鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂設(shè)計(jì)中的靜力學(xué)分析

劉勁蒼，范岳柏

(湖南省地勘局探礦機(jī)械研制中心，長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

傳統(tǒng)鉆具排放系統(tǒng)需要工人直接接觸鉆桿，操作的危險(xiǎn)性大，容易造成安全事故，且工作效率較低。為了改善這一問(wèn)題，鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)外在這一領(lǐng)域的研究已具有較長(zhǎng)的歷史，但是我國(guó)的進(jìn)展仍較為遲緩[1,2]?；谶@個(gè)背景，本文結(jié)合當(dāng)前自動(dòng)排放機(jī)械臂的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其中的靜力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析與計(jì)算，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造提供理論基礎(chǔ)。

1 鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂的計(jì)算參數(shù)

在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)的分析時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)正常工作時(shí)所能出現(xiàn)的最大載荷作為靜力學(xué)計(jì)算的數(shù)據(jù)。參照陸地鉆機(jī)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，鉆具自動(dòng)排放系統(tǒng)能夠操縱的鉆鋌是最大載荷，一般以長(zhǎng)度為9.45 m，外徑為254 mm，質(zhì)量為3420.9 kg的鉆鋌參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本文將型號(hào)為NC70-100的鉆鋌作為載荷參考對(duì)象，對(duì)鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，鉆鋌尺寸參數(shù)等見(jiàn)表1。

表1 NC70-100鉆鋌參數(shù)

2 鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂設(shè)計(jì)中的靜力學(xué)計(jì)算

2.1 機(jī)械手的分類及選取

手部驅(qū)動(dòng)裝置(又稱為抓取機(jī)構(gòu))、手指結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)是液壓機(jī)械手夾持工件時(shí)預(yù)緊力的大小。為了保證機(jī)械手始終保持夾緊的工作狀態(tài)，機(jī)械手夾持立根所產(chǎn)生的夾緊力應(yīng)該抵消掉鉆桿自重產(chǎn)生的靜載荷和立根在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的動(dòng)載荷，如立根運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力或慣性力距。在這個(gè)過(guò)程中，由于排放系統(tǒng)的操作臂運(yùn)行速度較小，其加速度導(dǎo)致的慣性力距和慣性力不予考慮。

工程上常根據(jù)抓持工件的工作原理對(duì)機(jī)械手進(jìn)行分類，主要包括夾持以及吸附兩大分類，本文所討論的機(jī)械手是夾持式。夾持類的手部結(jié)構(gòu)分為手指回轉(zhuǎn)型和平移型兩種。平移型手指主要依靠手指的平行移動(dòng)完成夾持動(dòng)作，適用于平板材料和矩形材料的夾持。平移型手指具有夾持不同半徑的圓棒材料不會(huì)導(dǎo)致中心偏移的優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、尺寸較大，加工精度要求較高?；剞D(zhuǎn)型手指完成夾持動(dòng)作主要依靠指根的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)樞軸支點(diǎn)數(shù)的不同，分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。這種類型的手指具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外型小巧的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于不同的工件會(huì)造成一定程度的定位偏差[3]。

本文設(shè)計(jì)的鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂所抓取的立根為圓柱形，直徑66.04～254.00 mm，在立根盒內(nèi)排放鉆桿立根時(shí)，兩立根之間的間距較小，因此系統(tǒng)本身在水平方向上應(yīng)盡量占最少的空間，才能順利地抓持住立根。此外，由于對(duì)立根在機(jī)械手內(nèi)的位置精確度沒(méi)有較高的要求，采用全自動(dòng)化的系統(tǒng)既可以對(duì)立根進(jìn)行修正，也能夠完成自動(dòng)鎖緊和松扣的動(dòng)作。結(jié)合不同類型機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)最終選擇雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾持式機(jī)械手，并根據(jù)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求，驅(qū)動(dòng)方式選擇為液壓驅(qū)動(dòng)。

2.2 上機(jī)械臂的靜力計(jì)算

將液壓缸2提升使其液壓桿為回縮狀態(tài)，分析此時(shí)的上機(jī)械臂所受的靜力，計(jì)算出平移液壓缸1工作時(shí)的壓力。圖1為上機(jī)械臂的受力簡(jiǎn)圖，其中夾緊式機(jī)械手結(jié)構(gòu)用EFGH代指，連桿BE和y軸之間的夾角為α，其取值范圍為20°～55°，A、B、C為連接處。

圖1 上機(jī)械臂受力簡(jiǎn)圖

計(jì)算所用到的參數(shù)數(shù)值分別為：lAB=lBD-lDE=0.5lCF=1819 mm，lEF=869 mm，lBE=lCF=3638 mm，lEH=601.8 mm。

圖2為EFGH機(jī)構(gòu)的受力圖，建立E點(diǎn)的力矩平衡公式，即：

ME=FFClEFsinα-mglEH=0

(1)

(2)

圖2 E點(diǎn)受力分析圖

EFGH機(jī)構(gòu)的受力分析圖如圖3所示，BE、CF連桿在機(jī)械手上的作用力分別用FE、FFC表示，θ為FE和y軸的夾角，α為FFC和mg的夾角，得出FE計(jì)算見(jiàn)公式(3)：

(3)

根據(jù)力的平衡原理，得出下列公式：

FFCsinα=FEsinθ

(4)

mg=FFCcosα+FEcosθ

(5)

根據(jù)公式(4)、(5)，得出θ的計(jì)算公式：

(6)

(7)

圖3 EFGH機(jī)構(gòu)受力分析圖

B點(diǎn)的受力分析圖如圖4所示，建立B點(diǎn)的平衡方程，即：

(8)

對(duì)式(8)求解，可得：

(9)

圖5、圖6分別為連桿BE和下支架的受力簡(jiǎn)圖，根據(jù)力平衡的原理得出液壓缸作用在下支架上的力Fy，即：

(10)

圖5 BE連桿的受力分析圖

圖6 下支架的受力分析圖

根據(jù)以上公式可求得Fy的值，且能夠得出Fy與α的曲線關(guān)系，如圖7所示。根據(jù)曲線圖可知，當(dāng)α為55°時(shí)，F(xiàn)y最大為184 972.3 N。

圖7 FA和α的曲線關(guān)系圖

進(jìn)一步研究提升液壓缸的工作壓力時(shí)，連桿AD的受力情況見(jiàn)圖8。

圖8 AD連桿的受力圖

根據(jù)力平衡關(guān)系可以得出，提升液壓缸時(shí)對(duì)AD連桿的作用力FA，見(jiàn)公式(11)：

(11)

其中，α的范圍為20°～55°，通過(guò)以上公式能夠求得FA值，且能夠得出FA與α的曲線關(guān)系，如圖9所示。根據(jù)曲線圖可知，當(dāng)α=20°時(shí)，F(xiàn)A最大為393 931.9 N。

圖9 FA和α的曲線關(guān)系

3 結(jié)論

本文以?shī)A持NC70-100鉆鋌為例，對(duì)鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂所涉及的靜力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析，計(jì)算出各個(gè)力的方程式解，得出了上機(jī)械臂的工作壓力，并繪出機(jī)械臂的工作壓力曲線，為鉆具自動(dòng)排放機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。