動(dòng)掘錨一體機(jī)是未來(lái)智礦發(fā)展的趨勢(shì)，智能化、自動(dòng)化和無(wú)人化是煤礦設(shè)備創(chuàng)新研發(fā)的方向，其中錨護(hù)作業(yè)的自動(dòng)化一直是個(gè)難題，現(xiàn)有的錨護(hù)工藝大部分都是人工操作，工作時(shí)間長(zhǎng)，人工與機(jī)械配合作業(yè)存在效率損失，容易出現(xiàn)工傷事故，安全風(fēng)險(xiǎn)高。該文通過設(shè)計(jì)研發(fā)自動(dòng)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)人工操作，結(jié)合現(xiàn)有成熟的智能相機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的錨護(hù)作業(yè)，減少輔工人數(shù)，節(jié)省支護(hù)時(shí)間，提高了礦區(qū)支護(hù)作業(yè)工作效率。

1 全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)包括錨桿鉆機(jī)、智能相機(jī)和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)部分：1） 錨桿鉆機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)抓取錨桿、自動(dòng)安裝拆卸釬桿和自動(dòng)擰緊螺母。2） 動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括平動(dòng)、俯仰擺動(dòng)、左右擺動(dòng)3個(gè)自由度，通過控制液壓閥，實(shí)現(xiàn)油缸運(yùn)動(dòng)控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃將鉆機(jī)精確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)孔，控制鉆機(jī)鉆頭對(duì)孔精度小于或等于±10mm。3） 智能相機(jī)識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的指令推動(dòng)鉆機(jī)平動(dòng)達(dá)到粗略位置，視覺系統(tǒng)接收到控制指令后進(jìn)行拍照，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別并給出目標(biāo)的位置，控制系統(tǒng)根據(jù)視覺系統(tǒng)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換給出的目標(biāo)位置，得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)繞2個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，控制系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和控制、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)孔。全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

2 全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 錨桿鉆機(jī)

錨桿鉆機(jī)主要由機(jī)座、滑動(dòng)架、馬達(dá)滑移座、支撐架組件、鏈條機(jī)構(gòu)、錨桿夾爪、鉆桿夾爪、錨桿料倉(cāng)、膠棒機(jī)構(gòu)、長(zhǎng)拖鏈組件、短拖鏈組件、多路閥護(hù)罩、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等零部件組成。錨桿鉆機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，油缸選取參數(shù)見表1。

圖2 自動(dòng)錨桿鉆機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

表1 油缸參數(shù)表

錨桿料倉(cāng)：可存儲(chǔ)3根錨桿（參考裝有剪切銷形式螺母、錨盤），通過擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)指定位置供料，通過2個(gè)接近開關(guān)檢測(cè)供料是否到位。錨桿夾爪：從錨桿料倉(cāng)里抓取錨桿，安裝到鉆機(jī)上。通過剪切手結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作，使錨桿抓手實(shí)現(xiàn)大角度動(dòng)作。鉆桿夾爪：實(shí)現(xiàn)釬桿的安裝與拆卸。設(shè)計(jì)滑動(dòng)架固定扶持器和支撐架隨動(dòng)扶持器，實(shí)現(xiàn)錨桿與釬桿在鉆機(jī)軸線上的限位與導(dǎo)向。巧妙設(shè)計(jì)的限位裝置可實(shí)現(xiàn)1個(gè)油缸對(duì)2個(gè)自由度機(jī)構(gòu)的控制。馬達(dá)組件主軸及其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)鉆桿與釬桿的切換與導(dǎo)向，提高容錯(cuò)能力。在主軸末端增加導(dǎo)向裝置，當(dāng)釬桿、錨桿與主軸軸線偏離時(shí)進(jìn)行導(dǎo)向，并在鉆到頂板時(shí)自動(dòng)回退。

油缸的最大推力和最大拉力計(jì)算如公式（1）、公式（2）所示。

式中：為缸筒內(nèi)最高工作壓力；為缸筒內(nèi)徑，mm；為桿徑直徑，mm。

隨動(dòng)扶持器油缸、鉆桿二級(jí)油缸、錨桿二級(jí)油缸3處=32 mm，=20 mm，=10 MPa。

將上述參數(shù)代入公式得到公式（3）、公式（4）。

鏈條驅(qū)動(dòng)油缸、支撐架油缸、滑動(dòng)架油缸3處，=63 mm，=45 mm，=16 MPa。

將上述參數(shù)代入公式得到公式（5）、公式（6）。

活塞桿的強(qiáng)度計(jì)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(yīng)力。

對(duì)中碳鋼（調(diào)質(zhì)），σ=400 MPa；對(duì)隨動(dòng)扶持器油缸、鉆桿二級(jí)油缸、錨桿二級(jí)油缸3處，=8038 N，=20 mm。

代入得到公式（8）。

對(duì)鏈條驅(qū)動(dòng)油缸、支撐架油缸、滑動(dòng)架油缸3處=79876N，=45 mm。

代入得到公式（9）。

安全系數(shù)計(jì)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(shù)均大于3，強(qiáng)度滿足使用要求。

活塞桿穩(wěn)定性計(jì)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(wěn)臨界壓縮力，N；n為安全系數(shù)，通常取n=4；為實(shí)際彈性模數(shù)，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，=1；L為液壓缸完全伸出長(zhǎng)度，mm。

