U 型鋼棚梁安裝機(jī)械手的設(shè)計(jì)

馬聯(lián)偉

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

我國深部開采礦區(qū)隨著開采深度增大，巖體應(yīng)力高，伴隨地溫升高，深部巷道圍巖狀態(tài)逐步惡化，圍巖變形顯著增加，導(dǎo)致大量頂板、兩幫支護(hù)區(qū)遭到破壞，巷道修復(fù)量日益增加[1]。深部巷道主要采用“錨網(wǎng)噴+錨索+U 型鋼支架”支護(hù)方式，國內(nèi)外尚無U型鋼棚梁抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，舊U 型鋼棚梁的拆除與新U 型鋼棚梁的安裝全部需要人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，效率低[2-3]。

國內(nèi)多家科研企業(yè)開發(fā)了多功能巷道修復(fù)機(jī)，通過快速切換設(shè)備工作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了巷道起底、破煤、擴(kuò)幫、裝煤、錨桿支護(hù)等多功能的機(jī)械化作業(yè)[4-5]。針對(duì)U 型鋼棚梁裝拆機(jī)械化作業(yè)需求，有必要設(shè)計(jì)一種U 型鋼棚梁安裝機(jī)械手，可完成舊U 型鋼棚梁的拆除和新U 型鋼棚梁（以下簡稱“棚梁”）安裝，同時(shí)可與現(xiàn)有巷修修復(fù)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)快速切換，從而有效提高巷修效率、降低巷道修復(fù)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要參數(shù)選取

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

棚梁拆裝的程序分析：拆除頂板舊棚梁→掏柱窩（切換工作機(jī)構(gòu)）→拆除側(cè)幫舊棚梁→擴(kuò)幫（切換工作機(jī)構(gòu)）→轉(zhuǎn)運(yùn)新棚梁至修復(fù)位置→安裝側(cè)幫新棚梁→安裝頂板新棚梁。

U 型鋼棚梁機(jī)械手的動(dòng)作分析：依據(jù)棚梁拆裝的工藝流程，將機(jī)械手的動(dòng)作分解為如下動(dòng)素，從而實(shí)現(xiàn)必要的能。

（1）抓取。棚梁在拆裝過程中，需要抓取棚梁，實(shí)現(xiàn)夾持、松脫以及與其他動(dòng)作協(xié)作實(shí)現(xiàn)拉拔、壓緊等復(fù)合動(dòng)作。

（2）移動(dòng)。新舊棚梁拆裝及轉(zhuǎn)運(yùn)需要將棚梁移動(dòng)至目標(biāo)位置，移動(dòng)動(dòng)作需要覆蓋整個(gè)巷道工作面（包括巷道斷面及巷道長度方向）。

（3）翻轉(zhuǎn)。在新棚梁拆裝和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，因巷道空間狹小，棚梁移動(dòng)過程中會(huì)受到巷道兩幫和頂板的阻擋，需要通過翻轉(zhuǎn)來避免二者干涉。

（4）定位。為保證新棚梁安裝的正確位置，棚梁在通過移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)后，還需要對(duì)棚梁位置進(jìn)行微調(diào)。

（5）聯(lián)接。與現(xiàn)有巷修修復(fù)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)快速切換。

機(jī)械手的組成及工作原理：按抓取、移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)等5 個(gè)動(dòng)素要求，設(shè)計(jì)了棚梁安裝機(jī)械手，其主要由連接座、回轉(zhuǎn)裝置Ⅰ、回轉(zhuǎn)座、固定座、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)Ⅱ、夾鉗油缸、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等7 個(gè)部分組成：連接座通過兩水平銷軸與原巷修機(jī)工作機(jī)構(gòu)接口固定聯(lián)接，通過豎直銷軸與回轉(zhuǎn)座鉸接，并通過回轉(zhuǎn)裝置Ⅰ實(shí)現(xiàn)棚梁的水平位置微調(diào)；回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ與回轉(zhuǎn)座固定聯(lián)接并驅(qū)動(dòng)固定座，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作；執(zhí)行機(jī)構(gòu)與固定座鉸接，通過夾鉗油缸作用完成開合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。巷道修復(fù)機(jī)的三自由度工作臂和整機(jī)行走以完成棚梁移動(dòng)動(dòng)作（圖1）。

圖1 U 型鋼棚梁安裝機(jī)械手的基本組成

1.2 主要參數(shù)選取

1.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾持力的計(jì)算

根據(jù)單個(gè)棚梁的最大重量，為得到較可靠地夾持力，防治棚梁掉落事故發(fā)生，要求該夾持力大于3 t。夾持力由夾鉗油缸提供，故夾持力其中，D 為夾鉗油缸活塞直徑，P 為夾鉗油缸工作壓力。

