工作面兩巷單元支架自動(dòng)化挪移裝置的研究與設(shè)計(jì)

劉晨晨，董立強(qiáng)

（1.安徽恒源煤電股份有限公司，安徽宿州 234000；2.南京石誠(chéng)井巷裝備有限責(zé)任公司，江蘇南京 211164）

0 引言

我國(guó)工作面兩巷巷道超前支護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大、支架移動(dòng)阻力大、移架速度慢、反復(fù)支撐對(duì)頂板破壞性大問(wèn)題已成為我國(guó)煤礦綜采工作面超前支護(hù)體系的薄弱環(huán)節(jié)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)礦區(qū)綜采工作面順槽一般采用單體液壓支柱作為超前支護(hù)，單體支柱支護(hù)強(qiáng)度低，操控及移動(dòng)工序繁瑣，隨著綜采工作面機(jī)械化程度不斷提高，這種方式已成為制約綜采工作面高產(chǎn)高效的主要因素。近些年，綜采工作面順槽超前支護(hù)單元液壓支架成為我國(guó)煤礦支護(hù)設(shè)備的一種新型架型，由于單元支架在對(duì)巷道頂板反復(fù)支撐方面表現(xiàn)出的極大優(yōu)勢(shì)，憑借其輕便結(jié)構(gòu)，近些年在全國(guó)煤礦范圍獲得廣泛推廣。

隨著采煤工作面的作業(yè)行進(jìn)，需要對(duì)靠近采煤作業(yè)面兩側(cè)巷道的單元支架進(jìn)行拆除。傳統(tǒng)的單元式支架拆除方式為手動(dòng)的吊鉤方式，由于巷道的空間狹窄，單元支架的自重較大，在拆裝轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的難度較大，且操作不慎還會(huì)產(chǎn)生礦井安全事故，因此，研發(fā)一套能實(shí)現(xiàn)單元支架安、拆、運(yùn)整套流程系統(tǒng)化的自動(dòng)化挪移裝置顯得尤為重要。

1 國(guó)內(nèi)單元支架安拆現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)工作面單元式支架安拆主要有以下幾種方式：

1.1 氣動(dòng)單軌吊配氣動(dòng)葫蘆斜拉方式

該種方式主要結(jié)構(gòu)是在氣動(dòng)單軌吊上配套2組氣動(dòng)葫蘆。在回撤單元支架時(shí)，將氣動(dòng)葫蘆吊鉤斜方向勾掛在單元式支架兩側(cè)，通過(guò)收縮氣動(dòng)葫蘆吊繩與單軌吊之間的距離，將單元式支架沿著地板拖拽至巷道中間。其布置如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)葫蘆斜拉布置示意圖

該種方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本比較少、工效比較高。缺點(diǎn)是所有負(fù)載承載在懸掛軌道上，對(duì)軌道上方的錨桿損壞較大，存在安全隱患；在單元式支架安裝過(guò)程，氣動(dòng)葫蘆發(fā)揮不了作用，仍然需要人工單體平推才能實(shí)現(xiàn)單元支架就位。

1.2 傳統(tǒng)手拉葫蘆平拽方式

該種方式相對(duì)比較落后，通常需要單元支架移動(dòng)方向?qū)γ娴南锏缼筒抗潭◣赘^桿作為手動(dòng)拉葫著力點(diǎn)，通過(guò)2組手動(dòng)拉葫勾掛在單元支架底部?jī)蓚?cè)，實(shí)現(xiàn)將單元支架緩慢平拽至運(yùn)輸通道。

該種方式缺點(diǎn)工序繁瑣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，機(jī)械化程度低，工作效率低下，操作不慎容易產(chǎn)生單元支架傾倒事故，已經(jīng)幾乎淘汰。

1.3 沿空留巷組合式液壓支架

該支架由ZL3500/18.5/30沿空留巷支架本體，搬運(yùn)機(jī)械臂和活動(dòng)底座3個(gè)部分組成，故稱為組合式液壓支架。其原理改變現(xiàn)有單元支架結(jié)構(gòu)形式，改為巷道兩側(cè)2個(gè)單元支架共用的一組活動(dòng)底座，支架本體活動(dòng)坐落在底座上，搬運(yùn)機(jī)械臂依托于單軌吊上。其回撤和安裝過(guò)程主要依靠機(jī)械臂向兩側(cè)伸縮，以類似于“挑擔(dān)子”形式將兩側(cè)支架本體向單軌吊中間收縮，實(shí)現(xiàn)將支架本體回收與歸位。

