CN111677466B - 一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置及加杆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置及加杆方法，包括给进装置、动力头、夹持器、主动钻杆、钻杆仓和机械臂；机械臂包括机械臂外套、第一驱动单元、机械臂内套、手爪机构和第一伸缩油缸；钻杆仓包括外仓、内仓、升降机构、推出油缸；机械臂能从钻杆仓夹持钻杆，并将其送入钻孔中心线，与动力头主动钻杆配合实现钻杆的加接；手爪机构具备自补偿浮动功能，能补偿人工操作过程中出现的上扣速度与给进速度不匹配的问题。本发明配套采用卡盘式动力头加单夹持器结构，自动化高、控制系统简单可靠、操作简单、易与现有常规钻机集成，能满足钻机主轴倾角在±90°范围内的钻杆加接。

Description

一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置及加杆方法

技术领域

本发明属于煤矿钻机装备技术领域，具体涉及一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置及加杆方法。

背景技术

煤矿井下坑道钻机广泛应用于煤矿井下探放水、瓦斯抽采、顶底板注浆、地质构造勘探、大直径卸压等施工。不同于地面施工，受制于煤矿井下空间狭小、钻探工艺复杂、钻孔倾角范围大及设备功率能力大等复杂条件，能成功推广应用的自动加杆装置甚少，大部分煤矿井下坑道钻机仍然采用人工上装钻杆方式。施工人员需将钻杆人力送至给进装置中部或后部，再由另一操作人员操作动力头，配合完成钻杆丝扣的拧紧，当开孔高度较高或角度较大时，还需要施工人员攀爬至高处，整个过程劳动强度较大，并需要多人配合进行，施工效率低，若出现操作不当，易发生安全事故。现有报道的煤矿井下自动加杆钻机在结构上大多采用无卡盘式动力头加双夹持器结构，这与各大矿区上保有量最大、使用最普遍的卡盘式动力头加单夹持器结构区别明显；在加杆功能方面，大多都是将钻杆放入夹持器中，机械臂本身无法配合动力头完成丝扣拧合。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置及加杆方法，以解决普通人力加杆过程中的劳动强度大、效率低、安全风险大等问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，包括给进装置、动力头和夹持器，所述动力头能沿给进装置的直线滑轨移动且动力头夹持有主动钻杆，主动钻杆与夹持器同轴相对；还包括分别设在所述给进装置两侧且相对的钻杆仓和机械臂；

所述机械臂能从钻杆仓夹持钻杆，并将其送入钻孔中心线，与动力头主动钻杆配合实现钻杆的加接；机械臂包括：机械臂外套、与机械臂外套滑动连接且固定在给进装置侧部以驱动机械臂外套沿垂直于给进装置方向伸缩的第一驱动单元、设在机械臂外套内的机械臂内套、设在机械臂内套一端且伸出机械臂外套的靠近给进装置的手爪机构以及连接在机械臂内套和机械臂外套之间的第一伸缩油缸以驱动机械臂内套及手爪机构在垂直于给进装置方向伸缩；

所述钻杆仓包括：安装在给进装置一侧且顶部和外侧壁均开口的外仓、设在外仓内且底部贯通的内仓、设在外仓内底部的升降机构；所述外仓两侧分别设有推出油缸且该推出油缸与内仓两侧铰接以推动内仓转动；所述外仓上方两端设有挡板，挡板下端设有第一限位块以限制内仓中位于顶部的钻杆使其与手爪机构保持同轴，在挡板上还设有档杆机构以使内仓中位于顶部的钻杆只在手爪机构抓持时能横移出钻杆仓。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述第一驱动单元包括固定在给进装置侧部且位于机械臂外套下方的连接底座、设在连接底座上端且与机械臂外套平行的轨座以及安装在连接底座上且与轨座平行的第二伸缩油缸；

所述机械部外套下方设有平行的导轨，该导轨与所述轨座配合安装；第二伸缩油缸的活塞杆通过连接件连接机械臂外套，以驱动机械臂沿轨座移动。

具体的，所述机械臂外套和机械臂内套均为方形钢管结构且二者之间不接触，在机械臂外套的四个侧壁上均设有矩形通孔；在机械臂外套上设有间隙调整机构以调整机械臂外套和机械臂内套之间的间隙；

所述间隙调整机构包括覆盖在所述矩形通孔上且固定在机械臂外套上并与机械臂外套平行的固定板、设在矩形通孔内且位于固定板和机械臂内套外壁之间并与固定板平行的耐磨滑块以及垂直贯通固定板并顶在耐磨滑块上以调节机械臂内套和机械臂外套间隙的调节螺栓。

