張君，王超凡

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院， 山西 太原 030024;2.太原理工大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院， 山西 太原 030024)

0 引言

在煤礦巷道掘進(jìn)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]?，F(xiàn)階段掘進(jìn)機(jī)大部分為履帶式行走，支護(hù)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(jìn)機(jī)大體可分為以下3種情況:

1) 采用懸臂式煤巷掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，同時(shí)采用便攜式單體錨桿鉆機(jī)進(jìn)行錨桿支護(hù)，這是目前各種煤巷高效掘進(jìn)方式中使用數(shù)量最多的一種，主要用于煤巷頂板支撐強(qiáng)度較差，對空頂距要求嚴(yán)格，需要在掘進(jìn)后立即進(jìn)行及時(shí)支護(hù)的場合[2]。然而，上述方式采用單體錨桿鉆機(jī)進(jìn)行錨桿支護(hù)，因此，需要人工頻繁移動(dòng)操作錨桿機(jī)打單個(gè)錨桿孔及緊固錨桿，輔助時(shí)間長，占用人員多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)效率較低。

2) 采用連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)，同時(shí)采用車載多臂錨桿鉆機(jī)進(jìn)行錨桿支護(hù)，錨桿機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)分別在兩個(gè)工作面平行作業(yè)，當(dāng)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)一定距離后退出到下一條巷道作業(yè)，錨桿機(jī)立即進(jìn)入剛開掘的巷道進(jìn)行支護(hù)。

3) 采用進(jìn)口掘錨一體化機(jī)組進(jìn)行煤巷的掘進(jìn)與支護(hù)，此方式雖可對掘進(jìn)后的煤巷頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，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(shí)掘進(jìn)巷道斷面較大，從而限制了該種機(jī)械的適用范圍[3-4]。該設(shè)備價(jià)格昂貴，使用成本很高。

1 自動(dòng)鋪軌式全方位支護(hù)掘進(jìn)機(jī)的研制

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

1-炮頭；2-液壓大臂2；3-液壓大臂1；4-旋轉(zhuǎn)臺(tái)；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(jìn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)鋪軌式全方位支護(hù)掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)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(tái)；旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(dòng)固定于鏟板；鏟板連接鉸接于截割臂2。

詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jī)械臂按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的距離放置枕木，另一條機(jī)械臂則需要進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別枕木與軌道的相對位置是否符合預(yù)設(shè)位置，并且由第二條機(jī)械臂對不符合預(yù)設(shè)目標(biāo)的地方進(jìn)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(shí)，因?yàn)檐壍罏楣ぷ中?，可將軌道上端卡入滑軌?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(dòng)作。具體如圖2所示。

(a)

(b)

掘進(jìn)機(jī)行駛至工作面適當(dāng)距離時(shí)，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(shí)，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(gè)扇片由4張扇葉構(gòu)成，下端由傳動(dòng)桿推動(dòng)齒輪使扇片旋轉(zhuǎn)，達(dá)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(shí)將多余石料送出。

同時(shí)支護(hù)工作也將進(jìn)行，折疊在第二段截割臂內(nèi)部支護(hù)系統(tǒng)將翻出與地面垂直，支護(hù)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(shí)上下兩部閉合狀態(tài)為一個(gè)圓環(huán)，非工作狀態(tài)為下圓環(huán)不動(dòng)，上圓環(huán)向后翻轉(zhuǎn)。由此180°旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可直接帶動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)水平旋轉(zhuǎn)的支護(hù)系統(tǒng)180°，可以完成任意面，任意角度全方位支護(hù)。具體的支護(hù)系統(tǒng)如圖3所示。

(a)

(b)

具體的支護(hù)部工作示意圖如圖4所示，若井下工作環(huán)境為拱頂時(shí)，支護(hù)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(dòng)支護(hù)系統(tǒng)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)微調(diào)至工作需要角度[10]?？蓪⒋藭r(shí)拱頂截面處的任意角度，任意位置的支護(hù)工作全部完成[11]。避免人工作業(yè)時(shí)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(dǎo)致的支護(hù)精度差、效率慢、質(zhì)量低的情況。

圖4 支護(hù)部工作示意圖

2 自動(dòng)鋪軌式全方位支護(hù)掘進(jìn)機(jī)預(yù)期效果

目前市面上采用的非自動(dòng)鋪軌式掘進(jìn)機(jī)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(jìn)緩慢，工作效率差。因不能及時(shí)對巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，不能有效保障一線工作人員的安全,同時(shí)也加大了企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

采用自動(dòng)鋪軌式全方位支護(hù)掘進(jìn)機(jī)的預(yù)期效果分析：同時(shí)進(jìn)行鋪軌和挖掘，為后期巷道鋪軌作業(yè)節(jié)約時(shí)間和成本；同時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)支護(hù)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(dòng)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)不能對鋪軌和支護(hù)一體化的施工辦法，設(shè)計(jì)自動(dòng)鋪軌式全方位支護(hù)掘進(jìn)機(jī)。所提出的設(shè)計(jì)方案有效解決了挖掘、支護(hù)、鋪軌3種工序同時(shí)進(jìn)行的問題，該掘進(jìn)機(jī)能夠保證在較低的使用成本的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大掘進(jìn)機(jī)的適用范圍，在挖掘的同時(shí)進(jìn)行多角度支護(hù)和鋪設(shè)軌道，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率[12]。