基于Solidworks 的自動(dòng)化鉆桿箱創(chuàng)新設(shè)計(jì)

梁椿豪，叢佩超,，張欣，趙世鋒

（1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000；2.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006）

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前煤礦井下瓦斯抽放鉆機(jī)所用鉆桿的管理過程（轉(zhuǎn)場、運(yùn)輸）均需由人工完成，這與未來礦機(jī)的發(fā)展方向-自動(dòng)化、智能化相距甚遠(yuǎn)。正是由于這些問題的存在，使得井下瓦斯抽放工作的效率受到很大地影響，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度極大，也給其人身安全帶來很多的不確定因素。為了充分發(fā)揮瓦斯抽放鉆機(jī)的工作效率，改善鉆機(jī)工人的工作環(huán)境，早日實(shí)現(xiàn)“無人化”井下工作面，迫切需要實(shí)現(xiàn)的就是對(duì)鉆桿的自動(dòng)化管理。

本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)鉆桿管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆桿從井上到井下工作現(xiàn)場整個(gè)過程的“自動(dòng)化”和“無人化”，一名工人可操控多臺(tái)自動(dòng)化鉆桿管理箱，能極大地提升鉆機(jī)工作效率，進(jìn)而提升整個(gè)瓦斯抽采過程的工作效率。本產(chǎn)品的科技含量高，具有較高的推廣和使用價(jià)值，將給鉆機(jī)行業(yè)和煤炭企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效率和社會(huì)效益。

2 自動(dòng)化鉆桿箱的總體方案

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化鉆桿箱是智能瓦斯抽放鉆機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它主要由行走模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)模塊、夾持模塊和輔助模塊構(gòu)成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。根據(jù)上述模塊劃分，基于Solidworks 軟件對(duì)各組成部分進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。

圖1 自動(dòng)化鉆桿箱系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 行走模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下工作面路況的實(shí)際情況，本文研發(fā)自動(dòng)化鉆桿箱的行走機(jī)構(gòu)（如圖2 所示，基于Solidworks 軟件建模）采用履帶式底盤，底盤主要選用鋼制履帶片，耐磨、強(qiáng)度高、牽引力大、可控性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活。為適應(yīng)鉆桿箱轉(zhuǎn)場過程中的轉(zhuǎn)彎問題，行走機(jī)構(gòu)設(shè)置轉(zhuǎn)彎功能。行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)，并配套設(shè)計(jì)電液控制系統(tǒng)，以便后期實(shí)現(xiàn)智能化控制，張緊裝置采用液壓式張緊（解決現(xiàn)場張緊裝置不可靠問題）。箱體平臺(tái)固接在履帶式底盤的橫梁上，用來安裝固定系統(tǒng)的其他模塊。

圖2 行走模塊

4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆桿箱在管理鉆桿的過程中，需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于鉆桿箱管理需要做到精準(zhǔn)控制，且不需要太高轉(zhuǎn)速，故選用防爆步進(jìn)電機(jī)，通過精確控制其脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。自動(dòng)化鉆桿箱的驅(qū)動(dòng)模塊主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸。本文的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用普菲德的150BYG350C 式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)需配套使用，因此，驅(qū)動(dòng)器選擇3ND2283-DSP。

5 傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合所管理鉆桿的實(shí)際情況（圓柱棒料），自動(dòng)化鉆桿箱的傳動(dòng)方式采用鏈傳動(dòng)，根據(jù)自動(dòng)化鉆桿箱選擇鏈傳動(dòng)路線，為使鉆桿箱中可以存放更多數(shù)量鉆桿，所以路線采用蛇形排列，采用滾子鏈傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。自動(dòng)化鉆桿箱的傳動(dòng)模塊（如圖3 所示，基于Solidworks 軟件建模）主要包括傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、鏈條、大齒輪、小齒輪等。

6 夾持模塊設(shè)計(jì)

夾持模塊作（如圖4、5 所示，基于Solidworks 軟件建模）為自動(dòng)化鉆桿箱管理鉆桿的關(guān)鍵模塊，其直接與鉆桿接觸，并負(fù)責(zé)鉆桿在箱體內(nèi)的運(yùn)輸，結(jié)合選擇的鏈傳動(dòng)形式，其夾持模塊主要包括U 型導(dǎo)軌、機(jī)械爪、輕質(zhì)彈簧、鉛制球、套筒和銷軸。

7 系統(tǒng)數(shù)字化樣機(jī)

將前面模塊化設(shè)計(jì)得到的各模塊進(jìn)行整機(jī)裝配，得到自動(dòng)化鉆桿箱的數(shù)字化樣機(jī)（如圖6 所示）。本文設(shè)計(jì)自動(dòng)化鉆桿箱管理系統(tǒng)的控制方式采用無線遙控、手動(dòng)控制相結(jié)合。無線通訊系統(tǒng)主要由無線遙控手柄、無線收發(fā)器、調(diào)制解調(diào)和編碼模塊等部分構(gòu)成，在進(jìn)行遙控操作時(shí)，無線收發(fā)器負(fù)責(zé)遙控手柄與控制模塊之間的通訊聯(lián)系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)連接（井上、井下通訊），與場外的多業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆桿箱各類工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 傳動(dòng)模塊

圖4 機(jī)械爪

圖5 機(jī)械爪夾取鉆桿

圖6 自動(dòng)化鉆桿箱管理的數(shù)字化樣機(jī)

8 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的新型全自動(dòng)鉆桿箱管理系統(tǒng)，鉆桿運(yùn)輸完全依靠鏈輪鏈條帶動(dòng)鉆桿，并于分層處有旋轉(zhuǎn)軸幫助鉆桿運(yùn)輸，整個(gè)運(yùn)輸過程避免了人工拿放、搬運(yùn)等操作，節(jié)省了大量的人力物力，更避免了安全隱患的存在，提高了井下鉆桿的管理效率，提升了瓦斯抽放鉆機(jī)的工作效率，對(duì)于煤礦井下鉆桿的運(yùn)輸與使用，起到了開創(chuàng)性的作用。