具体的，所述手爪机构包括：后爪、设在后爪内的后爪卡瓦、与后爪上部通过铰接轴铰接的前爪、设在前爪内的前爪卡瓦、固定在后爪上端的抓手油缸且该抓手油缸与前爪的上部铰接以通过抓手油缸的伸缩控制前爪绕后爪和前爪的铰接轴转动从而控制前爪和后爪的开合；所述后爪后侧设有第一安装环。

具体的，所述手爪机构还连接有轴向自补偿浮动机构，轴向自补偿浮动机构包括：固定在机械臂内套前端且与后爪后侧壁平行相对的安装座、位于安装座上且设在第一安装环两侧的第二安装环、水平贯穿第一安装环和第二安装环且与动力头中心线平行的滑动轴；在滑动轴上依次套设螺母、所述第二安装环、弹簧上顶柱、调整垫环、弹簧、弹簧下顶柱、所述第一安装环、弹簧下顶柱、弹簧、调整垫环、弹簧上顶柱、所述第二安装环和螺母；

后爪的第一安装环与滑动轴的间隙内设有耐磨自润滑轴套。

具体的，所述机械臂外套和手爪机构之间连接有扶正机构，扶正机构包括：平行固定在机械臂外套侧壁上的扶正架和固定在扶正架端部的扶正块；所述扶正块为U形结构，扶正块的开口水平朝向钻杆仓，当第二伸缩油缸完全缩回时，扶正块开口的中心线与动力头的中心线重合；所述扶正块与扶正架之间设有调整垫以调整扶正机构的中心轴线的偏移量。

具体的，所述外仓与给进装置一侧螺接固定，安装面设有调整垫片以调整钻杆距动力头中心轴线的距离；外仓和内仓通过一组销轴和一组推出油缸相连，推出油缸伸出或缩回时，内仓沿销轴转动；

所述外仓的紧贴给进装置的侧壁上设有第二限位块以使内仓在收回状态下保持竖直；

所述内仓前壁内和后壁内均设有两个燕尾槽轨道，燕尾槽轨道插有滑条I并通过固定块固定在燕尾槽轨道上；内仓前壁上的滑条I与后壁上的滑条I两两相对；内仓左右两个侧壁内均设有滑条II，两个滑条II相对应且在滑条II上设有竖向弧形凸起；

所述升降机构为剪叉升降装置，其采用剪叉式原理，其平台长度在两侧滑条I之间，宽度小于内仓宽度，通过螺栓连接于外仓内部下端，当内仓完全收回竖直时，剪叉升降装置竖直向上推送钻杆直至顶部使第一根钻杆接触外仓顶部的第一限位块；第一限位块为可调限位块以保证手爪机构与待加钻杆轴线重合；

具体的，所述档杆机构包括挡片、设在挡片上端的套环、设在套环上端的横板、穿过套环的销轴、套在销轴两端的轴套、设在轴套和套环之间的扭簧以及设在销轴两端的两个卡键；两个卡键之间的距离小于横板的宽度以能对横板的转动进行限位；所述套环的中轴线与挡片平行。

本发明还给出一种所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置的加杆方法，包括以下步骤：

步骤1，将钻机动力头退回至给进装置后端；

步骤2，保持钻杆仓推出油缸完全收回；

步骤3，操作升降机构将待加钻杆举升至钻杆仓顶部；

步骤4，完全缩回第二伸缩油缸并完全伸出第一伸缩油缸，将手爪机构送至钻杆仓，并与待加钻杆轴线重合；

步骤5，伸出抓手油缸使前爪和后爪加紧待加钻杆；

步骤6，完全缩回第一伸缩油缸使手爪机构带着待加钻杆移至与钻机动力头轴线重合；

步骤7，动力头小转矩、慢速回转，并使给进装置中的给进油缸向前运动，此时动力头主动钻杆与待加钻杆进行丝扣拧合，轴向自补偿浮动机构运行；

步骤8，当待加钻杆与动力头主动钻杆丝扣完全对合后，主动钻杆带动待加钻杆与前爪卡瓦和后爪卡瓦产生相对滑动，然后停止回转、给进；

步骤9，缩回抓手油缸，前爪和后爪即松开待加钻杆；

步骤10，伸出第二伸缩油缸，使机械臂让出给进装置外侧；

步骤11，打开夹持器，操作动力头回转和给进进行钻进。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

1、本发明通过机械臂、钻杆仓、动力头三个部件的配合可完成钻杆与主动钻杆间丝扣连接，无需人力搬运或攀爬至高处，省时省力，施工效率高，安全可靠。

2、整个控制系统为全液压系统，无需电控或其他复杂控制系统；

3、机械臂、杆仓集成于给进装置两侧，钻进倾角及方位角与给进装置保持同步，能实现钻机钻进倾角±90°范围内的钻杆加接，重心位置较好，运输状态下机械臂可收回，集成后整机占用无增大(占用空间小)。

