一種自動鋪軌式全方位支護掘進機的研發(fā)方案*

張君，王超凡

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院， 山西 太原 030024;2.太原理工大學 現(xiàn)代科技學院， 山西 太原 030024)

0 引言

在煤礦巷道掘進的工作過程中，減少施工人員的作業(yè)量、保證作業(yè)的質(zhì)量要求、優(yōu)化作業(yè)過程、縮減施工周期、提高巷道斷面利用率，對煤礦企業(yè)高效發(fā)展具有決定性意義[1]。現(xiàn)階段掘進機大部分為履帶式行走，支護效率低，對于后期巷道內(nèi)鋪軌作業(yè)也無法同期完成，使得工作周期滯后，具有較大的不確定性。

現(xiàn)有掘進機大體可分為以下3種情況:

1) 采用懸臂式煤巷掘進機掘進，同時采用便攜式單體錨桿鉆機進行錨桿支護，這是目前各種煤巷高效掘進方式中使用數(shù)量最多的一種，主要用于煤巷頂板支撐強度較差，對空頂距要求嚴格，需要在掘進后立即進行及時支護的場合[2]。然而，上述方式采用單體錨桿鉆機進行錨桿支護，因此，需要人工頻繁移動操作錨桿機打單個錨桿孔及緊固錨桿，輔助時間長，占用人員多，工人勞動強度大，支護效率較低。

2) 采用連續(xù)采煤機掘進，同時采用車載多臂錨桿鉆機進行錨桿支護，錨桿機和連續(xù)采煤機分別在兩個工作面平行作業(yè)，當連續(xù)采煤機掘進一定距離后退出到下一條巷道作業(yè)，錨桿機立即進入剛開掘的巷道進行支護。

3) 采用進口掘錨一體化機組進行煤巷的掘進與支護，此方式雖可對掘進后的煤巷頂板進行及時支護，但受其結(jié)構(gòu)的影響，其外形尺寸較大，造成工作環(huán)境的頂板和地板的承載力較大，同時掘進巷道斷面較大，從而限制了該種機械的適用范圍[3-4]。該設(shè)備價格昂貴，使用成本很高。

1 自動鋪軌式全方位支護掘進機的研制

以上不足對企業(yè)的工作效率和經(jīng)濟效益有較為嚴重的影響，直接引起巷道內(nèi)工作人員長時間較大強度作業(yè)時的健康問題。根據(jù)現(xiàn)階段掘進機巷道作業(yè)的環(huán)境、利用現(xiàn)有條件以及掘進機自身的特點，提出了一種如圖1所示的設(shè)計方案。

1-炮頭；2-液壓大臂2；3-液壓大臂1；4-旋轉(zhuǎn)臺；5-截割臂1；6-鋪軌部;7-皮帶部；8-軌道；9-行走系統(tǒng)；10-主體部；11-截割臂2；12-鏟板；13-推料葉片。圖1 掘進機主要結(jié)構(gòu)示意圖

自動鋪軌式全方位支護掘進機設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路為：炮頭連接于液壓大臂2；液壓大臂2連接鉸接于液壓大臂1；液壓大臂1連接鉸接于旋轉(zhuǎn)臺；旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動固定于截割臂2；截割臂2連接于截割臂1；截割臂1連接于車廂部；可實現(xiàn)截割臂2相對于截割臂1的水平伸縮以及截割臂1相對于車廂部的水平伸縮。皮帶部和鋪軌部連接于車廂部；車廂部固定于行走系統(tǒng)；推料葉片轉(zhuǎn)動固定于鏟板；鏟板連接鉸接于截割臂2。

詳細的設(shè)計方案為鋪軌部由滑軌連接于車廂部內(nèi)部，其中車廂部前端處有一定距離無地面，便于由鋪軌部內(nèi)部的其中一支機械臂按照預先設(shè)計好的距離放置枕木，另一條機械臂則需要進行實時識別枕木與軌道的相對位置是否符合預設(shè)位置，并且由第二條機械臂對不符合預設(shè)目標的地方進行校正。

