一种煤矿井下自动化钻杆管理系统及方法与流程

技术领域：

本发明涉及钻杆管理系统，具体涉及一种煤矿井下自动化钻杆管理系统及方法。

背景技术：
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夹紧机构的出现，很大程度上解决了以往加持不牢固，人工操作不便，以及人工操作所带来的风险性等诸多问题，极大地解放了双手，降低了生产生活过程中所带来的各种危害，极大地降低了生产成本，促进国民经济的快速发展。

然而，目前市场上流动的各种类型的夹紧机构，种类繁多，结构复杂，不但体积较大，自成一体，而且拆卸装修极为不便，特别是目前井下各种钻机钻孔、打眼的过程中人工上、下钻杆费时费力，平均拆装一根钻杆耗时10分钟以上，与此同时当在一个工作地点打钻结束后进行转场时，由于钻杆数量较多(500根)，重量较大对于人工搬运来说是一个极大的挑战，上述所有弊端对于井下高效的工作效率来说是一个软肋。而且在井下人工拆卸钻杆安全隐患较大，稍有不慎会造成严重的伤亡事故。

因此，亟需研究一种更经济适用的煤矿井下自动化钻杆管理系统及方法，以满足人们的使用需求。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种能够自动对钻杆进行管理及输送的煤矿井下自动化钻杆管理系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种煤矿井下自动化钻杆管理系统，包括钻杆箱，在所述钻杆箱横向的两侧分别开设有钻杆出口和钻杆进口，所述钻杆出口处和钻杆进口处分别沿横向设置有入口倾斜平台和出口倾斜平台，所述入口倾斜平台包括入口倾斜段和入口水平段，所述出口倾斜平台包括出口上倾斜段和出口下倾斜段，且所述入口水平段和所述出口下倾斜段均朝向所述钻杆箱的箱体外侧，在所述出口下倾斜段朝向箱体外侧的端部设置有出口平台，在所述出口倾斜平台的出口上倾斜段朝向彼此的端面上设置有倾斜滑道，所述入口倾斜平台的入口倾斜段沿纵向的两侧也设置有倾斜滑道，所述倾斜滑道包括上滑道和下滑道，在所述钻杆箱的箱体内壁沿纵向设置有多个链轮轴，所述链轮轴的两端部分别固设有链轮，所述链轮上架设有链条，所述钻杆箱一侧固定有防爆步进电机，所述防爆步进电机的输出轴连接其中一个链轮轴，带动所述链轮轴转动，以驱动所述链条运动，所述链条上沿纵向设置有多个第一连接板，所述第一连接板的两端部分别固接有机械爪，用以抓握钻杆，所述机械爪包括第二连接板，所述第二连接板上枢接有第一卡爪和第二卡爪，在所述第一卡爪和第二卡爪上部设置有第一凸台，所述第一卡爪下部铰接有锁具开关板，所述锁具开关板的端部开设的钩型槽与所述第二卡爪上设置的第二凸台相配合，所述锁具开关板上设置有第三凸台，当所述机械爪运动至所述倾斜滑道时，所述第一凸台在所述上滑道内运动，所述第三凸台在所述下滑道内运动，所述上滑道和下滑道限制所述第一凸台和第三凸台的运动轨迹，以改变所述第一凸台和第三凸台之间的距离，使所述钩型槽卡持或者松开所述第二凸台，实现所述机械爪对所述钻杆的抓握或者松开。

所述链条在所述钻杆箱的箱体内呈侧向凹形分布，在其内凹处沿纵向设置有u型导向支架，所述u型导向支架包括沿纵向设置在箱体内壁的支架横梁，在所述支架横梁一侧的两端部均设置有u型连接板，所述链条绕过所述u型连接板的外表面。