1.2.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的選型

如圖2 所示，回轉(zhuǎn)裝置Ⅰ所受徑向載荷Fr1、軸向載荷Ft1、傾覆力矩T1和回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ所受徑向載荷Fr2、軸向載荷Ft2、傾覆力矩T2分別為：

式中 F1——工作臂挖斗油缸拉力

G1——回轉(zhuǎn)裝置Ⅰ、回轉(zhuǎn)座和連接座三者重力之和

G21——回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ、固定座、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、夾鉗油缸四者重力之和

G3——單個(gè)棚梁重力

其中，F(xiàn)1可由計(jì)算得出，Dw、dw分別為挖斗油缸無桿腔和有桿腔直徑。

圖2 機(jī)械手受力分析

根據(jù)兩回轉(zhuǎn)裝置的載荷分析，并考慮安裝尺寸約束，選用WE14 型回轉(zhuǎn)式減速器作為回轉(zhuǎn)裝置Ⅰ、Ⅱ的驅(qū)動(dòng)，其輸出轉(zhuǎn)矩為10.8 kN·m，軸向靜載760 kN，徑向靜載300 kN，減速比為86:1。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和有限元分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

通過對(duì)機(jī)械手進(jìn)行多體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以驗(yàn)證所該機(jī)械手抓取和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作的可靠性。建立基于ADAMS 的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真模型，完成零部件質(zhì)量信息、位置以及約束的添加、運(yùn)動(dòng)求解[6-7]。

仿真結(jié)果：提取回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ與夾鉗油缸處運(yùn)動(dòng)曲線（圖3），0～3 s 階段，隨著左右夾鉗油缸的縮回動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開口逐漸增大至最大值，便于執(zhí)行機(jī)構(gòu)插入U(xiǎn) 型棚梁兩側(cè)；4～5 s 階段，隨著左右夾鉗油缸的伸出動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鉗口逐漸變小直至夾緊棚梁；5～10 s 階段，回轉(zhuǎn)裝置角速度增加，說明回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ可實(shí)現(xiàn)棚梁的翻轉(zhuǎn)；10～15 s 階段，回轉(zhuǎn)裝置角速度反向增加，說明回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ可反向翻轉(zhuǎn)棚梁。在回轉(zhuǎn)裝置動(dòng)作階段（5～15 s），夾鉗油缸通過保壓將夾持力保持恒定，從而防止棚梁的松脫。由仿真結(jié)果可知，該型機(jī)械手的夾持、翻轉(zhuǎn)等功能動(dòng)作可靠，可滿足棚梁拆裝要求[8]。

2.2 有限元分析

基于SolidWorks Simulation 仿真分析模塊，對(duì)機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)件（包括回轉(zhuǎn)座、連接座、固定座以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)）進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足材料強(qiáng)度要求。所有材料選為16Mn 合金鋼，屈服應(yīng)力為345 MPa。

圖3 機(jī)械仿真手運(yùn)動(dòng)曲線

2.2.1 回轉(zhuǎn)座和連接座強(qiáng)度分析

由圖4a 可知，在連接座與回轉(zhuǎn)裝置Ⅰ連接處，連接座所受主應(yīng)力值最大，約100 MPa，滿足材料強(qiáng)度要求。由圖4b可知，回轉(zhuǎn)座與回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ連接處，回轉(zhuǎn)座主應(yīng)力值最大，約210 MPa，小于材料屈服應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。

2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和固定座的強(qiáng)度分析

由圖5a 可知，固定座與回轉(zhuǎn)裝置Ⅱ連接處，固定座所受主應(yīng)力最大，約189 MPa，小于材料屈服應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。由圖5b 可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩銷孔處主應(yīng)力最大約196 MPa，小于材料屈服應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。

圖4 連接座和回轉(zhuǎn)座主應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用程序分析、動(dòng)作分析方法，設(shè)計(jì)了的U 型鋼棚梁安裝機(jī)械手，可配合巷道修復(fù)機(jī)工作臂完成棚梁的抓取、移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和定位等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了棚梁拆裝、轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)械化作業(yè)。

（2）運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析方法，研制了該型機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 固定座、執(zhí)行機(jī)構(gòu)主應(yīng)力云圖

（3）該型機(jī)械手可有效集成在各種巷道修復(fù)機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)快速拆裝，可有效提升巷道修復(fù)效率。