軌道輸送系統(tǒng)由2條一字型滑軌構(gòu)成，滑軌呈一定夾角固定于車廂部底部，滑軌前端端口距離寬度等于所鋪軌道寬度，滑軌后端端口距離寬度大于所鋪軌道寬度。工作時，因為軌道為工字型，可將軌道上端卡入滑軌內(nèi)，滑軌內(nèi)設(shè)置卡輪，可在不損害軌道質(zhì)量的條件下，勻速將軌道由車廂部后端輸送到車廂部前端的鋪軌部下端。再由鋪軌部相結(jié)合，完成鋪軌動作。具體如圖2所示。

(a)

(b)

掘進機行駛至工作面適當距離時，第一段截割臂開始向前延展，截割臂底部由液壓支架起支撐作用，后第二段截割臂可繼續(xù)向前延展，并且第二段截割臂底部由液壓支架起支撐作用。第二段截割臂前端固定一對炮頭、鏟板。炮頭由兩組液壓油缸相互配合連接于截割臂前端的支座頂部，連接方式為軸承組固定，可由電氣設(shè)備控制，使炮頭相對于支座做水平方向旋轉(zhuǎn)。如圖2所示僅為第二段截割臂向前延伸的示意圖。

炮頭在工作時，下端鏟板可將巷道內(nèi)部產(chǎn)生的石料等鏟起，再由鏟板頂端上可旋轉(zhuǎn)的一對收料扇片將石料推至鏟板頂端，每個扇片由4張扇葉構(gòu)成，下端由傳動桿推動齒輪使扇片旋轉(zhuǎn)，達到將石料由地面推至接近皮帶部處，所述皮帶部固定于車廂部兩側(cè)，其特征為皮帶部前端低于鏟板頂部，且置于鏟板下端。皮帶部后端高于車廂部頂端，皮帶部最大長度約等于兩段截割臂完全向前延展的長度，可使不干擾前端挖掘工作的同時將多余石料送出。

同時支護工作也將進行，折疊在第二段截割臂內(nèi)部支護系統(tǒng)將翻出與地面垂直，支護系統(tǒng)間隙配合連接于180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上部，180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上部兩端軸承連接于180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)下部兩端，工作時上下兩部閉合狀態(tài)為一個圓環(huán)，非工作狀態(tài)為下圓環(huán)不動，上圓環(huán)向后翻轉(zhuǎn)。由此180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可直接帶動支護系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)的支護系統(tǒng)180°，可以完成任意面，任意角度全方位支護。具體的支護系統(tǒng)如圖3所示。

(a)

(b)

具體的支護部工作示意圖如圖4所示，若井下工作環(huán)境為拱頂時，支護系統(tǒng)由180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)上部翻轉(zhuǎn)至工作需要角度，再由180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動支護系統(tǒng)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)微調(diào)至工作需要角度[10]?？蓪⒋藭r拱頂截面處的任意角度，任意位置的支護工作全部完成[11]。避免人工作業(yè)時因環(huán)境差，礦洞高度較高，工作人員借助其他輔助工具作業(yè)而導致的支護精度差、效率慢、質(zhì)量低的情況。

圖4 支護部工作示意圖

2 自動鋪軌式全方位支護掘進機預期效果

目前市面上采用的非自動鋪軌式掘進機無法對巷道后期內(nèi)鋪軌工作起到幫助，并且履帶式的行走方式前進緩慢，工作效率差。因不能及時對巷道進行支護作業(yè)，不能有效保障一線工作人員的安全,同時也加大了企業(yè)的風險，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

采用自動鋪軌式全方位支護掘進機的預期效果分析：同時進行鋪軌和挖掘，為后期巷道鋪軌作業(yè)節(jié)約時間和成本；同時進行精準支護和挖掘，提高了施工要求質(zhì)量，保障了施工人員安全；縮減企業(yè)施工成本和施工工期，減少施工人員和勞動強度。

3 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掘進機不能對鋪軌和支護一體化的施工辦法，設(shè)計自動鋪軌式全方位支護掘進機。所提出的設(shè)計方案有效解決了挖掘、支護、鋪軌3種工序同時進行的問題，該掘進機能夠保證在較低的使用成本的基礎(chǔ)上，擴大掘進機的適用范圍，在挖掘的同時進行多角度支護和鋪設(shè)軌道，降低工作人員的勞動強度，提高工作效率[12]。