所述u型连接板的外表面上还设置有u型挡板，所述u型挡板在所述u型连接板上形成u型轨道槽，所述链条位于所述u型轨道槽中，用以限位所述链条。

所述上滑道包括第一水平段、第二水平段和第三水平段，所述第一水平段和第三水平段的高度一致，所述第二水平段的高度低于所述第一水平段，所述第二水平段和第一水平段、第三水平段之间分别通过第一倾斜段连接；所述下滑道包括第四水平段、第五水平段和第六水平段，所述第四水平段和第六水平段的高度一致，所述第五水平段的高度低于所述第四水平段，所述第五水平段和第四水平段、第六水平段之间分别通过第二倾斜段连接；且所述第四水平段的长度小于所述第一水平段，所述第五水平段的长度大于所述第二水平段，所述第六水平段小于所述第三水平段。

所述第一卡爪和第二卡爪通过销钉对称枢接于所述第二连接板上，所述第一卡爪和第二卡爪相互配合，抓握住所述钻杆，所述销钉远离所述第二连接板的一端端部固设有套筒，挡止所述第一卡爪和第二卡爪，所述第二连接板上开设有凹槽，以限位所述钻杆。

所述钻杆箱下部设置有履带行走机构。

所述入口倾斜平台的入口倾斜段上还设置有拨爪，所述拨爪连接有小步进电机，带动所述拨爪运动，以拨动所述钻杆。

所述第二连接板焊接在所述第一连接板上。

所述第一连接板的底部固接有第三连接板，所述第三连接板的端部固接于两个所述链条远离彼此的一侧。

上述煤矿井下自动化钻杆管理系统对钻杆进行管理的方法，具体步骤如下：

步骤一：将钻杆从所述钻杆进口放入，钻杆沿所述入口倾斜平台向箱体内部运动；

步骤二：开启所述防爆步进电机，所述防爆步进电机带动所述链轮轴转动，进而驱动所述链条运动；

步骤三：所述链条带动机械爪运动，所述机械爪进入所述入口倾斜平台的入口倾斜段两侧的倾斜滑道，所述第一凸台在所述上滑道内运动，所述第三凸台在所述下滑道内运动；

步骤四：随着所述第一凸台和第三凸台之间距离变小，所述钩型槽松开所述第二凸台，所述机械爪的第一卡爪和第二卡爪张开，所述第一凸台和第三凸台之间距离最大时，机械爪完全张开，同时所述钻杆沿着所述入口倾斜平台的入口倾斜段滑动至机械爪的第一卡爪和第二卡爪中；

步骤五：所述链条带动机械爪继续运动，随着所述第一凸台和第三凸台之间距离变小，所述钩型槽卡持所述第二凸台，所述机械爪的第一卡爪和第二卡爪合拢，抓握住所述钻杆；

步骤六：所述链条带动机械爪继续运动，进而使所述机械爪带动所述钻杆运动至所述钻杆出口处，所述机械爪进入所述出口倾斜平台的出口上倾斜段上设置的倾斜滑道，所述第一凸台在所述上滑道内运动，所述第三凸台在所述下滑道内运动；

步骤七：随着所述第一凸台和第三凸台之间距离变小，所述钩型槽松开所述第二凸台，所述机械爪的第一卡爪和第二卡爪张开，所述链条带动机械爪继续运动，所述钻杆被带动至所述出口倾斜平台的出口上倾斜段的端部，跌落至所述出口倾斜平台的出口下倾斜段上，并沿着所述出口倾斜平台的出口下倾斜段运动至出口平台上，完成钻杆的一次管理过程。

本发明一种煤矿井下自动化钻杆管理系统及方法的有益效果：通过机械爪在钻杆出口和钻杆进口的开锁和闭锁实现机械爪张开与关闭，同时依靠小步进电机有规律的拨杆，实现对单个钻杆的抓取与放松，在这一过程中完全依靠各部分机械零件的位置配合和机械结构的巧妙设置来实现钻杆的抓取与放松，而且在钻杆的运输过程中机械爪始终处于自锁状态，让钻杆的抓取更加牢固，此过程避免了人工拿放、搬运等操作，节省了大量的人力物力，真正实现了无人化，彻底提高了井下上、下钻杆的效率，提高了打钻效率，提高了煤炭生产效率，更避免了安全隐患的存在。同时，本发明的结构简单精巧，体积小，易于拆卸、安装、维修、替换，对钻杆的夹紧牢固，机械爪的收缩自如，区别于常见的某些夹持、输送机构，对于革新井下运送钻杆，人工上、下钻杆起到了开创性的作用。

