多功能凿岩机械手的机械结构设计

李和勤　王统顺

【摘 要】针对传统机械装置无法在矿下巷道作业而采用人工开凿隔离槽造成人工劳动强度大、加工效率低和人身安全难以保证等突出问题，通过总体结构分析，进行升降系统、回转系统、伸缩系统、摆动系统和的设计和研究，研制开发具有自主知识产权的新型、多功能、多自由度的凿岩机械手，能够在提供足够的开槽破岩驱动力、较小的外形尺寸、较大的工作范围的前提下保证足够的开槽深度、降低施工人员的劳动强度，满足隔离槽不同尺寸和规格的机械开凿要求。

【关键词】多功能；凿岩机械手；机械结构设计；开凿；隔离槽

中图分类号：TD421 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）26-0004-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.002

0 前言

在煤矿的开采过程中，煤矿巷道中隔离槽的通风或密封不好会带来严重的生命、财产安全损失。目前，隔离槽的开凿工作由人工完成的，由于巖石硬度大、工作环境差，造成人工开凿劳动强度大、加工效率低和人身安全难以保证，同时，由于人工操作的操作水平和熟练程度层次不齐，造成隔离槽的开凿尺寸无法满足国家标准，给后续隔离槽的密封增加了操作难度和安全隐患[1-2]。

针对传统机械装置无法在矿下巷道作业而采用人工开凿隔离槽造成人工劳动强度大、加工效率低和人身安全难以保证等突出问题[3-5]，本论文通过总体方案论证，进行升降系统、回转系统、伸缩系统、摆动系统和的设计和研究，研制开发具有自主知识产权的新型、多功能、多自由度的凿岩机械手，能够在提供足够的开槽破岩驱动力、较小的外形尺寸、较大的工作范围的前提下保证足够的开槽深度、降低施工人员的劳动强度，满足隔离槽不同尺寸和规格的机械开凿要求。

1 多功能凿岩机械手的总体结构分析

多功能凿岩机械手主要包括主升降系统、副升降系统、回转系统、伸缩臂和摆动系统。

主升降系统沿左右方向水平安装在牵引机的车体底盘的后端，主升降系统的两端设有竖直设置的伸缩支撑腿，其中伸缩支撑腿液压缸是双向伸缩液压缸。副升降系统竖直方向安装在主升降系统的中部位置。主升降系统通过前后方向设置的主升降系统推移液压缸与牵引机的车体底盘的后端安装连接、且主升降系统与牵引机的车体底盘之间设置有导向滑轨。

回转系统安装在副升降系统上，包括回转支撑和回转驱动。回转系统通过竖直方向设置的回转系统升降液压缸与副升降系统安装连接、且回转系统与副升降系统之间设置有导向滑轨。

伸缩臂包括基础臂和一节伸缩节臂，基础臂固定安装在回转系统的回转支撑上、且伸缩臂的伸缩方向沿回转系统的回转支撑的径向方向设置，伸缩节臂套接安装在基础臂内部、且伸缩节臂通过伸缩臂伸缩液压缸与基础臂连接。

摆动系统包括开槽工具回转驱动、L型连接件和开槽工具。开槽工具回转驱动固定安装在L型连接件上并通过L型连接件与伸缩节臂的端部安装连接、且开槽工具回转驱动的回转轴线前后方向设置；开槽工具包括锯盘，锯盘通过快速连接机构与开槽工具回转驱动的回转输出轴连接。

摆动系统还包括第一回转装置，L型连接件通过第一回转装置与伸缩臂的端部安装连接，第一回转装置的回转轴线竖直方向设置，第一回转装置的回转输出轴与L型连接件固定连接，第一回转装置的本体与伸缩臂的端部安装连接；开槽工具还包括钻头，钻头尾部设有快速连接机构。

摆动系统还包括第二回转装置，第二回转装置通过第二回转装置与伸缩臂的端部安装连接，第二回转装置的回转轴线前后方向设置，第二回转装置的回转输出轴与第一回转装置的本体固定连接，第二回转装置的本体与伸缩臂的端部安装连接。L型连接件上还设有液压钳。