該種組合式液壓支架由于其工作原理，對(duì)單元支架擺放的位置要求比較高，而且對(duì)一些斜頂巷道，無(wú)法滿足單元支架斜向布置的要求，再者由于“挑擔(dān)子”的結(jié)構(gòu)形式，要求兩側(cè)2個(gè)單元支架須同時(shí)拆除和安裝，這對(duì)支架本體在運(yùn)輸過(guò)程中，單元支架中間的人行通道尺寸有一定要求。

1.4 ZQ1800/18/37型巷道超前支護(hù)支架配套挪移裝置

該種方式主要設(shè)計(jì)原理為在原有單軌吊的末端增設(shè)一套能實(shí)現(xiàn)將待撤單元支架從支護(hù)位置托起并轉(zhuǎn)運(yùn)至單軌吊下方的安撤機(jī)械手裝置，并能通過(guò)機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)在安裝過(guò)程將單元支架轉(zhuǎn)運(yùn)就位。單元支架從超前支護(hù)最后面挪到最前面的運(yùn)輸環(huán)節(jié)由單軌吊實(shí)現(xiàn)。

該方式結(jié)構(gòu)主要包含一組上頂平衡支腿、主體框架、回轉(zhuǎn)裝置以及起吊伸縮大臂。該種方式優(yōu)點(diǎn)是一方面實(shí)現(xiàn)了超前支護(hù)液壓支架由“走”向“跳”的轉(zhuǎn)變，解決了超前支護(hù)支架反復(fù)支撐頂板的問(wèn)題，減少了對(duì)頂板的來(lái)回?cái)_動(dòng)，使得頂板更加完整、穩(wěn)定和安全；另一方面解決了傳統(tǒng)巷道超前支護(hù)模式人工肩挑背馱的面貌，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了安全保障、減少了作業(yè)人員。該方案缺點(diǎn)是由于單元支架的長(zhǎng)度在2 000 mm左右，而布置雙排單元支架風(fēng)巷其人行通道的寬度一般不足1 600 mm，需要將單元支架回轉(zhuǎn)至單軌吊下方時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)90°，由橫向調(diào)轉(zhuǎn)到縱向，該方案不具備調(diào)轉(zhuǎn)功能。

2 工作面兩巷單元支架自動(dòng)化挪移裝置

2.1 巷道超前壓力分析

受開采擾動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，尤其超前支撐壓力逐漸增加，煤巖破壞的概率也隨之增加，超前應(yīng)力分布規(guī)律大概如圖2所示。由圖分析得出工作面支撐壓力基本分為3個(gè)部分，應(yīng)力分布規(guī)律為隨著埋深、工作面長(zhǎng)度及巷道斷面尺寸增加，支撐壓力影響范圍增加，超前應(yīng)力峰值距工作面距離增加，在40～60 m后工作面支承壓力趨于穩(wěn)定。新版《煤礦安全規(guī)程》中要求：綜采工作面安全出口與巷道連接處超前支護(hù)范圍不得小于120 m，且優(yōu)先采用液壓支架。對(duì)于120 m長(zhǎng)距離超前支護(hù)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)單體支柱支護(hù)工序繁瑣，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，已無(wú)法適應(yīng)要求。因此，采動(dòng)影響劇烈的范圍內(nèi)密集布置雙排單元液壓支架，保證支撐壓力高壓區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定，在穩(wěn)壓區(qū)配置稀疏布置單排單元液壓支架成為煤礦超前巷道支護(hù)的普遍使用方式。

圖2 工作面支承壓力分布范圍

2.2 單元液壓支架巷道布置及移動(dòng)方式

2.2.1 單元支架巷道布置情況

在單體支柱支護(hù)方式基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的單元式超前液壓支架憑借其結(jié)構(gòu)輕便和不重復(fù)破壞頂板的特點(diǎn)近年多被用于沿空留巷支護(hù)。根據(jù)巷道應(yīng)力分布以及巷道斷面情況及設(shè)備配套可安排1列或者2列。本文研究以2列單元支架的布置方式，其空間位置如圖3所示。

