煤矿用自动钻机钻杆输送机械手结构及动态特性研究.pdf

孵隧砸㈤夯总璇 C H I N AC O A LR E S E A R C HI N S T I T U T E 硕士学位论文 作者姓名金流丞 学科专业安全科学与工程 导师姓名王清峰研究员 辛德忠研究员 完成时间二。二。年五月二十五日 G 怕d u a t eS c h o o Io fC h i n aC o a IR e s e a r c hI n s t i t u t e 叭3眦7㈨9m 2jjjm●I mmm7，洲3呲Y 万方数据 舢删删嗍哪㈣删Ⅲ Y 3 7 1 2 9 7 3 C h i n aC O a IR e S e a r C hIn S t i t U t e Adi S S e r t a t i O nf I o rm a S t e r ’Sd e g r e e R e S e a r C ho nS t r U C t U r ea n d D y n a m i CC h a r a C t e r i S t i C S o fD r IP i p eC O n V e y i n g ■ ，’， M a n i p U I a t O rf b rC o a IM i n e a U t O m a t i CDr - lI i n gR i g A u t h o r ’sN 锄e J i nL i u c h e n g S p e c i m 时S 疵够S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r P r o fW 抽gQ i n g f e n g P r o fX i n D e z h o n g F i n i s h e dt i m e M a y ．2 5 t l I ，2 0 2 0 万方数据 中图分类号 垦皇至垒 U D C 学校代码璺墨墨Q 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 煤矿用自动钻机钻杆输送机械手 结构及动态特性研究 R e s e a r c ho nS t r u c t u l ．ea n dD v n a m i c C h a r a c t e r i s t i c so fD r i l lP i p eC o n v e y i n g M a n i p u l a t o rf o rC o a lM i n e a u t o m a t i cD r i l l i n gR i g 导师王潼蝰硒究虽 培养单位燧塞抖堂砑究簋随 研究方向燧芷塞全扭披 论文答辩日至Q 至Q 生墨旦2 Q 且 二。二。年五月 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文煤矿用自动钻机钻杆输送机械手结 构及动态特性研究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名冱豫2 ] 支日期z 够p 年，月加 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 煤矿用自动钻机钻杆输送机械手结构及动态特性研究系本人在煤炭科 学研究总院攻读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归 煤炭科学研究总院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完 全了解煤炭科学研究总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文 加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本 人授权煤炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密d 作者签名白釜窟逢K 日期≯汐年r 月态，曰 导师签名 日期矽矽啪玩 万方数据 摘要 摘要 目前煤矿瓦斯、水害、冲击地压等灾害治理所用到的煤矿钻机基本采用人工 方式进行上下钻杆，该方式劳动强度大，且施工环境对施工作人员的身体健康和 生命安全具有一定威胁。为保障钻机操作人员的人身安全，同时响应煤机装备智 能化发展的国家要求，有必要对煤矿钻机钻杆自动输送系统开展研究。本文在调 研各种钻机的钻杆自动输送系统和各种机械手的基础上，设计出基于机械手的钻 杆自动输送系统并对所设计的机械手的动态特性进行分析，通过研究实现了煤矿 钻机钻杆自动、平稳、快速的输送。全文主要研究内容包括以下几个方面 根据人工上下钻杆流程，提出基于复合关节机械手的煤矿用自动钻机钻杆自 动输送方案。对钻杆输送机械手关键零部件进行设计，具体包括夹紧关节的设计 和伸缩关节的设计。根据设计结果运用I n v e n t o r 对机械手结构进行建模，并通过 有限元分析软件对零部件进行优化。 运用D e n a V i t ．H a n e n b e r g D ．H 矩阵分析法对钻杆输送机械手的运动学进行分 析，推导出各关节相对于基础坐标系的位置，确定机械手的运动空间，同时通过 运动学逆解，为机械手的运动控制提供依据。对机械手各关节的到位条件进行分 析，确定各关节的定位方法。 分析钻杆输送机械手控制系统，以翻转关节控制系统为例对机械手的动态特 性进开展研究，建立翻转关节控制模型，采用M A T L A BS i m u l i n k 对系统模型进 行仿真，并采用P D 控制对控制系统进行调节，改善控制系统的动态特性。 最后进行实验验证，通过测量实际工作时翻转关节的动态特性，并进行钻杆 输送实验，检验所设计的煤矿用自动钻机钻杆输送机械手的结构合理性，以及动 态特性的响应速度、平稳性。 关键词煤矿用自动钻机；钻杆输送机械手；运动学；动态特性 万方数据 摘要 I I 万方数据 A B S T R C T A B S T R C T C o a lm i n ed r i l l i n gr i g su s e di nd i s a s t e rm a n a g e m e n ts u c ha sc o a lm i n eg a s ，w a t e r d a m a g e ，a n dr o c kb u r s tb a s i c a l l yu s em a n u a lm e t h o d sf ．