附图说明：

图1为本发明煤矿井下自动化钻杆管理系统的作业状态图；

图2为本发明煤矿井下自动化钻杆管理系统的整体结构示意图；

图3为本发明煤矿井下自动化钻杆管理系统的内部结构示意图；

图4为图3的正视图；

图5为入口倾斜平台两侧设置的倾斜滑道的结构示意图；

图6为u型导向支架的结构示意图；

图7为机械爪闭合状态下的结构示意图；

图8为机械爪放松状态下的结构示意图；

图9为机械爪运动至倾斜滑道的第一状态示意图；

图10为机械爪运动至倾斜滑道的第二状态示意图；

图11为机械爪运动至倾斜滑道的第三状态示意图；

图12为机械爪运动至倾斜滑道的第四状态示意图；

图13为机械爪运动至倾斜滑道的第五状态示意图；

图14为机械爪运动至倾斜滑道的第六状态示意图；

图15为机械爪运动至倾斜滑道的第七状态示意图；

图16为机械爪运动至倾斜滑道的第八状态示意图；

图17为机械爪运动至倾斜滑道的第九状态示意图；

图18为机械爪运动至倾斜滑道的第十状态示意图；

图中：1-钻杆箱，2-钻杆出口，3-钻杆进口，4-入口倾斜平台，5-出口倾斜平台，6-入口倾斜段，7-入口水平段，8-出口上倾斜段，9-出口下倾斜段，10-倾斜滑道，11-上滑道，12-下滑道，13-链轮轴，14-链轮，15-链条，16-防爆步进电机，17-第一连接板，18-机械爪，19-第二连接板，20-第一卡爪，21-第二卡爪，22-第一凸台，23-锁具开关板，24-钩型槽，25-第二凸台，26-第三凸台，27-u型导向支架，28-支架横梁，29-u型连接板，30-u型挡板，31-u型轨道槽，32-第一水平段，33-第二水平段，34-第三水平段，35-第一倾斜段，36-第四水平段，37-第五水平段，38-第六水平段，39-第二倾斜段，40-出口平台，41-钻杆，42-销钉，43-套筒，44-凹槽，45-履带行走机构，46-拨爪，47-小步进电机，48-第三连接板，49-钻机，50-机械手臂。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1～图2所示，本发明提供的一种煤矿井下自动化钻杆管理系统，用于井下夹持、输送矿用钻杆，其包括钻杆箱1，在钻杆箱1横向的两侧分别开设有钻杆出口2和钻杆进口3，在本实施例中，是在钻杆箱1上箱板和左箱板相交的拐角处开设有钻杆出口2，其右箱板上开设有钻杆进口3，钻杆41由钻杆进口3进入钻杆箱1，由钻杆出口2送出钻杆箱1，钻机49位于钻杆箱1开设有钻杆出口2的一侧，钻机49上设置的机械手臂50延伸至钻杆出口2处，夹持钻杆出口2处送出的钻杆41，钻杆箱1下部设置有履带行走机构45，带动钻杆箱1移动。