4、机械臂无需将钻杆送入夹持器，可直接与动力头配合完成丝扣拧合，手爪采用轴向自补偿浮动式设计，可自行补偿给进速度与上扣速度出现的偏差。

5、钻杆仓钻杆成竖列布置，剪叉油缸式举升机构带动整列钻杆上升直至最上面一根钻杆到达待夹持位置，钻杆上升过程中仅与自润滑滑块接触，可满足与钻机轴线夹角在±90°范围内的钻杆上杆，实现全覆盖。

6、设计了机械臂间隙调整机构，内套外套间隙可调，降低了外套内表面的加工精度要求，在长时间使用过程中可保持内外套间的配合间隙要求，运行精度高。

7、整个装置卡瓦和滑条采用可通用接口，通过安装不同型号的以上部件配套使用不同规格的钻杆。

8、整套加杆装置可与常规卡盘式钻机集成，无需新增其他部件或改变其主要结构。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明机械臂整体结构示意图；

图3为本发明间隙调整机构示意图；

图4为本发明手爪机构和轴向自补偿浮动机构安装示意图；

图5为本发明的钻杆仓结构示意图；

图6为本发明的内仓转出后的结构示意图；

图7为本发明的挡杆机构示意图；

图8为本发明加杆状态示意图。

附图标号含义：

1-给进装置，2-动力头，3-夹持器，4-主动钻杆，5-调角装置，6-钻杆，7-钻杆仓，8-机械臂；

71-外仓，72-内仓，73-升降机构，74-推出油缸；

711-挡板，712-第一限位块，713-档杆机构，7131-挡片，7132-套环，7133-横板，7134-销轴，7135-轴套，7136-扭簧，7137-卡键，714-第二限位块；

721-滑条I，722-滑条II；

81-机械臂外套，82-第一驱动单元，83-机械臂内套，84-手爪机构，85-第一伸缩油缸，86-轴向自补偿浮动机构，87-扶正机构；

811-导轨，812-间隙调整机构，8121-固定板，8122-耐磨滑块，8123-调节螺栓；

821-连接底座，822-轨座，823-第二伸缩油缸；

841-后爪，842-前爪，843-抓手油缸；

861-安装座，862-第二安装环，863-滑动轴；

871-扶正架，872-扶正块。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明针对再用卡盘式动力头加单夹持器结构钻机开发，加杆机械臂可与动力头直接配合完成丝扣拧合，整套装置体积小、分布合理，采用纯液压控制系统，易于与现有大量在用非电控钻机直接集成，为煤矿井下坑道钻机的自动化升级革命提供了条件。完成钻杆上扣后机械臂可完全从给进装置中缩回，从而不影响钻进过程中动力头在给进装置上的往复运动；系统采用全液压控制，机械臂取杆、上扣、退出三个工作位置的切换由两组油缸配合限位机构实现；钻杆仓一次可装数根钻杆，并能通过底部的升降装置不断将仓内钻杆送入待夹持位置。本发明配套采用卡盘式动力头加单夹持器结构，自动化高、控制系统简单可靠、操作简单、易与现有常规钻机集成，能满足钻机主轴倾角在±90°范围内的钻杆加接，解决了现有煤矿井下坑道钻机普遍依靠人力加接钻杆，劳动强度大、安全风险大、效率低等问题。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

如图1至图8所示，本实施例给出一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，包括给进装置1、动力头2和夹持器3，动力头2能沿给进装置1的直线滑轨移动且动力头2夹持有主动钻杆4，主动钻杆4与夹持器3同轴相对；动力头2为钻机其提供回转转矩；给进装置1中的给进油缸能控制动力头2在给进装置1直线滑轨方向往复运动，即为钻具提供给进起拔力；主动钻杆被动力头2夹持以将转矩和推进力传递至孔内钻具；调角装置5可进行方位角、主轴倾角的调节；夹持器3用于夹持孔内钻具，并与动力头2配合可实现钻具的拧卸；还包括分别设在给进装置1两侧且相对的钻杆仓7和机械臂8以及设在给进装置1底部的能调节方位角和倾角的调角装置5。

机械臂8能从钻杆仓7夹持钻杆，并将其送入钻孔中心线，与动力头2主动钻杆配合实现钻杆的加接；机械臂8包括：机械臂外套81、与机械臂外套81滑动连接且固定在给进装置1侧部以驱动机械臂外套81沿垂直于给进装置1方向伸缩的第一驱动单元82、设在机械臂外套81内的机械臂内套83、设在机械臂内套83一端且伸出机械臂外套81的靠近给进装置1的手爪机构84以及连接在机械臂内套83和机械臂外套81之间的第一伸缩油缸85以驱动机械臂内套83及手爪机构84在垂直于给进装置1方向伸缩；