圖3 單元支架布置巷道平面圖

2.2.2 單元支架移動(dòng)方式

單元式超前液壓支架隨著工作面推進(jìn)需要循環(huán)前移，要求支架從支護(hù)隊(duì)列中移動(dòng)到移架線路處，從靠近工作面?zhèn)纫苿?dòng)到遠(yuǎn)離工作面?zhèn)戎螅匦禄氐街ёo(hù)隊(duì)列中，涉及到單元支架在巷道中的橫向移動(dòng)和沿著巷道走向的縱向移動(dòng)，其移動(dòng)示意圖見圖4。

圖4 單元支架移動(dòng)方式

2.3 單元支架自動(dòng)化挪移裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)煤礦單元支架撤除、轉(zhuǎn)運(yùn)以及安裝就位過(guò)程機(jī)械化程度不高、功效低下和安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，本文研究一種綜采工作面單元支架自動(dòng)化挪移裝置。根據(jù)單元支架巷道布置情況和單元支架移動(dòng)方式，本文研究的工作面兩巷單元支架自動(dòng)化挪移裝置設(shè)計(jì)思路為依托煤礦順槽現(xiàn)有單軌吊，研發(fā)2組單軌吊懸掛式安撤機(jī)械臂用于單元支架回撤過(guò)程中實(shí)現(xiàn)將單元支架拖移至巷道中間，即單軌吊正下方，單元支架轉(zhuǎn)運(yùn)依靠現(xiàn)有單軌吊實(shí)現(xiàn)將單元支架運(yùn)輸至待安裝位置，單元支架運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，利用2組安撤機(jī)械臂拖移至安裝工位。其結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 工作面兩巷單元支架自動(dòng)化挪移裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 安撤機(jī)械臂

1組安撤機(jī)械臂由2組支撐滑輪、1組主體平臺(tái)、1組回轉(zhuǎn)平臺(tái)、1組伸縮臂、1個(gè)舉升臂、1個(gè)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和4個(gè)上頂平衡支腿組成。所述支撐滑輪設(shè)置于主體平臺(tái)長(zhǎng)度方向中線上，寬度方向?qū)ΨQ布置，2組支撐滑輪間距1 m；所述4個(gè)平衡支腿對(duì)稱布置于長(zhǎng)度方向以及寬度方向中線，長(zhǎng)度方向間距2 m，寬度方向間距800 mm，平衡支腿傾斜角度60°；所述回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)通過(guò)螺絲固定于主體平臺(tái)下表面中心；所述回轉(zhuǎn)平臺(tái)與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)中心對(duì)稱固定在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)外圈；所述伸縮臂一級(jí)缸體一端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)鉸軸相連，一級(jí)缸體另一端與舉升油缸通過(guò)鉸軸相連；所述舉升臂一端與回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)鉸軸相連，一端與伸縮臂一級(jí)缸體通過(guò)鉸軸相連；所述伸縮臂包含1個(gè)伸縮油缸、一級(jí)缸體和1組二級(jí)伸縮桿。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 安撤機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2.3.2 元部件選型

1）舉升油缸選型：油缸參數(shù)為缸筒直徑160 mm，缸桿直徑105 mm，行程700 mm。

拉力計(jì)算：FL=P×S=P×π×（R2-r2）=31.5 MPa×3.14（802-52.52）=360 403 N

推力計(jì)算：FT=P×S=P×π×R2=31.5 MPa×3.14×802=633 024 N

油壓取20 MPa時(shí)，F(xiàn)L=228 827 N,FT=401 920 N

2）伸縮油缸選型：油缸參數(shù)為缸筒直徑125 mm，缸桿直徑95 mm，行程1 600 mm。

拉力計(jì)算：FL=P×S=P×π×（R2-r2）=31.5 MPa×3.14（62.52-47.52）=163 201 N

推力計(jì)算：FT=P×S=P×π×R2=31.5MPa×3.14×62.52=386367N

油壓取20 MPa時(shí)，F(xiàn)L=103 619 N,FT= 245 312 N

3）回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)選型：回轉(zhuǎn)減速機(jī)參數(shù)見表1。

表1 回轉(zhuǎn)件數(shù)機(jī)性能參數(shù)表

傾覆力矩校驗(yàn)：M=F×L=5 000 kg×9.8 N/kg×3.6 M=180 kN·M

2.3.3 力學(xué)計(jì)算

如圖7所示，安撤機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)模型可簡(jiǎn)化為圖中所示簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型。圖中AB長(zhǎng)1 000 mm，BD長(zhǎng)1 800 mm，AD長(zhǎng)935 mm，CD長(zhǎng)300 mm，∠ADE為34°，∠AEB為40°，∠DAE為6°。G1為單元支架自重，由已知條件得知，單元支架自重為5 000 kg。所以取G1=49 000 N。