多功能凿岩机械手上还设有冷却液供给装置。L型连接件上对应开槽工具的位置还设有冷却液喷嘴。

2 多功能凿岩机械手的机械结构设计

2.1 升降系统的设计

主升降系统沿左右方向水平安装在牵引机的车体底盘的后端，主升降系统的两端设有竖直设置的伸缩支撑腿，其中伸缩支撑腿液压缸是双向伸缩液压缸。副升降系统竖直方向安装在主升降系统的中部位置。主升降系统通过前后方向设置的主升降系统推移液压缸与牵引机的车体底盘的后端安装连接、且主升降系统与牵引机的车体底盘之间设置有导向滑轨。

如图1所示为主升降系统的示意图，伸缩支撑腿竖直设置在主升降系统的两端，双向伸缩液压缸放置在伸缩支撑腿中。开槽作业前操作伸缩支撑腿使之伸出支撑于底板可以增加开槽作业时整机的稳定性。

主升降系统的滑轨主要用于配合副升降系统使用，可保证副升降系统沿着滑轨稳定的上升和下降。主升降系统的滑轨的底部为升降液压缸的安装连接位置。主升降系统的滑轨竖直方向安装在主升降系统的中部位置，有利于主升降系统的伸缩支撑腿均匀承担整个机械手的载荷。

副升降系统竖直方向安装在主升降系统的滑轨上，回转系统安装在副升降系统上。

2.2 回转系统

回转系统安装在副升降系统上，包括回转支撑和回转驱动。回转系统通过竖直方向设置的回转系统升降液压缸与副升降系统安装连接、且回转系统与副升降系统之间设置有导向滑轨，如图2所示。

图2中，回转系统与伸缩系统连接件主要用于连接回转系统的回转支承与伸缩系统的基础臂，所受倾覆载荷和径向载荷较大。回转支承主要用于连接副升降系统与伸缩系统的基础臂，并提供扭矩使多功能凿岩机械手360°旋转，所受倾覆载荷和径向载荷较大。

2.3 伸缩系统

2.3.1 机械结构设计

伸缩臂包括基础臂和一节伸缩节臂，基础臂固定安装在回转系统的回转支撑上、且伸缩臂的伸缩方向沿回转系统的回转支撑的径向方向设置，伸缩节臂套接安装在基础臂内部、且伸缩节臂通过伸缩臂伸缩液压缸与基础臂连接，如图3所示。

2.3.2 伸缩臂许用载荷分析

（1）箱型伸缩臂力学模型

本设计的箱型伸缩臂起重机为两节伸缩臂。当第二节臂末端受到载荷作用时，其力学模型如图4所示，其中：F为第二节臂末端的外载荷；a0和b0分别为滑块的长和宽；L1为基本臂的长度，L2为第二节臂的长度；l为上、下两侧滑块中心位置点在轴向的距离既搭接长度。

通常情况下，上、下两侧滑块的尺寸与吊臂的尺寸相比是很小的，因此可以将滑块与局部盖板之间的接触力近似为均布载荷。当伸缩臂的轴线与水平方向的夹角α=0°时，由于每一侧都有两个滑块，因此上滑块和下滑块作用在局部盖板平面上的分布力为：

基本臂横截面内侧尺寸为2b1×h1=0.4m×0.4m，上滑块边缘到局部盖板边缘的距离为b10=0.08m；第二节臂横截面内侧尺寸为2b2×h2=0.3m×0.3m，下滑块边缘到局部盖板边缘的距离为b20=0.03m。盖板和腹板的厚度均为h=0.01m，上、下侧滑块的尺寸均为a0×b0×c0=0.2m×0.08m×0.04m。

（2）起重機的许用载荷分析

起重机伸缩臂材料通常为Q235，其屈服极限σs≥235MPa，取安全系数为n=1.45，可得许用应力[σ]=σs/n=162MPa，合金钢的弹性模量E=210GPa，泊松比v=0.3。基本臂的长度L1=2.5m、第二节臂的长度L2=2m，基本臂和第二节臂之间的最小搭接长度为0.5m，则搭接段上下两侧滑块中心点的轴向距离l=0.4m，第二节臂的外伸长度为1.6 m。