如图3～图4所示，在钻杆箱1的箱体内壁沿纵向设置有多个链轮轴13，链轮轴13的两端部分别固设有链轮14，链轮14上架设有链条15，即采用双排链条15，钻杆箱1一侧固定有防爆步进电机16，防爆步进电机16的输出轴连接其中一个链轮轴13，带动链轮轴13转动，以驱动链条15运动，链条15上沿纵向设置有多个第一连接板17，在本实施例中，是在第一连接板17的底部固接有第三连接板48，第三连接板48的端部固接于两个链条15远离彼此的一侧，即将第一连接板17连接于链条15的外侧，在第一连接板17的两端部分别固接有机械爪18，用以抓握钻杆41，且链条15在钻杆箱1的箱体内呈侧向凹形分布，在其内凹处沿纵向设置有u型导向支架27，如图6所示，u型导向支架27包括沿纵向设置在箱体内壁的支架横梁28，在支架横梁28一侧的两端部均设置有u型连接板29，链条15绕过u型连接板29的外表面，连接于链条15外侧的第一连接板17位于u型连接板29的两侧，对u型连接板29进行让位，在u型连接板29的外表面上还设置有u型挡板30，u型挡板30在u型连接板29上形成u型轨道槽31，链条15位于u型轨道槽31中，用以限位链条15，还可以在钻杆箱1的箱体内设置多个u型导向支架27，将双排链条15布置为多层，使其呈蛇形分布，增大钻杆箱1内钻杆41的存储数量，在本实施例中，为节省空间及便于介绍，是以布置为两层的双排链条15进行详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一个具体实施例，而不是全部的实施例。

如图4所示，在钻杆进口3处沿横向设置有入口倾斜平台4，入口倾斜平台4包括入口倾斜段6和入口水平段7，入口水平段7朝向钻杆箱1的箱体外侧，钻杆41被放置在钻杆进口3处，并被平推至入口水平段7上，在入口水平段7上滚动，入口倾斜平台4的入口倾斜段6上还设置有拨爪46，拨爪46连接有小步进电机47，小步进电机47带动拨爪46运动，拨动钻杆41，将滚动的钻杆41一次拨动一根至入口倾斜段6上，入口倾斜平台4的入口倾斜段6沿纵向的两侧设置有倾斜滑道10，钻杆41沿入口倾斜段6向下滚动，落入机械爪18中，继而被机械爪18夹持住。

如图4所示，在钻杆出口2处沿横向设置有出口倾斜平台5，出口倾斜平台5包括出口上倾斜段8和出口下倾斜段9，出口下倾斜段9朝向钻杆箱1的箱体外侧，在所述出口下倾斜段9朝向箱体外侧的端部设置有出口平台40，在出口倾斜平台5的出口上倾斜段8朝向彼此的端面上设置有倾斜滑道10，链条15带动钻杆41运动至钻杆出口2处，在机械爪18的带动下，沿出口上倾斜段8向上运动，直至运动至出口上倾斜段8的最高点，机械爪18松开钻杆，钻杆41运动至出口下倾斜段9上，并沿着出口下倾斜段9运动至出口平台40，并被机械手臂50取用。

如图5和图9所示，所述倾斜滑道10包括上滑道11和下滑道12，机械爪18在上滑道11和下滑道12中运动，实现机械爪18的闭合和张开。上滑道11包括第一水平段32、第二水平段33和第三水平段34，第一水平段32和第三水平段34的高度一致，第二水平段33的高度低于第一水平段32，第二水平段33和第一水平段32、第三水平段34之间分别通过第一倾斜段35连接；下滑道12包括第四水平段36、第五水平段37和第六水平段38，第四水平段36和第六水平段38的高度一致，第五水平段37的高度低于第四水平段36，第五水平段37和第四水平段36、第六水平段38之间分别通过第二倾斜段39连接；且第四水平段36的长度小于第一水平段32，第五水平段37的长度大于第二水平段33，第六水平段38小于第三水平段34，且在出口倾斜平台5上设置的倾斜滑道10，出口上倾斜段8与出口下倾斜段9相交的端部是位于倾斜滑道10的第二水平段33和第五水平段37上方。

