煤礦用六臂錨桿鉆車的研制與應(yīng)用

胡凌云

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006)

在巷道的掘進(jìn)過程中，往往需要掘進(jìn)機(jī)等待錨桿鉆車完成錨桿支護(hù)或錨索支護(hù)才能繼續(xù)掘進(jìn)，嚴(yán)重影響巷道的成巷速度。國內(nèi)陸續(xù)研制出CMM4-25錨桿鉆車和CMM4-20錨桿支護(hù)等新型的錨桿支護(hù)設(shè)備，此類型錨桿鉆車主要配套連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行雙巷掘進(jìn)，整機(jī)布置4臺鉆機(jī)采用“一”字布置方式，能夠同時完成4根頂錨桿支護(hù)。頂錨桿支護(hù)完成后，其中外側(cè)的鉆架向兩側(cè)移動，進(jìn)行剩余頂錨桿支護(hù)。剩余錨桿支護(hù)完成后，整個錨護(hù)作業(yè)完成，而此時側(cè)幫錨桿還未進(jìn)行支護(hù)，后續(xù)還需依靠人工補(bǔ)打，因此無法提高巷道錨桿的支護(hù)速度，從而制約了巷道的開采和掘進(jìn)速度?；诖?，亟需研制出一種新型的錨桿鉆車，要求既能進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)又能夠完成側(cè)幫錨桿支護(hù)，從而提高巷道的掘進(jìn)速度，降低操作人員的勞動強(qiáng)度。

1 煤礦用六臂錨桿鉆車機(jī)構(gòu)布置及穩(wěn)定性分析

1.1 機(jī)構(gòu)布置

煤礦用六臂錨桿鉆車是一種集電氣和液壓于一體的多功能煤礦支護(hù)設(shè)備，整機(jī)主要有履帶行走機(jī)構(gòu)、錨桿支護(hù)機(jī)構(gòu)、平行四連桿升降機(jī)構(gòu)和卷電纜機(jī)構(gòu)組成，整機(jī)的部件主要由底盤、工作臺、升降機(jī)構(gòu)、鉆架、臨時支護(hù)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)等部件組成。同時整機(jī)還配備有2臺單獨(dú)的液壓泵站為整機(jī)提供全部的液壓動力，整機(jī)中所有的運(yùn)動部件都依靠油缸和液壓馬達(dá)實現(xiàn)全部動作，因此整機(jī)的設(shè)計過程中首先需要校核整機(jī)液壓系統(tǒng)的能力。在整機(jī)設(shè)計過程中，還需對整機(jī)中各個部件的布置方式進(jìn)行校核。依據(jù)實際支護(hù)過程，整機(jī)在前端布置4臺頂錨鉆機(jī)，左右兩側(cè)布置2臺側(cè)錨鉆機(jī)，當(dāng)6臺鉆機(jī)同時工作時，需要校核整機(jī)的受力情況，避免出現(xiàn)整機(jī)不穩(wěn)定情形影響整機(jī)的工作效率和安全，因此在整機(jī)校核時，整機(jī)的布置方式和整機(jī)的適應(yīng)能力也需要進(jìn)行校核和驗證。煤礦用六臂錨桿鉆車機(jī)構(gòu)布置如圖1所示。

1-底盤；2-工作臺；3-升降機(jī)構(gòu)；4-鉆架；5-臨時支護(hù)；6-液壓系統(tǒng)；7-電氣系統(tǒng)；8-除塵系統(tǒng)圖1 煤礦用六臂錨桿鉆車機(jī)構(gòu)布置