钻杆仓7包括：安装在给进装置1一侧且顶部和外侧壁均开口的外仓71、设在外仓71内且底部贯通的内仓72、设在外仓71内底部的升降机构73；外仓71两侧分别设有推出油缸74且该推出油缸74与内仓72两侧铰接以推动内仓72转动；外仓71上方两端设有挡板711，挡板711下端设有第一限位块712以限制内仓72中位于顶部的钻杆使其与手爪机构84保持同轴，在挡板711上还设有档杆机构713以使内仓72中位于顶部的钻杆只在手爪机构84抓持时能横移出钻杆仓7。

本实施例中，第一驱动单元82包括固定在给进装置1侧部且位于机械臂外套81下方的连接底座821、设在连接底座821上端且与机械臂外套81平行的轨座822以及安装在连接底座821上且与轨座822平行的第二伸缩油缸823；机械部外套81下方设有平行的导轨811，该导轨811与轨座822配合安装；第二伸缩油缸823的活塞杆通过连接件连接机械臂外套81，以驱动机械臂8沿轨座822移动。

具体的，第二伸缩油缸采用铰轴式连接，铰轴端连接连接底座，耳环端连接机械臂外套；在第二伸缩油缸的带动下，机械臂外套能沿着轨座滑动，进而使整个机械臂滑移。

具体的，机械臂外套与轨座间采用了耐磨导轨，使用过程中，可根据实际磨损情况可更换安装座中的滑移衬板；第一伸缩油缸伸出或缩回时，机械臂内套沿机械臂外套的内侧伸出或缩回；机械臂内套和机械臂外套在相对运动过程中不发生直接接触，依靠安装在机械臂外套上的耐磨滑块与机械臂内套相接触，间隙调整机构可调整机械臂内套与耐磨滑块间的间隙，这避免了因机加误差或耐磨滑块磨损造成的机械臂内套和机械臂外套间隙过大进而造成手爪机构位置精度下降的问题；通过第二伸缩油缸和第一伸缩油缸的互相配合，可实现机械臂抓杆、加杆、退出三个工作位置的调节；机械臂外套两侧设计有扶正机构，减小了机械臂抓取钻杆到动力头2中心轴线时或动力头2加杆上扣过程中待加接钻杆的偏移，保证了上扣的顺利进行；手爪机构与机械臂内套螺接固定，随机械臂内套同步运动，可实现钻杆的抓取。

本实施例中，通过第二伸缩油缸与第一伸缩油缸的配合可控制机械臂位于三个不同的工作位置即手爪中心的位置：

I、当第二伸缩油缸完全伸出，第一伸缩油缸完全缩回时，整个机械臂让开给进装置，动力头2可在给进装置上往复运动；

II、当第二伸缩油缸完全收回，第一伸缩油缸完全伸出时，手爪机构进入钻杆仓，其中心轴线与钻杆仓待加钻杆中心轴线重合；

III、当第二伸缩油缸与第一伸缩油缸都完全缩回时，手爪机构运动至钻孔中心轴线处，手抓轴线与动力头2中心轴线重合。

本实施例的机械臂外套81和机械臂内套83均为方形钢管结构且二者之间不接触，在机械臂外套81的四个侧壁上均设有矩形通孔；在机械臂外套81上设有间隙调整机构812以调整机械臂外套81和机械臂内套83之间的间隙；更具体的，间隙调整机构812包括覆盖在矩形通孔上且固定在机械臂外套81上并与机械臂外套81平行的固定板8121、设在矩形通孔内且位于固定板8121和机械臂内套83外壁之间并与固定板8121平行的耐磨滑块8122以及垂直贯通固定板8121并顶在耐磨滑块8122上以调节机械臂内套83和机械臂外套81间隙的调节螺栓8123；在调节螺栓上设有锁紧螺母；优选的，间隙调整机构靠近手爪机构设置；具体的固定板通过机械臂外套四周的螺孔与之相固定，固定板中部设计有四个螺栓孔，通过从外侧拧入调节螺栓可将部分螺栓从固定板内侧露出；耐磨滑块放置于机械臂外套四个外侧面的矩形通孔内，耐磨滑块一侧与机械臂内套外侧接触，另一侧与固定板拧入的调节螺栓相接触，通过调节拧入调节螺栓的位移量可实现机械臂内、机械臂外套的间隙调节，并可通过锁紧螺母锁紧。

