深井救援機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁昌鵬 張 屹 張 虎 王 盈

(三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北宜昌 443002)

深井掉人事故發(fā)生頻繁,據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)全國每年發(fā)生此類事故萬余起,由此造成的生命財(cái)產(chǎn)損失無法估量.機(jī)井是農(nóng)村重要的灌溉和飲用水源,很多機(jī)井安置在地頭路邊,多數(shù)機(jī)井沒有掩蓋物,周圍也沒有提示標(biāo)志,特別是一些廢棄的機(jī)井,隱藏較深,難以使人及時(shí)發(fā)現(xiàn)并引起注意,由此造成的深井掉人事故較多.目前,雖然有些深井救援類的裝置,但是這些裝置在一些方面存在著的較大缺陷,未能為深井救援帶來便利,沒有得到廣泛的利用.常用的營(yíng)救方法是施救人員下井施救或者動(dòng)用挖掘機(jī)等大型設(shè)備施救.由于井一般較深,施救人員直接下井施救會(huì)給施救人員帶來缺氧、卡在井中等諸多威脅,而且井的口徑過小時(shí)施救人員根本無法下井;利用挖掘機(jī)等大型設(shè)備救援,救援時(shí)間過長(zhǎng)、安全性差,無法保證井下被困人員的生命安全,如果井的深度超過15m,利用挖掘機(jī)也無法實(shí)施營(yíng)救.設(shè)計(jì)一種高效、高成功率的機(jī)械手代替消防隊(duì)員下井實(shí)施救援,能夠在很大程度上減少生命財(cái)產(chǎn)損失,減少悲劇的發(fā)生.

1 設(shè)計(jì)思路

該設(shè)計(jì)的主要思路是用機(jī)械手代替施救人員下井施救,這樣能夠避免在施救過程中給施救人員帶來的安全隱患,解決由于井口太小施救人員無法下井施救的難題,提高救援的效率和成功率.要完全代替施救人員下井施救,機(jī)械手要有較高的靈活性和可控性.被困人員在井底的被困形式多樣,機(jī)械手必須能夠適應(yīng)于多種復(fù)雜情況下的救援工作,設(shè)計(jì)時(shí)必須保證機(jī)械手能夠靈活地調(diào)整自身的狀態(tài),操作人員能清楚地觀察井底的情況并實(shí)時(shí)控制機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作,保證在救援的過程中不會(huì)對(duì)被困人員造成二次傷害.

2 總體方案設(shè)計(jì)

深井掉人事故發(fā)生時(shí),被困人員被困在井底情況大致可以分為兩種:被困人員身體處于豎直狀態(tài)和被困人員身體處于平躺狀態(tài).在井里,被困人員身體姿態(tài)是多樣的,使用單一的夾持機(jī)構(gòu)不能夠滿足救援需求,機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換的兩種機(jī)構(gòu).由于井的口徑大小及人的體型都是不一的,機(jī)械手機(jī)構(gòu)中多采用可伸縮機(jī)構(gòu),使得機(jī)械手能夠適用于一定范圍內(nèi)不同口徑井及不同體型的人的救援.井一般較深,在救援時(shí)采用已有的裝置——救援三腳架懸掛機(jī)械手,控制機(jī)械手大范圍的升降.在機(jī)械手上裝上防水?dāng)z像頭,并在地面配有相應(yīng)的顯示屏,通過攝像頭將井底的圖像傳到地面顯示屏,地面操作人員根據(jù)顯示屏顯示的圖像控制機(jī)械手的動(dòng)作.在夾持機(jī)構(gòu)上裝有壓力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被困人員的受力情況,避免在救援過程中對(duì)被困人員造成二次傷害.機(jī)械手工作過程中承受的載荷由人的體重決定,采用伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力元件即可滿足動(dòng)力需求,并且能夠精確地控制機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作.為減輕機(jī)械手自身的重量,機(jī)械手自身不攜帶電源,電源放置在地面.通過控制各個(gè)伺服電機(jī)的輸入信號(hào)即可控制機(jī)械手的動(dòng)作.機(jī)械手的整體圖如圖1所示.