結(jié)合整機(jī)的實際工況，在整機(jī)設(shè)計時，工作臺升降采用平行四連桿升降機(jī)構(gòu)，四連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時能始終保持工作臺處于水平位置，提高整機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，滿足整機(jī)進(jìn)行錨桿支護(hù)時的工作能力；側(cè)幫鉆機(jī)工作時同樣依靠平行四連桿機(jī)構(gòu)保證工作臺的穩(wěn)定。在錨桿鉆機(jī)布置時，前面的4臺頂錨鉆機(jī)采用“一”字布置，2臺側(cè)幫鉆機(jī)布置在工作臺兩側(cè)和頂錨鉆機(jī)的后側(cè)，實現(xiàn)“一人多機(jī)”的操作模式，提高巷道支護(hù)效率的同時減少操作人員的勞動數(shù)量。工作臺和底盤之間采用平行四連桿的升降機(jī)構(gòu)，依靠工作臺升降油缸實現(xiàn)工作臺升降，且后連桿同時可作為操作人員的上下通道，保證人員始終處于安全區(qū)域下工作，無需進(jìn)入空頂區(qū)域內(nèi)工作，保證操作人員的安全。采用機(jī)械化錨桿支護(hù)的同時能夠提高巷道中錨桿支護(hù)效率和提高支護(hù)速度，減少井下操作人員的數(shù)量，降低操作人員的勞動強(qiáng)度和改善操作人員的工作環(huán)境。

整機(jī)的工作臺上同時布置頂棚和臨時支護(hù)提高整機(jī)的安全性，當(dāng)整機(jī)進(jìn)入巷道空頂區(qū)域后，操作人員先后將臨時支護(hù)和頂棚升起，臨時支護(hù)負(fù)責(zé)對空頂區(qū)域的頂板進(jìn)行支撐，避免在進(jìn)行錨桿支護(hù)時巷道頂板垮落，造成巷道頂板的整體坍塌而出現(xiàn)安全事故，頂棚則主要負(fù)責(zé)保護(hù)操作人員。

圖2 煤礦用六臂錨桿鉆車初始重心位置

1.2 穩(wěn)定性分析

煤礦用六臂錨桿鉆車的初始位置重心如圖2所示，由于整機(jī)的運(yùn)動特性，其重心位置始終是在變換的，一般都隨著掘進(jìn)巷道底板的起伏變化、操作平臺的高度和鉆架工作時外部載荷的情況而變化。通過整機(jī)穩(wěn)定性計算和動力學(xué)分析，當(dāng)整機(jī)在最低位置工作時，整機(jī)的重心位置已超出履帶鏈的覆蓋范圍，因此整機(jī)在運(yùn)行時需要將臨時支護(hù)油缸伸出，一方面保證巷道頂板不會垮塌，另一方面可以避免整機(jī)出現(xiàn)前傾翻車的現(xiàn)象，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

煤礦用六臂錨桿鉆車在設(shè)計過程中采用虛擬樣機(jī)的分析技術(shù)，利用動力學(xué)分析軟件對樣機(jī)模型進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。首次引入了整機(jī)動力學(xué)分析和部件靜力學(xué)分析相結(jié)合的整機(jī)分析技術(shù)模擬整機(jī)工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)整機(jī)結(jié)構(gòu)使其達(dá)到較理想的狀態(tài)，為物理樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。在樣機(jī)分析過程中，主要對整機(jī)升降油缸的推力(包含有豎直和水平方向)進(jìn)行整機(jī)運(yùn)動校核，整機(jī)工作臺升降油缸在作用位置點(diǎn)的推力，通過對其中工作臺油缸各個鉸點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析，得到整機(jī)相關(guān)部件在不同運(yùn)動狀態(tài)時的受力分析情況，從而利用相關(guān)軟件對其中的主要部件進(jìn)行靜力學(xué)分析校核。煤礦用六臂錨桿鉆車動力學(xué)分析如圖3所示。