本实施例的手爪机构主要用于钻杆的抓取，并配合钻机动力头2主动钻杆完成钻杆的加接。手爪机构84包括：后爪841、设在后爪内的后爪卡瓦、与后爪841上部通过铰接轴铰接的前爪842、设在前爪内的前爪卡瓦、固定在后爪上端的抓手油缸843且该抓手油缸843与前爪842的上部铰接以通过抓手油缸843的伸缩控制前爪842绕后爪841和前爪842的铰接轴转动从而控制前爪842和后爪841的开合；后爪841后侧设有第一安装环。

前爪与后爪通过销轴连接，抓手油缸采用铰接耳环式，铰轴端固定在后爪上部的安装槽与压板间，耳环端与前爪上部的耳座通孔相连接；抓手油缸的伸出或缩回，可使前爪绕销轴运动，从而实现对钻杆的抓紧、松开；后爪卡瓦和前爪卡瓦沿分别沿后爪、前爪的安装槽从侧方插入，前爪卡瓦和后爪卡瓦两侧均设有挡板，挡板通过螺栓固定在前爪两侧和后爪两侧，可根据使用钻杆的规格插入相对应后爪卡瓦和前爪卡瓦；后爪卡瓦与前爪卡瓦采用动摩擦因数较小的材料制成，通过控制标定抓手油缸加紧腔的液压压力限定值，可实现当待加钻杆丝扣上紧行程完全结束后，后爪卡瓦、前爪卡瓦与钻杆间的滑动运动，从而保护手爪机构。

在本实施例中，手爪机构84还连接有轴向自补偿浮动机构86，轴向自补偿浮动机构86包括：固定在机械臂内套83前端且与后爪841后侧壁平行相对的安装座861、位于安装座861上且设在第一安装环两侧的第二安装环862、水平贯穿第一安装环和第二安装环862且与动力头2中心线平行的滑动轴863；在滑动轴863上依次套设螺母、第二安装环862、弹簧上顶柱、调整垫环、弹簧、弹簧下顶柱、第一安装环、弹簧下顶柱、弹簧、调整垫环、弹簧上顶柱、第二安装环862和螺母；后爪841的第一安装环与滑动轴863的间隙内设有耐磨自润滑轴套，以降低后爪沿滑动轴运动过程中的摩擦力、提高滑动轴的使用寿命。

在本实施例中，设有两根滑动轴，具体的在后爪后侧壁设有上下位置的两个第一安装环，每个第一安装环两侧同轴布设两个第二安装环用以安装两个平行的滑动轴；两根滑动轴上依次设置的弹簧上顶柱、调整垫环、弹簧、弹簧下顶柱、第一安装环、弹簧下顶柱、弹簧、调整垫环和弹簧上顶柱通过滑动轴两侧的螺母限位固定，以上部件固定于安装座和后爪后壁之间；弹簧在滑动轴两端螺母的限位下处于预紧状态，通过调整垫环的数量来进行预紧力的调节；加杆过程中，当动力头2对手爪机构所夹持钻杆作用较大轴向力时包括拉力和压力，手爪机构及所夹持钻杆可沿滑动轴滑移，从而起到释放作用力、保护机械臂的作用，当动力头2作用力消失，手爪机构则在弹簧的作用下复位；

轴向自补偿浮动机构原理：

当操作动力头2主动钻杆回转给进与待加钻杆上扣的过程中，由于采用人工操作，给进速度与回转上扣的速度必定不相同。当给进速度大于上扣速度时，手抓受到到动力头2的向前的推力；当给进速度小于上扣速度时，手爪机构受到动力头2向后的拉力。手抓自补偿浮动机构在手爪机构的轴向两侧都设有复位弹簧，在以上两种情况下手爪机构整体会分别沿滑动轴向前、相后运动，待受力平衡结束或结束后复位。

本实施例的机械臂外套81和手爪机构84之间连接有扶正机构87，扶正机构87包括：平行固定在机械臂外套81侧壁上的扶正架871和固定在扶正架871端部的扶正块872；扶正块872为U形结构，扶正块872的开口水平朝向钻杆仓7，当第二伸缩油缸823完全缩回时，扶正块872开口的中心线与动力头2的中心线重合；扶正块872与扶正架871之间设有调整垫以调整扶正机构87的中心轴线的偏移量；扶正块上下两接触面附带一定锥度，当待加钻杆被手爪机构取至中心轴线时，扶正机构能辅助进行钻杆的扶正，防止手爪爪偏造成的钻杆丝扣与动力头2主动钻杆丝扣无法对接的问题；此外，在动力头2主动钻杆与待加钻杆上扣接触的过程中，扶正机构也能起到扶正作用，防止待加钻杆受力后偏离中心轴线。