o ru pa n dd o w nd r i l lp i p e s ，b u t t h i sm e t h o dh a sh i 曲1 a b o ri n t e n s i t ，a n dt h ec 伽s 劬c t i o ne n v i r o n m e n th a sac e r t a i n t h r e a tt ot h eh e a l t ha n dl i f es a f e t yo ft h ew o r k e r s ．1 1 1o r d e rt op r o t e c tt h eh e a l t ha n dl i f e s a f 色锣o fn go p e r a t o r s ，a n dt or e s p o n dt ot h ec o u n t r y ’sr e q u i r e m e n t sf - o rt h ei n t e l l i g e n t d e v e l o p m e n to fc o a lr i ge q u i p m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea u t o m a t i cc o n v e y i n g s y s t e mo fc o a lm i n e gd l lp i p e s ．B a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ea u t o m a t i cd H p i p ec o n V e y i n gs y s t e m0 fV 撕o u s 嘶l l i n gn g sa n dV a r i o u sm a n i p u l a t o r s ，t h i sp a p e r d e s i g n sa na u t o m a t i cd r i l lp i p ec o n V e y i n gs y s t e mb a s e do nt h em a n i p u l a t o ra n d a n a l y z e st h ed y n a m i cc h a r a c t e ns t i c so ft h ed e s i g n e dm a n i p u l a t o r ．T h ep i p ei s a u t o m a t i c a l ly ’s m o o t h l ya n dq u i c k l yc o n v e y e d ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h ef u l l t e X ti n c l u d e st h ef o I l o v v i n ga s p e C t s A c c o r d i n gt o t h ep r o c e s so fm a n u a lu pa n dd o w nd r i l l p i p e ，t h ea u t o m a t i c c o n V e y i n gs c h e m eo f 搋1 lp i p ef o rc o a lm i n er i gb a s e do nc o m p o u n djo i n tm a n i p u l a t o r i sd e s i g n e d ．D e s i g nt h ek e yc o m p o n e n t so ft h ed r i l l p i p et r a n s p o r t a t i o nm a n i p u l a t o L i n c l u d i n gt h ed e s i g no fc l a m p i n gj o i n t sa n dt h ed e s i g no ft e l e s c o p i cj o i n t s ．A c c o r d i n g t ot h ed e s i g nr e s u l t s ，I n v e n t o ri su s e dt om o d e l t h es t m c t u r eo ft h em a n i p u l a t o r ’a n dt h e c o m p o n e n t sa r eo p t i m i z e dt h r o u g ht h en n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ． U s i n gt h eD e n a V i t - H a r t e n b e 唱 D - H m a t r i xa n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h e l i n e m a t i c so f t h em a n i p u l a t o ro f t h ed l lp i p e 仃a n s p o r t a t i o n ，d e r i v et h ep o s i t i o no f e a c h jo i n tr e l a t i V et ot h eb a s i cc o o r d i n a t es y s t e m ，d e t e m i n et h em o v e m e n ts p a c eo ft h e m a n i p u l a t o r ’a n da tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht l l ei n v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o n ，i ti st h e m o V e m e n to ft h em a n i p u l a t o rC o n t r o lp r o 啊d e st h eb a s i s ．