如图7～图8所示，机械爪18包括第二连接板19，第二连接板19焊接在第一连接板17上，第二连接板19上通过销钉42枢接有第一卡爪20和第二卡爪21，第一卡爪20和第二卡爪21相互配合，抓握住钻杆41，且第一卡爪20的长度大于第二卡爪21的长度，销钉42远离第二连接板19的一端端部固设有套筒43，挡止第一卡爪20和第二卡爪21在销钉42上发生串动，第二连接板19上开设有凹槽44，对钻杆41进行限位，在第一卡爪20和第二卡爪21上部设置有第一凸台22，第一卡爪20下部铰接有锁具开关板23，锁具开关板23的端部开设的钩型槽24与第二卡爪21上设置的第二凸台25相配合，锁具开关板23上设置有第三凸台26，当机械爪18运动至倾斜滑道10时，第一凸台22在上滑道11内运动，第三凸台26在下滑道12内运动，上滑道11和下滑道12限制第一凸台22和第三凸台26的运动轨迹，以改变第一凸台22和第三凸台26之间的距离，使钩型槽24卡持或者松开第二凸台25，实现机械爪18对钻杆41的抓握或者松开。

机械爪18运动至倾斜滑道10时，在倾斜滑道10的整个运动状态：

如图9所示，当第二卡爪21上的第一凸台22在第一水平段32内运动，第三凸台26在第四水平段36内运动，机械爪18呈闭合状；

如图10所示，当第二卡爪21上的第一凸台22仍在第一水平段32内运动时，第三凸台26运动至第四水平段36和第五水平段37之间的第二倾斜段39，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离发生改变，距离变小，钩型槽24松开第二凸台25，松开对机械爪18的锁死，机械爪18开始慢慢张开；

紧接着，如图11所示，第二卡爪21上的第一凸台22运动至第一水平段32和第二水平段33之间的第一倾斜段35，此时，第三凸台26运动至第五水平段37上，第一卡爪20上的第一凸台22运动至第一水平段32内，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离增大，机械爪18继续张开；

如图12所示，第二卡爪21上的第一凸台22在第二水平段33内运动，第三凸台26在第五水平段37内运动，此时第一卡爪20上的第一凸台22在第一水平段32和第二水平段33之间的第一倾斜段35内运动，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离进一步增大，机械爪18继续张开；

如图13所示，第二卡爪21上的第一凸台22在第二水平段33内运动，第三凸台26在第五水平段37内运动，此时第一卡爪20上的第一凸台22运动至第二水平段33内，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离最大，机械爪18完全张开；

如图14所示，在机械爪18完全张开状态下，钻杆41通过入口倾斜平台4的入口倾斜段6运动至箱体内部，落入机械爪18的第二连接板19上开设的凹槽44中；

如图15所示，第二卡爪21上的第一凸台22运动至第二水平段33和第三水平段34之间的第一倾斜段35，此时，第一卡爪20上的第一凸台22在第二水平段33内运动，第三凸台26在第五水平段37内运动，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离发生改变，距离变小，机械爪18开始慢慢闭合；

如图16所示，第二卡爪21上的第一凸台22运动至第三水平段34，此时，第一卡爪20上的第一凸台22运动至第二水平段33和第三水平段34之间的第一倾斜段35，第三凸台26在第五水平段37内运动，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离进一步减小，机械爪18继续闭合；

如图17所示，第二卡爪21上的第一凸台22在第三水平段34内运动，第一卡爪20上的第一凸台22运动至第三水平段34，第三凸台26运动至第五水平段37和第六水平段38之间的第二倾斜段39，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离进一步减小，机械爪18继续闭合；

如图18所示，第二卡爪21上的第一凸台22在第三水平段34内运动，第一卡爪20上的第一凸台22运动至第三水平段34，第三凸台26运动至第六水平段38，此时第二卡爪21上的第一凸台22和第三凸台26之间的距离最小，机械爪18完全闭合，将钻杆41抓握在第一卡爪20和第二卡爪21中，钩型槽24卡持于第二凸台25，对机械爪18锁死，实现机械爪18对钻杆41的抓握。