外仓71与给进装置1一侧螺接固定，外仓71与给进装置1的安装面设有调整垫片以调整钻杆距动力头2中心轴线的距离；外仓71和内仓72通过一组销轴和一组推出油缸74相连，推出油缸74伸出或缩回时，内仓72沿销轴转动；外仓71的紧贴给进装置1的侧壁上设有第二限位块714以使内仓72在收回状态下保持竖直；当推出油缸完全缩回时，内仓收回至外仓内部，通过调节外仓的第二限位块来保证收回态下内仓竖直；当推出油缸完全伸出时，内仓绕销轴转动，内仓上开口完全伸出，可进行对内仓的填杆。

内仓72前壁内和后壁内均设有两个燕尾槽轨道，燕尾槽轨道插有滑条I721并通过固定块固定在燕尾槽轨道上；内仓72前壁上的滑条I721与后壁上的滑条I721两两相对；内仓72左右两个侧壁内均设有滑条II722，两个滑条II722相对应且在滑条II722上设有竖向弧形凸起；当内仓完全收回时，升降机构举升钻杆的过程中，钻杆仅与滑条I、滑条II接触，滑条I、滑条II采用自润滑材质制成，可大大降低摩擦力阻力；滑条II与钻杆的接触面采用弧形线接触设计，减小了与钻杆的接触面积，并采用与钻杆相近硬度的材料，可减小钻杆举升过程中的摩擦力。

升降机构73为剪叉升降装置，其采用剪叉式原理，其平台长度在两侧滑条I721之间，宽度小于内仓72宽度，通过螺栓连接于外仓71内部下端，当内仓72完全收回竖直时，剪叉升降装置竖直向上推送钻杆直至顶部使第一根钻杆接触外仓71顶部的第一限位块712；第一限位块712为可调限位块以保证手爪机构84与待加钻杆轴线重合；

钻杆仓上杆原理：

当推出油缸完全推出时，内仓上开口完全露出，可人工进行钻杆的装填。内仓内的钻杆在两侧滑条I的限位下，成列排布，装填完毕后收回推出油缸，内仓完全收回，在第二限位块的作用下可保持竖直，外仓底部安装的升降装置可沿竖直方向升降，其长度小于内仓中部空档的长度，升降过程中仅与最下面一根钻杆的底部接触，整列钻杆在升降装置的推动下向上运动，运的过程中钻杆仅与滑条I、滑条II接触，摩擦阻力小。直至本列顶部第一根钻杆的上表面与外仓的第一限位块接触时，上升受阻并停止，即钻杆到达待夹持高度。为防止钻杆沿内侧水平滑出，设置了档杆机构，可提供一定的预压力，保证钻杆不向外滑出，当手爪机构夹持钻杆水平移出时，油缸作用力大于档杆机构预压力，档杆机构打开，钻杆沿夹持路径移出，当钻杆离开档杆机构时，档杆机构自动复位。

本实施例外仓顶部内侧设置有档杆机构，保证了待加钻杆进入顶部后不向外顶出，并能在待加钻杆横移出钻杆仓时让出通道；档杆机构713包括挡片7131、设在挡片7131上端的套环7132、设在套环7132上端的横板7133、穿过套环7132的销轴7134、套在销轴7134两端的轴套7135、设在轴套7135和套环7132之间的扭簧7136以及设在销轴7134两端的两个卡键7137；两个卡键7137之间的距离小于横板7133的宽度以能对横板7133的转动进行限位保证安装后挡片以一定预压保持竖直；套环7132的中轴线与挡片7131平行。

当待加钻杆经剪叉升降装置递送至顶部时，档杆机构以其预压力保证钻杆静止；当待加钻杆在手爪机构的作用力下横向移出钻杆仓时，扭簧受到横向推力进一步压缩沿销轴转动，让开了移出通道；当待加钻杆完全移出杆仓后，受力消失后，扭簧自动复位，挡片竖直。

本实施例还设有调角装置5以进行方位角、主轴倾角的调节，具体的，调角装置设在给进装置1底部。

实施例2：

本实施例给出一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置的加杆方法，包括以下步骤：

步骤1，将钻机动力头退回至给进装置后端；

步骤2，保持钻杆仓推出油缸完全收回；

步骤3，操作升降机构将待加钻杆举升至钻杆仓顶部；

步骤4，完全缩回第二伸缩油缸并完全伸出第一伸缩油缸，将手爪机构送至钻杆仓，并与待加钻杆轴线重合；

步骤5，伸出抓手油缸使前爪和后爪加紧待加钻杆；

步骤6，完全缩回第一伸缩油缸使手爪机构带着待加钻杆移至与钻机动力头轴线重合；

步骤7，动力头小转矩、慢速回转，并使给进装置中的给进油缸向前运动，此时动力头主动钻杆与待加钻杆进行丝扣拧合，轴向自补偿浮动机构运行；

步骤8，当待加钻杆与动力头主动钻杆丝扣完全对合后，主动钻杆带动待加钻杆与前爪卡瓦和后爪卡瓦产生相对滑动，然后停止回转、给进；

步骤9，缩回抓手油缸，前爪和后爪即松开待加钻杆；

步骤10，伸出第二伸缩油缸，使机械臂让出给进装置外侧；

步骤11，打开夹持器，操作动力头回转和给进进行钻进。

实施例3：

本实施例提供一种对实施例1中的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置进行补杆的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，当需要对钻杆仓进行填补钻杆时，操作伸出推出油缸，内仓绕销轴转动，内仓上开口完全露出；