圖1 機(jī)械手整體圖

圖2 機(jī)械手工作原理圖

3 深井救援機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 定位機(jī)構(gòu)

如圖3所示,定位機(jī)構(gòu)是一傘狀的伸縮機(jī)構(gòu),能夠適用一定范圍內(nèi)不同口徑的井的救援工作.傘狀伸縮機(jī)構(gòu)由十字滑動(dòng)架的上下滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐桿的張開與合攏,十字滑動(dòng)架上連接鋼繩,通過手動(dòng)向上拉動(dòng)鋼繩實(shí)現(xiàn)十字滑動(dòng)架的向上滑動(dòng).滑動(dòng)架向上滑動(dòng)時(shí)支撐桿撐開,當(dāng)支撐桿撐到井的內(nèi)壁時(shí),撐開時(shí)如圖4所示,滑動(dòng)架將不能再向上滑動(dòng),4根支撐桿同時(shí)作用于中心桿達(dá)到固定中心桿的目的,使得中心桿不能轉(zhuǎn)動(dòng).中心桿上的吊環(huán)與三腳架上的鋼繩連接,下端與機(jī)械手的其他部件相連,整個(gè)裝置的重量由中心桿承受,起到穩(wěn)定裝置的作用.定位部分在完成定位動(dòng)作后再執(zhí)行后面的動(dòng)作,從而保證了后面動(dòng)作的穩(wěn)定執(zhí)行.

機(jī)械手適用于直徑是400～800 mm的井,支撐桿長(zhǎng)400 mm,支撐桿與中心桿的最小夾角是30°,最大角度是90°.十字滑動(dòng)架長(zhǎng)L=120mm,可得十字滑動(dòng)架的行程是

3.2 調(diào)位機(jī)構(gòu)

機(jī)械手的調(diào)位機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)調(diào)位機(jī)構(gòu)、水平的平移調(diào)位機(jī)構(gòu)、豎直方向的上下調(diào)位機(jī)構(gòu)及機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)調(diào)位機(jī)構(gòu),各個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)控制機(jī)械手的空間位置使機(jī)械手能夠適用多種復(fù)雜情況的井底救援工作.

(1)旋轉(zhuǎn)調(diào)位機(jī)構(gòu)

如圖5所示,電機(jī)固定在外盒上表面,電機(jī)輸出軸連接小齒輪,定位機(jī)構(gòu)完成定位動(dòng)作后,中心桿位置被固定,固定在中心桿上的大齒輪不能旋轉(zhuǎn),當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),小齒輪帶動(dòng)外盒繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),裝置的其他部件連接在外盒上,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)調(diào)位.

圖5 旋轉(zhuǎn)調(diào)位機(jī)構(gòu)

選取轉(zhuǎn)速為15r/min的伺服電機(jī),即小齒輪轉(zhuǎn)速為15r/min,選取大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比μ=3,小齒輪齒數(shù)z1=18,小齒輪做懸臂布置,選取齒寬系數(shù)φd=0.5,模數(shù)m=2,則在旋轉(zhuǎn)調(diào)位時(shí),機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的速度為5r/min.

小齒輪分度圓直徑

大齒輪分度圓直徑

兩齒輪中心距

齒輪寬度(2)水平平移調(diào)位機(jī)構(gòu)

如圖6所示,伺服電機(jī)安裝于外盒(上)的側(cè)面,伺服電機(jī)輸出軸連接絲杠,兩光杠起導(dǎo)向作用,滑動(dòng)螺母與外盒(中)通過連接螺母連接在一起,電機(jī)通過絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)帶動(dòng)外盒(中)沿光杠滑動(dòng),其它的部件與外盒(中)連接在一起,從而實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)水平方向的移動(dòng).采用轉(zhuǎn)速n=200 r/min的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠,螺母行程是200 mm,絲杠螺紋采用梯形螺紋,中徑d2=9.00 mm,公稱直徑d=10 mm,螺距p=2 mm.1min內(nèi),螺母相對(duì)絲杠的移動(dòng)的距離為s,由文獻(xiàn)[1]中P251公式(12-23)知

圖6 水平方向的平移調(diào)位機(jī)構(gòu)

螺母相對(duì)絲杠的移動(dòng)速度

螺母高度

絲杠螺母間的摩擦力要遠(yuǎn)小于F,故絲杠螺母滿足要求.

(3)上下調(diào)位機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)調(diào)位機(jī)構(gòu)

兩部分均由絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)實(shí)現(xiàn)裝置調(diào)位動(dòng)作,其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 豎直方向調(diào)位機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)調(diào)位機(jī)構(gòu)

上下調(diào)位原理:伺服電機(jī)(1)的輸出軸與絲杠(1)連接,電機(jī)(2)固定在滑動(dòng)螺母(1)上,光杠起導(dǎo)向和連接的作用,滑動(dòng)螺母(2)與外盒(下)通過連桿連接在一起,光杠和連桿與外盒(下)、滑動(dòng)螺母(2)與連桿之間均采用銷釘連接.伺服電機(jī)(1)驅(qū)動(dòng)絲杠(1)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)滑動(dòng)螺母(1)向下滑動(dòng),與電機(jī)(2)連接的絲杠(2)隨著滑動(dòng)螺母(1)向下運(yùn)動(dòng)而一起運(yùn)動(dòng),外盒(下)跟隨著做相應(yīng)的上下運(yùn)動(dòng),外盒(下)與夾持機(jī)構(gòu)連接,最終實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng).