A n a l y z et l l e p o s i t i o n i n g c o n d i t i o n so f e a c hjo i n to ft h em a n i p u l a t o rt od e t e n n i n et h ep o s i t i o n i n gm e t h o do f e a c h j0 i n t ． A n a l y z et h ec o n t r o ls y s t e mo ft h em a n i p u l a t o rf b rd n l lp i p et r a n s p o r t a t i o n ，t a k e t h ef l i pj o i n tc o n t r o ls y s t e ma sa ne x a m p l et os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a n i p u l a t o r ，e s t a b l i s ht h ef l i pjo i n tc o n 仃o lm o d e l ，u s eM A T L A BS i m u l i n kt os i m u l a t e t h es y s t e mm o d e l ，a n du s eP I Dc o n 仃o lt oa d j u s tt h ec o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v ec o n 仃o l T h ed y n a m i cc h a r a c t e s t i c so f t h es y s t e m ． n I 万方数据 F i n a l l y ，e x p e n m e n t a lv e r i 6 c a t i o nw a sc a r r i e do u t ．B ym e a s u n n g t h ed y n a m l c c h a r a c 勺舐s t i c s “t h en i pj o i n td u r i n g a C t u a lw o r k ，a n dc o n d u c t i n g ‘h ed n I Ip l p e t r a n s p o r te x p 舒m e n t ，t h es t m c t u r a l r a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n e dm l lp l p et r a n s p o r t m a n i p u l a t o rf o rc o a lm i n e 钒l 协m a t i cd r i l l i n gr i g sa n d m er e s p o n s es p e e da n dS t a b l l l 够 o ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s w e r eV e r i f i e d ． K e v w o r d s c o a lm i n ea u t o m a t i cd r i l l i n gr i g ；t h em a n i p u l a t o r o f ∞l lp l p ec o n V e y ； k i n e m a t i c s d V n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ； 万方数据 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 钻杆自动输送系统国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 机械手国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 本论文的研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 煤矿用自动钻机钻杆输送机械手结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 煤矿用自动钻机钻杆输送机械手工作环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 上下钻杆运动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．1 人工上下钻杆流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．2 自动上下钻杆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 2 ．3 钻杆输送机械手结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 关键零部件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．4 ．1 夹紧关节的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．2 伸缩关节的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．5 钻杆输送机械手结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．5 ．