[σ]为许用应力；系数为1.1，是由于考虑到应力的局部性而将许用应力提高10%。解不等式得基本臂局部盖板区域和第二节臂局部盖板区域在满足各自强度要求的前提下，第二节臂末端的最大外载荷为：

为了使得与滑块相接触的基本臂局部上侧盖板和第二节臂局部下侧盖板都能满足强度条件，所以只能取F1max和F2max二者中的最小值。即起重机伸缩臂的许用载荷为：

[F]=min{F1max，F2max}（8）

由式（8）解得第二节臂末端的许用载荷为：F1max=12.59kN，F2max=16.43kN。比较F1max和F2max，为了使基本臂的局部盖板和第二节臂的局部盖板都不出现塑性屈服，所以第二节臂末端所能起吊的许用载荷为Fmax=12.59kN。

2.4 摆动系统

摆动系统包括开槽工具回转驱动、L型连接件和开槽工具。开槽工具回转驱动固定安装在L型连接件上并通过L型连接件与伸缩节臂的端部安装连接、且开槽工具回转驱动的回转轴线前后方向设置；开槽工具包括锯盘，锯盘通过快速连接机构与开槽工具回转驱动的回转输出轴连接，具体如图5所示。

摆动系统还包括第一回转装置，L型连接件通过第一回转装置与伸缩臂的端部安装连接，第一回转装置的回转轴线竖直方向设置，第一回转装置的回转输出轴与L型连接件固定连接，第一回转装置的本体与伸缩臂的端部安装连接；开槽工具还包括钻头，钻头尾部设有快速连接机构。

摆动系统还包括第二回转装置，第二回转装置通过第二回转装置与伸缩臂的端部安装连接，第二回转装置的回转轴线前后方向设置，第二回转装置的回转输出轴与第一回转装置的本体固定连接，第二回转装置的本体与伸缩臂的端部安装连接。L型连接件上还设有液压钳。

多功能凿岩机械手上还设有冷却液供给装置。L型连接件上对应开槽工具的位置还设有冷却液喷嘴。

3 多功能凿岩机械手的三维建模和装配及工作过程分析

3.1 三维建模和装配

采用SolidWorks2014软件参数化建模的方法对多功能凿岩机械手中的各零部件进行三维建模→按照各零部件的作用和装配顺序，利用SolidWorks2014软件中的装配模块（如：销钉定义、刚定义、齿轮传动定义等）完成凿岩机械手的装配，如图6所示。

3.2 工作过程分析

主升降系统沿左右方向水平安装在牵引机的车体底盘的后端，主升降系统的两端设有竖直设置的伸缩支撑腿，开槽作业前操作伸缩支撑腿使之伸出支撑于底板可以增加开槽作业时整机的稳定性。副升降系统竖直方向安装在主升降系统的中部位置。回转系统安装在副升降系统上，包括回转支撑和回转驱动，回转驱动可以驱动回转支撑沿回转系统的旋转中心在360°范围内旋转。伸缩臂包括基础臂和至少一节伸缩节臂，基础臂固定安装在回转系统的回转支撑上、且伸缩节臂的伸缩方向沿回转系统的回转支撑的径向方向设置，伸缩节臂套接安装在基础臂内部、且伸缩节臂通过伸缩臂伸缩液压缸与基础臂连接。摆动系统包括开槽工具回转驱动、L型连接件和开槽工具；开槽工具回转驱动固定安装在L型连接件上并通过L型连接件与伸缩节臂的端部安装连接、且开槽工具回转驱动的回转轴线前后方向设置；开槽工具包括锯盘，锯盘的中心设有快速连接机构，锯盘通过快速连接机构与开槽工具回转驱动的回转输出轴连接；由于锯盘的厚度尺寸相对辊状结构工作头的宽度尺寸小，因此开槽过程中锯盘切入煤壁或岩壁时受到的反作用力较小、不需要太大的驱动力。

多功能凿岩机械手在不进行开槽工作时开槽装置总成的伸缩支撑腿和伸缩处于完全缩入状态，可控制回转系统的回转驱动旋转使伸缩臂呈竖直状态以防止尺寸较长的伸缩臂在牵引机行进过程中造成不便。