步骤2，人工将内仓钻杆填满；

步骤3，操作缩回推出油缸，钻杆内仓绕销轴转动回到外仓内，并保持竖直状态。

Claims (9)

1.一种煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，包括给进装置(1)、动力头(2)和夹持器(3)，所述动力头(2)能沿给进装置(1)的直线滑轨移动且动力头(2)夹持有主动钻杆(4)，主动钻杆(4)与夹持器(3)同轴相对；其特征在于，还包括分别设在所述给进装置(1)两侧且相对的钻杆仓(7)和机械臂(8)；

所述机械臂(8)能从钻杆仓(7)夹持钻杆，并将其送入钻孔中心线，与动力头(2)主动钻杆(4)配合实现钻杆的加接；机械臂(8)包括：机械臂外套(81)、与机械臂外套(81)滑动连接且固定在给进装置(1)侧部以驱动机械臂外套(81)沿垂直于给进装置(1)方向伸缩的第一驱动单元(82)、设在机械臂外套(81)内的机械臂内套(83)、设在机械臂内套(83)一端且伸出机械臂外套(81)的靠近给进装置(1)的手爪机构(84)以及连接在机械臂内套(83)和机械臂外套(81)之间的第一伸缩油缸(85)以驱动机械臂内套(83)及手爪机构(84)在垂直于给进装置(1)方向伸缩；

所述钻杆仓(7)包括：安装在给进装置(1)一侧且顶部和外侧壁均开口的外仓(71)、设在外仓(71)内且底部贯通的内仓(72)、设在外仓(71)内底部的升降机构(73)；所述外仓(71)两侧分别设有推出油缸(74)且该推出油缸(74)与内仓(72)两侧铰接以推动内仓(72)转动；所述外仓(71)上方两端设有挡板(711)，挡板(711)下端设有第一限位块(712)以限制内仓(72)中位于顶部的钻杆使其与手爪机构(84)保持同轴，在挡板(711)上还设有档杆机构(713)以使内仓(72)中位于顶部的钻杆只在手爪机构(84)抓持时能横移出钻杆仓(7)。

2.如权利要求1所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述第一驱动单元(82)包括固定在给进装置(1)侧部且位于机械臂外套(81)下方的连接底座(821)、设在连接底座(821)上端且与机械臂外套(81)平行的轨座(822)以及安装在连接底座(821)上且与轨座(822)平行的第二伸缩油缸(823)；

所述机械臂外套(81)下方设有平行的导轨(811)，该导轨(811)与所述轨座(822)配合安装；第二伸缩油缸(823)的活塞杆通过连接件连接机械臂外套(81)，以驱动机械臂(8)沿轨座(822)移动。

3.如权利要求1所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述机械臂外套(81)和机械臂内套(83)均为方形钢管结构且二者之间不接触，在机械臂外套(81)的四个侧壁上均设有矩形通孔；在机械臂外套(81)上设有间隙调整机构(812)以调整机械臂外套(81)和机械臂内套(83)之间的间隙；

所述间隙调整机构(812)包括覆盖在所述矩形通孔上且固定在机械臂外套(81)上并与机械臂外套(81)平行的固定板(8121)、设在矩形通孔内且位于固定板(8121)和机械臂内套(83)外壁之间并与固定板(8121)平行的耐磨滑块(8122)以及垂直贯通固定板(8121)并顶在耐磨滑块(8122)上以调节机械臂内套(83)和机械臂外套(81)间隙的调节螺栓(8123)。

4.如权利要求2所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述手爪机构(84)包括：后爪(841)、设在后爪内的后爪卡瓦、与后爪(841)上部通过铰接轴铰接的前爪(842)、设在前爪内的前爪卡瓦、固定在后爪上端的抓手油缸(843)且该抓手油缸(843)与前爪(842)的上部铰接以通过抓手油缸(843)的伸缩控制前爪(842)绕后爪(841)和前爪(842)的铰接轴转动从而控制前爪(842)和后爪(841)的开合；所述后爪(841)后侧设有第一安装环。