對(duì)隨動(dòng)扶持器油缸、鉆桿二級(jí)油缸、錨桿二級(jí)油缸3處，=8038 N，=20 mm，=7.84×10，L=376 mm。

將上述各參數(shù)代公式得到公式（15）。

對(duì)鏈條驅(qū)動(dòng)油缸、支撐架油缸、滑動(dòng)架油缸3處，=79876 N，=45 mm，=2×10，L=400 mm。

將上述各參數(shù)代公式得公式（16）。

則有公式（17）～公式（19）。

由此得出安全系數(shù)均大于4，油缸滿足穩(wěn)定性使用要求。

綜上所得，錨桿鉆機(jī)中設(shè)計(jì)的隨動(dòng)扶持器油缸、鉆桿二級(jí)油缸、錨桿二級(jí)油缸、鏈條驅(qū)動(dòng)油缸、支撐架油缸以及滑動(dòng)架油缸均滿足使用要求，油缸選型和設(shè)計(jì)合理。

2.2 動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)

假設(shè)掘錨機(jī)第一排布置兩臺(tái)自動(dòng)錨桿鉆機(jī)，巷道寬度（5.4 m），第一排錨桿鉆機(jī)需要打6根錨桿，單側(cè)錨桿鉆機(jī)需要打3個(gè)點(diǎn)，因此錨桿鉆機(jī)需要3個(gè)動(dòng)作自由度的機(jī)構(gòu)：1） 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，錨桿鉆機(jī)整體巷道斷面橫向移動(dòng)，帶平衡閥、位移傳感器。2） 左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶平衡閥、位移傳感器，約±15°擺角，實(shí)現(xiàn)一個(gè)位置可打2個(gè)點(diǎn)及失效孔的補(bǔ)打。3） 前后擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶平衡閥、位移傳感器，約-7°擺角，適應(yīng)不同地質(zhì)條件及失效孔的補(bǔ)打。動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，各個(gè)機(jī)構(gòu)的油缸參數(shù)見表2。

圖3 動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

表2 油缸參數(shù)表

設(shè)定活塞桿運(yùn)動(dòng)速度=3.0（m/min），則活塞一次行程所需時(shí)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(shí)的理論推力如公式（21）、公式（22）所示。

式中：為無(wú)桿側(cè)活塞面積；為有桿側(cè)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(wěn)臨界壓縮力，N；n為安全系數(shù)，通常取n=4；為實(shí)際彈性模數(shù)，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，=1；為液壓缸完全伸出長(zhǎng)度，mm。

可得公式（26）。

平移油缸滿足使用要求。

設(shè)定活塞桿運(yùn)動(dòng)速度=3.0（m/min），則活塞一次行程所需時(shí)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(wú)桿側(cè)=93470 N；有桿側(cè)=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(wěn)臨界壓縮力，N；n為安全系數(shù)，通常取n=4；為實(shí)際彈性模數(shù)，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，=1；L為液壓缸完全伸出長(zhǎng)度，mm。

可得公式（31）。

左右擺動(dòng)油缸滿足使用要求。

設(shè)定活塞桿運(yùn)動(dòng)速度=3.0（m/min），則活塞一次行程所需時(shí)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(wú)桿側(cè)=93470 N；有桿側(cè)=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(wěn)臨界壓縮力，N；n為安全系數(shù)，通常取n=4；為實(shí)際彈性模數(shù)，=1.8×10MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，=0.049；為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，=1；為液壓缸完全伸出長(zhǎng)度，mm。

可得公式（36）。

前后擺動(dòng)油缸滿足使用要求。

2.3 智能相機(jī)

智能相機(jī)系統(tǒng)包括控制鉆機(jī)平移、俯仰、擺轉(zhuǎn)的液壓系統(tǒng)以及視覺拍照定位系統(tǒng)、通信和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過布置在鉆機(jī)本體上端的視覺傳感器向頂板拍照，識(shí)別預(yù)制鋼帶上的預(yù)鉆孔，確定孔位中心。通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和液壓系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，將運(yùn)動(dòng)指令傳達(dá)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)識(shí)別定位，通過繞2個(gè)軸線的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆機(jī)的鉆孔軸線運(yùn)動(dòng)，并最終引導(dǎo)執(zhí)行結(jié)構(gòu)到預(yù)鉆孔位中心。智能相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表3，智能相機(jī)計(jì)算方法步驟如圖4所示。

圖4 智能相機(jī)計(jì)算方法步驟示意圖

表3 智能相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)通過智能相機(jī)與自動(dòng)化機(jī)構(gòu)能夠滿足錨護(hù)的動(dòng)作工藝，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)支護(hù)作業(yè)，替代了人工作業(yè)，減少井下輔工人數(shù)。該全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)合理緊湊，自動(dòng)化機(jī)構(gòu)選用的液壓缸滿足設(shè)計(jì)使用需求。智能相機(jī)系統(tǒng)單次作業(yè)時(shí)間（含鉆機(jī)就位、拍照、計(jì)算、執(zhí)行結(jié)構(gòu)移動(dòng)到位）不大于30 s，支護(hù)1個(gè)錨桿所需時(shí)間不大于2 min。