1 有限元分析基本思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．5 ．2 钻杆输送机械手静态强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．5 ．3 钻杆输送机械手回转臂优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．5 ．4 钻杆输送机械手伸缩内筒优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．5 ．5 钻杆输送机械手活动爪优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．5 ．6 整体校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 V 万方数据 目录 3 钻杆输送机械手运动学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 机械手运动学分析理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．2 机械手运动学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．2 ．1 钻杆输送机械手的D ．H 坐标系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．2 正向运动学求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 3 ．2 ．3 逆向运动学求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 基于M A T L A B 的机械手运动学仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．1M A T L A BI b b o t i c s 工具箱介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 ．2 运动学仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 ．3 运动学分析理论与结果验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．4 钻杆输送机械手定位系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 钻杆输送机械手动态特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 钻杆输送机械手系统管路图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 钻杆输送机械手控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．3 翻转关节控制系统动态特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．1 翻转关节系统分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l 4 ．3 ．2 电磁换向阀数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．3 ．3 阀控液压马达数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．3 ．4 翻转关节马达负载计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 ．5 系统传递函数的参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．4 翻转关节模型动态特性仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．5 机械手的动态特性调节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．5 ．1P I D 控制简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．5 ．2 钻杆输送机械手动态特性P I D 调节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 实验验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．1 钻杆输送机械手加工与组装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 V I 万方数据 目录 5 ．2 钻杆输送机械手动态性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．2 ．1 控制系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．2 实验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．3 动态性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 _ 3 钻杆输送实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 V Ⅱ 万方数据 1 ．绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 煤与瓦斯突出、突水、冲击地压是导致煤矿事故的主要灾害，目前相应灾害 常用且有效的防治措施分别为钻孔抽采、疏水及卸压【1 。3 1 。以上防治措施的共同 点是都需要进行钻孔施工。