圖7 安撤機(jī)械臂簡(jiǎn)化力學(xué)分析圖

第一種情況：伸縮臂為收回狀態(tài)，即BC長(zhǎng)度為1 800+300=2 100 mm，此時(shí)機(jī)械臂將單元支架提起所需要的力為：

F2×sin（34°）×BD≥G1×cos（50°）×BC

即F2×sin（34°）×1800≥49000 N×cos（50°）×2100

得F2≥65 712 N

第二種情況：伸縮臂為伸出狀態(tài)，因?yàn)樯炜s臂二級(jí)伸縮桿行程為1500 mm，即BC長(zhǎng)度為1800+300+1 500=3 600 mm，此時(shí)機(jī)械臂將單元支架提起所需要的力為：

F2×sin（34°)×BD≥G1×cos（50°）×BC

即F2×sin（34°）×1800≥49000 N×cos（50°）×3600

得F2≥11 2650 N

沿BC方向受力分析得知，伸縮臂二級(jí)缸桿需要帶動(dòng)單元支架克服自重和摩擦力，因此：

F3≥G1×sin（50°）+μG1×cos（50°）

查表得知鋼對(duì)鋼靜摩擦系數(shù)μ=0.1～0.5，本文取μ=0.5，代入公示得：

由2.3.2.油缸選型得知：

舉升缸P=31.5 MPa時(shí)，F(xiàn)L=360 403 N～F2。取P=20 MPa時(shí)，F(xiàn)L=228 827 N～F2

伸縮缸P=31.5 MPa時(shí)，F(xiàn)L=163 201 N～F3。取P=20 MPa時(shí)，F(xiàn)L=103 619 N～F3。

因此，本裝置安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1.5倍安全系數(shù)要求。

2.3.4 使用條件參數(shù)

1）單軌吊高度不低于2 500 mm，懸掛軌道距離地面高度。

2）單元支架橫向間距不低于1 600 mm，即巷道人行通道寬度。

3）起吊機(jī)械手外形尺寸：3 500 mm（最長(zhǎng)）×1 200 mm（寬）×2 000 mm（高）。

4）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作角度360°，可適應(yīng)任意角度工作要求。

5）本機(jī)自重3 t，單軌吊運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)不小于10 t。

6）適應(yīng)坡度±10°。

2.3.5 樣機(jī)試驗(yàn)

第一次：載重試驗(yàn)。

試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1）測(cè)試樣機(jī)在空載狀態(tài)，完成伸縮臂前伸、后縮；測(cè)試舉升臂向上抬升、向下回落；測(cè)試回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)順時(shí)針回轉(zhuǎn)、逆時(shí)針回轉(zhuǎn)。

2）測(cè)試樣機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下，能否完成測(cè)試1的動(dòng)作。

試驗(yàn)結(jié)果：

樣塊總重為5.1 t，將樣塊重心夠掛在伸縮臂二級(jí)缸桿前端，液壓泵站壓力打壓到20 MPa，舉升臂提起樣塊離地約300 mm，伸縮臂負(fù)載狀態(tài)下前后伸縮無(wú)阻礙，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載狀態(tài)下，順時(shí)針回轉(zhuǎn)45°、逆時(shí)針回轉(zhuǎn)45°成功。

第二次試驗(yàn)：?jiǎn)卧Ъ苣Ｐ湍M挪移試驗(yàn)。

試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1）測(cè)試樣機(jī)能否將單元支架模型整體吊起。

2）測(cè)試負(fù)載狀態(tài)，完成伸縮臂前伸、后縮；測(cè)試舉升臂向上抬升、向下回落；測(cè)試回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)順時(shí)針回轉(zhuǎn)、逆時(shí)針回轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果：

單元支架模型總重為5.1 t，將單元支架模型一側(cè)夠掛在伸縮臂二級(jí)缸桿前端，液壓泵站壓力打壓到20 MPa，舉升臂提起單元支架模型一側(cè)離地約300 mm；伸縮臂負(fù)載狀態(tài)下可完成后縮帶動(dòng)單元支架模型沿地滑移約一個(gè)伸縮臂滿行程，伸縮臂前伸時(shí)，帶動(dòng)單元支架模型沿地滑移約一半伸縮臂行程；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載狀態(tài)下，順時(shí)針回轉(zhuǎn)45°可帶動(dòng)單元支架一側(cè)向中線挪動(dòng)1 000 mm距離、逆時(shí)針回轉(zhuǎn)45°帶動(dòng)單元支架模型向相反一側(cè)沿地滑移1 000 mm距離。