5.如权利要求4所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述手爪机构(84)还连接有轴向自补偿浮动机构(86)，轴向自补偿浮动机构(86)包括：固定在机械臂内套(83)前端且与后爪(841)后侧壁平行相对的安装座(861)、位于安装座(861)上且设在第一安装环两侧的第二安装环(862)、水平贯穿第一安装环和第二安装环(862)且与动力头(2)中心线平行的滑动轴(863)；在滑动轴(863)上依次套设螺母、所述第二安装环(862)、弹簧上顶柱、调整垫环、弹簧、弹簧下顶柱、所述第一安装环、弹簧下顶柱、弹簧、调整垫环、弹簧上顶柱、所述第二安装环(862)和螺母；后爪(841)的第一安装环与滑动轴(863)的间隙内设有耐磨自润滑轴套。

6.如权利要求2所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述机械臂外套(81)和手爪机构(84)之间连接有扶正机构(87)，扶正机构(87)包括：平行固定在机械臂外套(81)侧壁上的扶正架(871)和固定在扶正架(871)端部的扶正块(872)；所述扶正块(872)为U形结构，扶正块(872)的开口水平朝向钻杆仓(7)，当第二伸缩油缸(823)完全缩回时，扶正块(872)开口的中心线与动力头(2)的中心线重合；

所述扶正块(872)与扶正架(871)之间设有调整垫以调整扶正机构(87)的中心轴线的偏移量。

7.如权利要求1所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述外仓(71)与给进装置(1)一侧螺接固定，外仓(71)与给进装置(1)的安装面设有调整垫片以调整钻杆距动力头(2)中心轴线的距离；外仓(71)和内仓(72)通过一组销轴和一组所述推出油缸(74)相连，推出油缸(74)伸出或缩回时，内仓(72)沿销轴转动；

所述外仓(71)的紧贴给进装置(1)的侧壁上设有第二限位块(714)以使内仓(72)在收回状态下保持竖直；

所述内仓(72)前壁内和后壁内均设有两个燕尾槽轨道，燕尾槽轨道插有滑条I(721)并通过固定块固定在燕尾槽轨道上；内仓(72)前壁上的滑条I(721)与后壁上的滑条I(721)两两相对；内仓(72)左右两个侧壁内均设有滑条II(722)，两个滑条II(722)相对应且在滑条II(722)上设有竖向弧形凸起；

所述升降机构(73)为剪叉升降装置，其采用剪叉式原理，其平台长度在两侧滑条I(721)之间，宽度小于内仓(72)宽度，通过螺栓连接于外仓(71)内部下端，当内仓(72)完全收回竖直时，剪叉升降装置竖直向上推送钻杆直至顶部使第一根钻杆接触外仓(71)顶部的第一限位块(712)；第一限位块(712)为可调限位块以保证手爪机构(84)与待加钻杆轴线重合。

8.如权利要求1所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置，其特征在于，所述档杆机构(713)包括挡片(7131)、设在挡片(7131)上端的套环(7132)、设在套环(7132)上端的横板(7133)、穿过套环(7132)的销轴(7134)、套在销轴(7134)两端的轴套(7135)、设在轴套(7135)和套环(7132)之间的扭簧(7136)以及设在销轴(7134)两端的两个卡键(7137)；两个卡键(7137)之间的距离小于横板(7133)的宽度以能对横板(7133)的转动进行限位；所述套环(7132)的中轴线与挡片(7131)平行。

9.一种权利要求5所述的煤矿井下坑道钻机用自动加杆装置的加杆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将钻机动力头退回至给进装置后端；

步骤2，保持钻杆仓推出油缸完全收回；

步骤3，操作升降机构将待加钻杆举升至钻杆仓顶部；

步骤4，完全缩回第二伸缩油缸并完全伸出第一伸缩油缸，将手爪机构送至钻杆仓，并与待加钻杆轴线重合；

步骤5，伸出抓手油缸使前爪和后爪加紧待加钻杆；

步骤6，完全缩回第一伸缩油缸使手爪机构带着待加钻杆移至与钻机动力头轴线重合；

步骤7，动力头小转矩、慢速回转，并使给进装置中的给进油缸向前运动，此时动力头主动钻杆与待加钻杆进行丝扣拧合，轴向自补偿浮动机构运行；

步骤8，当待加钻杆与动力头主动钻杆丝扣完全对合后，主动钻杆带动待加钻杆与前爪卡瓦和后爪卡瓦产生相对滑动，然后停止回转、给进；

步骤9，缩回抓手油缸，前爪和后爪即松开待加钻杆；

步骤10，伸出第二伸缩油缸，使机械臂让出给进装置外侧；

步骤11，打开夹持器，操作动力头回转和给进进行钻进。

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