采用n=100r/min的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠螺母的選用同平移機(jī)構(gòu)中的絲杠螺母,絲杠的承受的軸向力主要是被困人員的體重,成人的體重一般不會(huì)超過700N,根據(jù)文獻(xiàn)[2]中P96公式(5-43)有

故選取直徑為10mm的絲杠,行程是400mm.

翻轉(zhuǎn)調(diào)位原理:圖8是機(jī)構(gòu)沒有翻轉(zhuǎn)前的狀態(tài),采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的原理,滑動(dòng)螺母(2)相當(dāng)于滑塊,外盒(下)相當(dāng)于搖桿,以滑塊作為原動(dòng)件,搖桿作為從動(dòng)件,伺服電機(jī)(2)的輸出軸與絲杠(2)連接,電機(jī)(2)驅(qū)動(dòng)絲杠(2)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)滑動(dòng)螺母(2)向下滑動(dòng),滑動(dòng)螺母(2)向下的滑動(dòng)帶動(dòng)外盒(下)做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).翻轉(zhuǎn)后的夾持機(jī)構(gòu)狀態(tài)如圖9所示.

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10所示,夾持機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)成水平時(shí)(虛線所示位置),絲杠所受的軸向力F最大.

圖10 翻轉(zhuǎn)后絲杠受力簡(jiǎn)圖

取FD′=G,G=700 N,lCD′=200 mm,lB′C=100 mm.根據(jù)∑MC=0有

螺母是整體螺母,故取φ=1.5,絲杠和螺母均采用鋼作為加工材料,且該絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)屬于低速傳動(dòng),由文獻(xiàn)[2]中P97表5-12,許用壓力取[p]=7.5 MPa,由文獻(xiàn)[2]中P96公式(5-43)知

故取公稱直徑為d2=15mm的絲杠.

3.3 夾持機(jī)構(gòu)

針對(duì)被困人員被困形式的多樣性、復(fù)雜性,機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成兩種可以更換的機(jī)構(gòu),即夾持機(jī)構(gòu)(一)和夾持機(jī)構(gòu)(二),兩種夾持機(jī)構(gòu)都具有可伸縮調(diào)節(jié)性,以適應(yīng)不同體型人的救援.

(1)夾持機(jī)構(gòu)的伸縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的伸縮,其結(jié)構(gòu)如圖11所示.

圖11 沿Y軸平移調(diào)位部分結(jié)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)伸縮原理:伺服電機(jī)輸出軸與直齒錐齒輪(1)連接,直齒錐齒輪(2)與絲杠連接,電機(jī)通過錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)螺母做平移運(yùn)動(dòng),光杠一端固定在滑動(dòng)螺母上,另一端與夾持機(jī)構(gòu)相連接,光杠做伸縮運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了夾持機(jī)構(gòu)的伸縮運(yùn)動(dòng).

(2)夾持機(jī)構(gòu)(一)

當(dāng)被困人員身體在井中間處于豎直狀態(tài)(與井內(nèi)壁間的空隙較小)的時(shí)候使用該機(jī)構(gòu)實(shí)施救援,其結(jié)構(gòu)如圖12所示.伺服電機(jī)輸出軸與絲杠連接,夾持桿通過連接器與滑動(dòng)螺母以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接,轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向塊與外盒采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向塊軸線與夾持桿的軸線在同一條直線上.在初始狀態(tài)時(shí),夾持桿處于收起狀態(tài),如圖12所示.當(dāng)整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)下降到合適的夾持位置時(shí)(接近被困人員的腋下部位),電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)螺母向下滑動(dòng),當(dāng)滑動(dòng)螺母向下滑動(dòng)時(shí),夾持桿向下運(yùn)動(dòng),從導(dǎo)向塊向外伸出,當(dāng)夾持桿下降到水平時(shí),停止電機(jī)的驅(qū)動(dòng),此時(shí)兩對(duì)稱的夾持桿形成一個(gè)正方形的環(huán),如圖13所示.

圖12 夾持機(jī)構(gòu)(一)初始狀態(tài)

圖13 夾持機(jī)構(gòu)(一)伸開時(shí)狀態(tài)

夾持桿伸出到水平時(shí),絲杠承受的軸向力F最大,其受力簡(jiǎn)圖如圖14所示.

圖14 夾持桿受力簡(jiǎn)圖

已知lAB=50 mm,lBC=200 mm,F=2FA,FC為人體重的一半,即FC=G/2,成人體重一般不會(huì)超過70kg,故取G=700N,根據(jù)∑MB=0有

則F=2FA=2800N,由文獻(xiàn)[2]中P96公式(5-43)知

故取公稱直徑為d=15 mm的絲杠.