需要进行开槽工作时，先将多功能凿岩机械手的摆动系统垂直正对需开槽的煤壁，或岩壁停滞在需开槽位置后，操作伸缩支撑腿使其伸出稳固支撑在底板上，然后启动开槽工具回转驱动使其输出轴带动锯盘高速旋转，同时控制回转系统的回转驱动选择合适的切入角、并控制伸缩臂伸缩液压缸动作使伸缩节臂伸出，锯盘的盘边缘自适合的方位向煤壁或岩壁贴近并切入，继续控制伸缩臂伸缩液压缸动作使锯盘切入煤壁或岩壁至设定深度，然后控制控制回转系统的回转驱动和伸缩臂伸缩液压缸协同动作带动伸缩臂沿煤壁或岩壁壁面切割，完成一个切口的切割后可向前或向后步进一个步距后继续切割另一个切口，控制较短的步距长度可以实现切割后的煤壁或岩壁在工作振动和自身重力作用下自行脱落。

为了保证开槽后槽内部的岩体顺利脱落，摆动系统还包括第一回转装置，L型连接件通过第一回转装置与伸缩节臂的端部安装连接，第一回转装置的回转轴线竖直方向设置，第一回转装置的回转输出轴与L型连接件固定连接，第一回转装置的本体与伸缩节臂的端部安装连接，通过控制第一回转装置的回转可以实现L型连接件沿第一回转装置的回转轴线前后方向90°翻转，进而实现开槽工具回转驱动的回转轴线由前后方向变换为左右方向；开槽工具还包括钻头，钻头尾部设有快速连接机构，钻头通过快速連接机构与开槽工具回转专驱动的回转输出轴连接；当完成煤壁或岩壁切口的切割后可将锯盘更换为钻头、并控制第一回转装置回转使开槽工具回转驱动的回转轴线由前后方向变换为左右方向，然后再次启动开槽工具回转驱动使钻头旋转对开槽后槽内部的岩体进行钻孔操作，在已开过槽的基础上通过控制钻孔的间距尺寸可以实现槽内部的岩体顺利脱落。针对顶板与需开槽的煤壁或岩壁之间具有夹角的非拱形巷道，由于锯盘的切割具有死角而无法对夹角部位进行切割，因此为了实现无死角切割，摆动系统还包括第二回转装置，第一回转装置通过第二回转装置与伸缩节臂的端部安装连接，第二回转装置的回转轴线前后方向设置，第二回转装置的回转输出轴与第一回转装置的本体固定连接，第二回转装置的本体与伸缩节臂的端部安装连接，通过控制第二回转装置的回转可以实现L型连接件沿第二回转装置的回转轴线上下摆动；当切割至顶板或底板与需开槽的煤壁或岩壁之间的夹角位置时可以通过控制第二回转装置的回转实现L型连接件带动开槽工具回转驱动沿第二回转装置的回转轴线上下摆动，通过同时协同控制伸缩臂伸缩液压缸的伸出可以实现无死角切割。

4 结论

（1）在广泛调研现有机械手装置的基础上，结合我国煤矿巷道的场地及工况特点，制定可行的工艺方案，分析了凿岩机械手的总体结构，包括：升降系统、回转系统、伸缩系统和摆动系统。

（2）设计的多功能凿岩机械手集锯、钻、铣为一体，并可实现快速换刀。通过锯盘的锯割和钻铣的破碎代替人工完成岩石的开凿功能，降低了劳动强度、提高了加工效率、保障了人身安全、节约了生产成本。适用场合广，研制的机械手运动灵活，可满足不同规格和尺寸的巷道隔离槽的开凿工作，同时可以适用于岩石开采的其他场合。

【参考文献】

[1]王国庆，许红盛，王恺睿.煤矿机器人研究现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2014，42（2）：73-77.

[2]尚赛花.基于信息融合的煤矿采空区火灾预警研究[D]. 西安：西安科技大学，2013.

[3]鹿志新，李叶林，周志鸿.我国液压凿岩机产品发展现状与建议[J].凿岩机械气动工具，2013，3：1-6.

[4]杨光照，郭石宇，赵洪岩.凿岩机械发展现状与趋势[J]. 矿业工程，2009，7（3）：46-47.

[5]郭孝先.液压凿岩机及钻车发展[J].凿岩机械气动工具，2017，1：17-26.