試驗(yàn)結(jié)論：

試驗(yàn)為一組安撤機(jī)械臂載重試驗(yàn)可完成5 t負(fù)載起吊。在配備兩組安撤機(jī)械臂情況下，第一步可利用其中一組安撤機(jī)械臂先將單元支架一側(cè)吊起離地約300 mm距離，通過(guò)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)吊起的單元支架圍繞著地的一側(cè)為旋轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)45°向單軌吊正下方挪動(dòng)。第二步，利用另一組安撤機(jī)械將單元支架另一側(cè)吊起離地約300 mm距離，以第一步中已經(jīng)挪移至單軌吊下方的一側(cè)為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，通過(guò)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)單元支架逆時(shí)針回轉(zhuǎn)45°至單軌吊正下方，完成整個(gè)單元支架回撤過(guò)程。

單元支架運(yùn)輸過(guò)程：?jiǎn)卧Ъ芑爻分羻诬壍跽路胶螅脝诬壍踝詭У钠鸬跹b置將單元支架吊起并運(yùn)輸至遠(yuǎn)離工作面的一側(cè)并到達(dá)安裝位置。

單元支架安裝過(guò)程：與單元支架回撤過(guò)程相似，利用2組安撤機(jī)械臂分兩步將單元支架從單軌吊下方挪移至單元支架支撐位置。

2.3.6 主要特點(diǎn)

1）單元式支架人行通道地板隆起，本裝置可將單元式支架起吊離地一定高度，在巷道高度允許的情況下，無(wú)需對(duì)人行通道隆起地方做臥底處理。

2）平衡支腿長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同高度單軌吊軌道。

3）平衡支腿機(jī)構(gòu)可克服單元式支架起吊過(guò)程中對(duì)單軌吊以及整個(gè)軌道產(chǎn)生的巨大扭矩，減少該扭矩對(duì)頂部錨桿的損害，降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

4）安裝撤除方式為單個(gè)支架逐步進(jìn)行，更符合當(dāng)前生產(chǎn)操作流程。

5）整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形尺寸較小，可拖掛在單軌吊上，移動(dòng)便捷。

6）本裝置可進(jìn)行結(jié)構(gòu)升級(jí)，用于臥底，安拆軌道等作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)單元支架巷道布置空間位置尺寸以及單元支架移動(dòng)方式，結(jié)合現(xiàn)有單元支架安撤運(yùn)的幾種方式，本文提出了一種采用雙安撤機(jī)械臂的單元支架自動(dòng)挪移的方式。與傳統(tǒng)手拉葫蘆平拽方式相比本文研究的單元支架自動(dòng)化挪移裝置能極大提高工作效率，與單軌吊懸掛氣動(dòng)葫蘆斜拉方式相比，本單元支架自動(dòng)化挪移裝置避免了氣動(dòng)葫蘆斜拉方式對(duì)頂部錨桿錨索產(chǎn)生的破壞，提高了作業(yè)的規(guī)范性和安全性，此外本裝置在單元支架安裝過(guò)程無(wú)需人工使用單體操作單元支架就位；與手拉葫蘆平拽方式相比，本裝置安全性更好，效率也更高；與沿空留巷組合式液壓支架相比，本裝置采取逐個(gè)單元支架依次撤除方式，對(duì)單軌吊下方人行通道尺寸要求較小；與ZQ1800/18/37型巷道超前支護(hù)支架配套挪移裝置對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的單元式支架自動(dòng)化挪移裝置結(jié)構(gòu)原理都是依托在單軌吊上，采用上頂平衡支腿保證整機(jī)在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性，區(qū)別在于本文涉及的自動(dòng)化挪移裝置采用2組機(jī)械臂，無(wú)需將單元支架整體吊起，可實(shí)現(xiàn)單元支架沿地拖，2組機(jī)械臂交替拖移單元支架，從而實(shí)現(xiàn)單元支架最終縱向移動(dòng)至單軌吊下方，而ZQ1800/18/37型巷道超前支護(hù)支架配套挪移裝置需要將單元支架整體起吊并旋轉(zhuǎn)至單軌吊下方，并無(wú)法實(shí)現(xiàn)單元支架縱向布置于單軌吊下方人行通道。