但是在钻孔施工过程中煤与瓦斯突出、突水等事故 时有发生，国内煤矿用钻机因上下钻杆等关键环节的限制，都只能在施工现场人 工操作，如图1 ．1 所示。在这种状态下，一旦发生孔口瓦斯突出或者涌水事故， 操作人员人身安全面临严重威胁，如2 0 1 5 年8 月重庆市龙狮煤业有限公司后溪 煤矿在钻孔过程中发生煤与瓦斯突出事故，造成3 人死亡，直接经济损失4 9 1 万 元【4 1 。 图1 ．1 钻机施工现场图 F i g ．1 ．1 T h cc o n s 仇l c t i o ns i t co f “l l i n gr i g 目前，虽然一些钻机配备了机械化钻杆输送辅助装置，但在关键的上下钻杆 过程中仍然是采用全人工作业，不仅劳动强度大，而且需要配置专人，操作不当 极易出现安全事故。为提高煤矿钻孔装备的自动化与智能化水平，保障煤矿安全 生产，国家发改委与国家能源局于2 0 1 6 年1 2 月联合发布的煤炭工业发展“十 三五“ 规划在“第八章加强煤炭科技创新”中明确指出，突破煤炭地质保障、 煤炭智能钻探等关键技术，提高煤机装备数字化控制、自动化生产和远程操作能 力【5 1 。国家煤矿安全监察局2 0 1 9 年发布煤矿机器人重点研发目录中将防突钻 孔机器人、探水钻孔机器人、防冲钻孔机器人等钻机装备作为推进煤炭工业高质 量发展，推进煤矿安全发展的重点研发内容【6 1 。各地方政府也出台各种文件鼓励 推进煤矿钻机自动化与智能化。 现在国内外在钻杆自动输送系统的研究主要集中在石油和非煤矿山等领域， 煤矿井下钻机钻杆自动输送系统研究成果较少，已有成果因难以克服煤矿井下作 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 业空间受限、工作环境恶劣等问题，实用化与适应性难度较大。 因此，本文对钻杆自动输送系统开展研究，研制出适用于煤矿钻机井下施工 的钻杆输送机械手。通过本研究不仅可以实现钻杆自动化输送，减少钻孔施工人 员数量，保障钻孔施工安全，而且与国家和各地方政府要求煤机装备智能化发展 的方向相一致，同时研究成果可为煤矿钻机的钻杆自动输送提供一种参考。 1 ．2 国内外发展现状 1 ．2 ．1钻杆自动输送系统国内外发展现状 自从1 8 世纪下半叶旋转钻进技术开始应用于工矿企业后，工程技术人员就 一直在探索解决钻机使用过程中装卸钻杆劳动强度大、安全风险高等问题的方法。 2 0 世纪4 0 年代控制技术出现后，钻机研发人员提出通过将机械、液压、控制等 技术相结合实现钻杆自动输送的设想。经过多年研究，B y r o n J a c k s o n 和H u m b l e o i l 公司于1 9 5 2 年联合开发出世界上第一台具备一定钻杆自动输送功能的石油钻 机【7 9 1 。 当前，经过近8 0 年的发展并随着自动化水平的进步，美国、英国、德国、 加拿大等发达国家在大型钻机钻杆自动输送系统的研究上取得了较大的进步，如 美国N a t i o n a lO i l w e l lV a r c o N O v 公司的钻杆自动输送系统己实现系列化、模 块化，可以满足海洋和陆地不同类型钻机的需要【1 0 。1 2 】，如图1 ．2 所示；英国S t r a c h a n a n dH e n s h a w 公司研制出凡m 型深井海洋钻机具备多种钻杆自动输送功能，具 有钻杆抓取灵活可靠的特点【1 3 ．1 6 1 ；德国B e n t e c 公司研制的O s e b e 唱S o r 钻井平台 通过可编程控制器可实现钻杆自动输送，并保证起下钻作业能在高速状态下运行 而不发生设备碰撞的危险㈣加拿大F o m o s t 公司生产的E x p l o r e rI Ⅱ．6 5 钻机通 过两组摆动油缸组成的机械手实现了夹取与翻转对接【1 8 ，1 9 】，如图1 ．3 所示。 图1 ．2N O V 的钻杆输送装置 F i g ．1 ．2 N O V ’sd r i l lp i p ec o n V e y i n gd e 、’i c e 2 图1 ．3 E x p l F i g ．1 ．3 EII毫崤龇∞ 髓园f 、淼 万方数据 1 ．绪论 虽然大型钻机钻杆自动输送系统己取得较大发展，但是煤矿钻机施工的煤矿 井下环境与大型钻机施工环境相差巨大，因井下工作空间受限、工作环境恶劣， 地面大型钻机所使用的钻杆自动输送技术难以应用于煤矿井下钻机。 在小型钻机钻杆输送方面，瑞典S a n d v i k 公司的D L 系列钻机已配备自动换 钻杆和钻杆输送装置，可降低钻进过程中的劳动强度，但工作过程中仍需要人工 辅助上下钻杆【2 0 2 1 】。美国B o a nL o n g y e a r 公司的L M 系列钻机具有钻杆自动输送 功能 图1 ．4 ，可进行施工过程自动钻进，该钻机施工劳动强度小，施工效率高， 但是该装备为单根钻杆自动上下，不能用于深孔钻进，距离全自动上下钻杆还有 较大差距【2 2 1 。 图1 ．4 宝长年配置换杆设备的坑道钻机 F i g ．1 ．4 r I ’l l et I l 蚰e 1 吨e q u i p p c dw 汕r o dc h 柚g i n ge q u i p m e n tB o a nL o n g y e a r 瑞典A t l a s C o p c o 公司开发出装备有凿岩车控制系统 m gC o n t r o lS y s t e m ， R C S 的B o o m e r 和S i m b a 图1 ．5 系列凿岩车己具备较高的自动化水平，R C S 系统可根据需要配置不同的模块，从而使凿岩车实现不同的自动化水平，通过配 置全自动钻臂控制系统和自动装卸钻杆系统模块，B o o m e r 和S i m b a 系列凿岩台 车可实现钻孔施工过程中钻杆自动输送【2 3 - 2 6 1 。但是B o o m e r 和S i m b a 系列凿岩台 车主要用于金属非金属等非煤矿山和隧道施工，相对于金属非金属矿山以及隧道 工程，煤矿井下的工作空间更为狭小，环境更加恶劣，因此目前具备钻杆自动输 送功能的小型钻机在煤矿井下使用受到极大限制。 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 图1 ．