夾持桿的材料為45鋼,直徑d=20 mm,夾持桿在截面B處的彎曲正應(yīng)力最大,截面B處事危險(xiǎn)截面,對(duì)截面B處進(jìn)行強(qiáng)度校核.B截面處的彎矩:

根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件

桿滿足強(qiáng)度要求.

(3)夾持機(jī)構(gòu)(二)

當(dāng)被困人員與井內(nèi)壁間的空隙較大(平躺或者斜躺)時(shí),采用此種夾持機(jī)構(gòu)實(shí)施救援.夾持機(jī)構(gòu)由一對(duì)可伸縮臂、爪子及機(jī)架組成.通過伸縮臂的橫向運(yùn)動(dòng),調(diào)節(jié)爪子的橫向位置,使爪子處于合適的位置,從而對(duì)被困者執(zhí)行抱起動(dòng)作.爪子上面安裝有壓力傳感器,當(dāng)壓力達(dá)到某設(shè)定值的時(shí)候,壓力傳感器將獲得的信號(hào)傳輸給顯示屏,操作人員對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,使爪子停止運(yùn)動(dòng),從而保證爪子不至于因夾持力過大而對(duì)被困人員造成二次傷害.

圖15是夾持機(jī)構(gòu)(二)的結(jié)構(gòu)圖,爪子上下各有一對(duì),初始位置時(shí),上面的一對(duì)爪子在上面,下面的一對(duì)爪子處于基本豎直的位置,伺服電機(jī)輸出軸與絲杠連接,爪子(上)固定在滑動(dòng)螺母上,爪子(下)通過連桿連接在滑動(dòng)螺母上,電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊向下滑動(dòng),帶動(dòng)爪子(上)向下平移運(yùn)功的,爪子(下)向上轉(zhuǎn)動(dòng),兩對(duì)爪子間的間隙減小,實(shí)現(xiàn)夾緊.

圖15 夾持機(jī)構(gòu)(二)結(jié)構(gòu)圖

4 深井救援機(jī)械手工作過程

根據(jù)被困人員身體在井底的狀態(tài),被困人員在井底的被困形式可以大致分為身體處于豎直狀態(tài)和身體處于平躺狀態(tài),對(duì)兩種不同的狀態(tài)機(jī)械手的所執(zhí)行的動(dòng)作和使用的夾持機(jī)構(gòu)不同,下面對(duì)兩種情況下機(jī)械手的救援過程作分別的介紹.

(1)被困人員身體處于豎直狀態(tài)時(shí),機(jī)械手的工作過程

當(dāng)被困人員身體處于豎直狀態(tài)時(shí),使用夾持機(jī)構(gòu)(一)實(shí)施救援,其救援過程如圖16所示.

圖16 工作流程圖

(2)被困人員身體處于平躺狀態(tài)時(shí),機(jī)械手的工作過程

該種情況下,被困人員平躺時(shí),使用夾持機(jī)構(gòu)(二),機(jī)械手將被困人員抱住,再翻轉(zhuǎn),將被困人員身體由平躺狀態(tài)調(diào)整為豎直狀態(tài),最后將被困人員拉出井.機(jī)械手的工作工程與第一種情況相似,在完成定位操作與調(diào)位操作后,夾持機(jī)構(gòu)從被困人員的腋下部位進(jìn)行合抱,將被困人員抱住,由于被困人員身體處于平躺狀態(tài),人的正常體態(tài)是豎直狀態(tài),機(jī)械手在將被困人員抱住之后,對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn),將被困人員的身體轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài),搖動(dòng)救援三腳架上的手搖裝置,將機(jī)械手拉出井,即可將被困人員成功安全地救出.

5 結(jié) 語

本文針對(duì)深井掉人事故中被困人員的不同被困形式,對(duì)機(jī)械手的定位機(jī)構(gòu)、調(diào)位機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),該深井救援機(jī)械手相比傳統(tǒng)的深井救援裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、效率高、成功率高等特點(diǎn),能適應(yīng)不同型號(hào)井與不同體型人的救援工作,為深井事故的救援提供方便,對(duì)減少深井掉人事故發(fā)生時(shí)的人員傷害具有重要的意義.

[1] 孫 恒.機(jī)械原理[M].7版.北京:高等教育出版社, 2006.

[2] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].8版.北京:高等教育出版社,2006.

[3] 袁愛霞,高中庸,李寶靈.機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].高教論壇,2007(6):78-79.

[4] 張 屹,韓 俊,張 虎,等.突發(fā)災(zāi)害下的輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,32(3):33-36.

[5] 張 屹,邵 威,高虹亮,等.高壓輸電線路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,30 (6):69-72.