圖3 煤礦用六臂錨桿鉆車動力學(xué)分析

2 高可靠性無偏載鉆架研究

煤礦用六臂錨桿鉆車中主要的工作機(jī)構(gòu)是布置在設(shè)備前部的4臺相互獨(dú)立運(yùn)行的鉆機(jī)和機(jī)身外側(cè)的2臺獨(dú)立鉆機(jī)。同進(jìn)口設(shè)備中的鉆架相比，煤礦用六臂錨桿鉆車的鉆機(jī)采用圓柱對稱布置，而進(jìn)口設(shè)備采用燕尾槽導(dǎo)向鉆架，這種布置方式一般在使用一段時間后，燕尾槽導(dǎo)向鉆架都會由于其耐磨板的損壞導(dǎo)致鉆架受力不均勻影響鉆架使用。而圓柱導(dǎo)向鉆架在布置時采用對稱布置，其布置方式為在鉆架的中間布置一個短進(jìn)給油缸，滑架的外側(cè)布置2個長進(jìn)給油缸，其中長進(jìn)給油缸主要是負(fù)責(zé)滑架的上下升降，短進(jìn)給油缸負(fù)責(zé)鉆箱的上下升降，同時在鉆箱升降機(jī)構(gòu)和滑架中還布置2個鏈條，2個鏈條布置在短進(jìn)給油缸兩側(cè)的2個滾輪上，同時依靠鏈條帶動鉆架導(dǎo)向連接板上升實現(xiàn)行程倍增，滿足鉆箱的運(yùn)動過程。在設(shè)計鉆架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌時，考慮其結(jié)構(gòu)的整體運(yùn)動方式和耐磨性，同時考慮導(dǎo)軌的加工難易程度，在設(shè)計時采用加工難度小且導(dǎo)向性好的圓柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，提高鉆架的加工精度，避免各個部件存在加工間隙，提高鉆架的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別是整體采用對稱布置，鏈傳動裝置分別布置在短進(jìn)給油缸的兩側(cè)，整體不存在偏載性，通過整機(jī)的井下工業(yè)性試驗，單臺鉆架在試驗期間共完成24580根錨桿支護(hù)，此形式鉆架的運(yùn)動時長和損壞方式都要優(yōu)于燕尾槽導(dǎo)向鉆架，且元部件更換方便，整機(jī)中主要部件的工作時間延長對于提高設(shè)備的使用率都提供必要的技術(shù)支持。高可靠性無偏載鉆架示意圖如圖4所示。

1-圓柱導(dǎo)向鉆架；2-長進(jìn)給油缸；3-短進(jìn)給油缸；4-鏈傳動裝置；5-鉆箱圖4 高可靠性無偏載鉆架示意圖

3 應(yīng)用情況

煤礦用六臂錨桿鉆車于2014年初完成樣機(jī)組裝和調(diào)試，同年在神東集團(tuán)大柳塔礦大柳塔井50306運(yùn)輸巷開始工業(yè)性試驗，配套連續(xù)采煤機(jī)、梭車和破碎機(jī)進(jìn)行井下工業(yè)性試驗，進(jìn)行雙巷掘進(jìn)。在設(shè)備工業(yè)性試驗期間，煤礦用六臂錨桿鉆車?yán)塾嬛ёo(hù)21600根頂板錨桿和14400根側(cè)幫錨桿，其中日最高支護(hù)450根錨桿，班最高支護(hù)180根錨桿，設(shè)備達(dá)到設(shè)計要求，配套使用煤礦用六臂錨桿鉆車的巷道掘進(jìn)速度是配套使用CMM4-20錨桿鉆車巷道掘進(jìn)速度的1.2倍，其支護(hù)速度明顯優(yōu)于其他巷道錨桿支護(hù)速度。與此同時，使用煤礦用六臂錨桿鉆車的巷道中無需人工補(bǔ)打側(cè)幫錨桿，整個巷道斷面一次性即可完成錨桿支護(hù)，避免了由于支護(hù)不及時造成巷道側(cè)幫或者頂板的垮落和片幫，提高了巷道掘進(jìn)的安全性和巷道支護(hù)速度，避免了巷道進(jìn)行二次支護(hù)時影響巷道的掘進(jìn)速度。

工業(yè)性試驗結(jié)果表明，煤礦用六臂錨桿鉆車解決了頂板錨桿和側(cè)幫錨桿無法同時支護(hù)的問題，提高了巷道的支護(hù)速度和巷道的掘進(jìn)速度，緩解了采掘失調(diào)的問題，開辟了新的支護(hù)方法，改變了傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝。試驗中對煤礦用六臂錨桿鉆車的各項指標(biāo)進(jìn)行了驗證，取得了科學(xué)的、真實的數(shù)據(jù)，各設(shè)備的性能均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計指標(biāo)。

截止到2019年初，煤礦用六臂錨桿鉆車?yán)塾嬌a(chǎn)20余臺，不僅提高巷道的掘進(jìn)速度和支護(hù)速度，同時也為現(xiàn)階段機(jī)械化減人、智能化換人提供了設(shè)備支撐。