上述煤矿井下自动化钻杆管理系统对钻杆进行管理的方法，以钻杆箱1向钻机49提供钻杆为例，其具体步骤如下：

步骤一：将钻杆41从钻杆进口3放入，钻杆41沿入口倾斜平台4向箱体内部运动，且在小步进电机47的驱动下，拨爪46一次拨动一根钻杆41；

步骤二：开启防爆步进电机16，防爆步进电机16带动链轮轴13转动，双排链条15在链轮轴13的带动下规律运动；

步骤三：链条15带动机械爪18运动，机械爪18进入入口倾斜平台4的入口倾斜段6两侧的倾斜滑道10，第二卡爪21上的第一凸台22在上滑道11第一水平段32内运动，第三凸台26在下滑道12第四水平段36内运动；

步骤四：随着第二卡爪21上的第一凸台22运动至第一倾斜段35，其与第三凸台26之间距离变小，钩型槽24松开第二凸台25，机械爪18的第一卡爪20和第二卡爪21张开，当第一卡爪20和第二卡爪21上的第一凸台22运动于第二水平段33，第三凸台26运动于第五水平段37时，机械爪18的第一卡爪20和第二卡爪21完全张开，同时钻杆41沿着入口倾斜平台4的入口倾斜段6滑动至机械爪18的第二连接板19上开设的凹槽44中；

步骤五：链条15带动机械爪18继续运动，当第二卡爪21的第一凸台22运动至第三水平段34，第三凸台26运动至第六水平段38，第二卡爪21的第一凸台22和第三凸台26之间距离最小，钩型槽24卡持第二凸台25，机械爪18的第一卡爪20和第二卡爪21合拢，抓握住钻杆41；

步骤六：链条15带动机械爪18继续运动，进而使机械爪18带动钻杆41运动至钻杆出口2处，机械爪18进入出口倾斜平台5的出口上倾斜段8上设置的倾斜滑道10，第一卡爪20的第一凸台22在上滑道11的第一水平段32内运动，第三凸台26在下滑道12第四水平段36内运动；

步骤七：随着第一凸台22和第三凸台26之间距离变小，钩型槽24松开第二凸台25，机械爪18的第一卡爪20和第二卡爪21张开，链条15带动机械爪18继续运动，所述钻杆41被带动至所述出口倾斜平台5的出口上倾斜段8的端部，跌落至所述出口倾斜平台5的出口下倾斜段9上，并沿着所述出口倾斜平台5的出口下倾斜段9运动至出口平台40上，被钻机49的机械手臂50取用，完成钻杆41的一次输送过程，而被取走钻杆41后空置的机械爪18随着链条15继续运动，经过箱体的底部，进入到钻杆进口3处重新拾取钻杆41，开始下一轮输送钻杆的循环作业。

上述步骤为自动给钻机49提供钻杆的过程，当钻机49打完孔后，需要对钻杆41进行回收，通过机械手臂50将钻杆41放置在出口平台40上，调整防爆步进电机16反转，机械爪18的第一卡爪20推动出口平台40上的钻杆41沿着出口下倾斜段9运动至其端部，跌落至机械爪18的第二连接板19上开设的凹槽44中，随着机械爪18在倾斜滑道10上的运动，机械爪18闭合，将钻杆41抓握住，链条15带动抓握有钻杆41的机械爪18运动，运动至入口倾斜平台4前端的倾斜滑道10，机械爪18张开，钻杆41运动至入口倾斜段6上，在机械爪18的第一卡爪20推动下向前运动，打开小步进电机47，在其驱动下，拨爪46一次拨动一根钻杆41至入口水平段7上，完成钻杆41的一次回收过程，而被取走钻杆41后空置的机械爪18随着链条15继续运动，经过箱体的底部，进入到钻杆出口2处重新拾取钻杆41，开始下一轮回收钻杆的循环作业。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。