5 阿特拉斯科普柯S i m b a M 4 C 凿岩台车 F i g ．1 ．5A t l a s ’C o p c oS i m b aM 4 C 国内对煤矿钻机钻杆自动输送的研究起步较晚，中国矿业大学与哈尔滨工业 大学在国家8 6 3 计划项目的支持下，在M Y Z 一1 5 0 液压钻机的基础上加装电液控 制系统进行改进，于1 9 9 6 年研制出我国首台机器人化自动钻机[ 2 7 - 3 0 1 。虽然该钻 机具备一定的钻杆输送功能，但是该项目属于原理性研究，并未开展进一步的实 用化和可靠性研究，后期未见该技术应用与发展。 中国地质大学 武汉 研发出一套基于机械手与旋转式钻杆箱配合的钻杆自 动输送系统，其原理图如图1 ．6 所示。上钻杆时钻杆箱将需要输送的钻杆送至机 械手夹持关节处，机械手将钻杆送至钻孔轴线处，钻杆箱旋转将下一根钻杆送至 机械手夹持关节处等待输送，下钻杆的过程与上钻杆过程相反【3 1 1 。该系统理论上 可实现钻杆的自动上下，但是钻杆箱容量较小，整体结构体积庞大适用性较差。 图1 ．6中国地质大学的钻杆输送系统 F i g ．1 ．6 T h ed r i l lp i p ec o n v c y i l l gs y s t c mo fC U G 安徽理工大学对煤矿钻机进行升级改造研究，并研发出一种采用重力配合机 械手进行钻杆输送的钻杆自动输送系统，如图1 ．7 所示。钻杆箱安装于钻机上部， 钻杆排列安装于钻杆箱中，工作时机械手在钻杆箱底部将钻杆输送到钻孔轴线上， 4 万方数据 1 ．绪论 钻杆箱中的钻杆因为自身重力向下运动填补上一根钻杆位置等待输送【3 2 ，3 3 1 。该系 统只能在上钻杆过程中实现钻杆自动输送，下钻杆需要人工操作，实用性有待完 盖 口O 图1 ．7 安徽理工大学钻杆自动输送系统 F i g ．1 ．7 T h c “l lp i p ec o n v e y i I I gs y s t e mo f A U S T 河北冀凯装备制造股份有限公司研发的C M S l 2 0 0 0 ／5 5 型远距离控制智能钻 车虽其具有钻杆自动装拆功斛3 4 1 ，但从实际情况来看，该钻机装拆钻杆机构不够 成熟，存在明显的技术缺陷，无法实现自动上下钻杆的功能。 中煤科工集团西安研究院有限公司近年来开始对煤矿钻机上下钻杆自动化 展开研究并取得一定成果，形成旋转式钻杆库钻杆自动输送 图1 ．8 与机械手 式钻杆自动输送两种方案[ 3 5 ，3 6 1 。旋转式钻杆库钻杆自动输送仍然存在工作空间 大、钻杆容量小等问题，机械手式钻杆自动输送方案处于研发阶段，未见产品应 用。 圈1 ．8 西安院钻杆输送方案 F i g ．1 ．8 T h e 孤t o m 撕c “Up i p ec o n v e y i I l gs c h e m eo fC C T E G X A 中煤科工集团重庆研究院有限公司2 0 0 6 年承担国家重大产业技术开发专项 “防突远距离控制钻机研制及配套工艺开发”，开始对煤矿钻机钻杆自动输送开 展研究，并于2 0 0 8 年成功研制出配有机械化上下钻杆装置的防突远距离钻机， 但该钻机的机械化上下钻杆采用人工逐步操作，未实现钻杆自动化输送[ 3 7 ，3 引。通 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 过多年的研究与探索，“十二五”期间，在前期研究成果的基础上，成功研发出 地面远距离自动控制钻机 图1 ．9 ，该钻机具备了自动上下钻杆功能，在钻杆自 动输送系统方面形成了运用液压进行驱动的机械手输送方案【3 9 喇】。该方案吸收了 液压驱动能力大，抗污染能力强等特点使得钻杆自动输送系统结构紧凑，更适合 煤矿井下的受限空间。但是该套钻杆自动输送系统仍存在工作范围较小，工作过 程中系统冲击振动较大的问题，限制了钻机的适用范围，制约了机械手的响应速 度，影响了钻杆输送效率。为真正实现钻孔施工过程中上下钻杆无人化，减少钻 孔施工人员数量，保障工人生命安全，必须解决以上存在的问题，扩大机械手上 下钻杆的应用范围，解决机械手工作过程中冲击振动大的问题，保证机械手平稳 快速运行。 图1 ．9 重庆煤科院钻杆自动输送系统 F i g ．1 ．9 T h ea u t o m a t i cd r i l lp i p ec o n v e y i I 瞎s y s t e mo fC C T E G C Q 1 ．2 ．2机械手国内外发展现状 1 9 5 8 年德沃尔与约瑟夫唤格伯格联手制造出第一台工业机械手U n i m a t e 并 将其用于压铸件的运输和焊接工作，从此机械手因其可精确进行重复动作、替代 人类在危险和艰苦条件下工作等特点开始被应用到工业生产中【4 5 1 。1 9 6 8 年斯坦 福研究所成功研发出带有视觉传感器的S h a k e y 机械手，标志着计算机控制与各 类传感器开始应用到机械手上【4 6 ，4 7 】。1 9 7 8 年U n i m 撕0 n 公司推出通用工业机械 手P I M A 并被一直应用到现在，P 切ⅥA 机械手的出现标志着工业机械手技术已 经成熟【4 8 1 。 目前根据应用领域和使用要求不同，已发展出各种类型的机械手，其中应用 最广泛的是关节型机械手，其结构类似人类肘关节，可实现多自由度运动，该型 机械手广泛应用于焊接、搬运、装配等领域，实现工业生产自动化，如特斯拉 工厂全自动无人生产线 图1 ．1 0 运用关节型机械手实现了从原料加工到组装现 场全过程无人干预。在物料上下和搬运领域，门型机械手因其结构简单、定位精 6 万方数据 1 ．绪论 度高等优点也得到大量应用，如门型机械手用于与C N C 车床配合实现自动上 下料【4 9 - 5 1 1 。 中国从2 0 世纪8 0 年代的“七五”科技攻关开始对机械手展开研究，通过持 续科技攻关，目前已基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统软硬件设计技 术以及运动学和轨迹规划技术，开发出点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机械手 【5 2 巧4 1