馬 凱

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

煤礦巷道掘進(jìn)承擔(dān)著為綜采準(zhǔn)備工作面的重任，提高其綜合作業(yè)效率有著重要意義[1]。巷道掘進(jìn)中除主要的煤炭掘進(jìn)、運(yùn)輸及頂錨支護(hù)外，還有超前鉆探、疏水孔鉆探[2-4]、給排水管的安裝鋪設(shè)、頂錨索支護(hù)、幫錨支護(hù)、巷道平整及聯(lián)巷切槽等大量輔助工作。超前鉆探若使用自移式液壓鉆機(jī)，單機(jī)成本高昂，若使用非自移式鉆機(jī)，設(shè)備的移動(dòng)定位較為麻煩；給排水管道沿側(cè)幫鋪設(shè)，當(dāng)前施工時(shí)需人工手持液壓鉆機(jī)站在鏟車上鉆孔、安裝托架。需要鏟車司機(jī)1人，鉆孔人員2人，由多人將水管抬至托架上，勞動(dòng)強(qiáng)度較大；頂錨索補(bǔ)打設(shè)備一把為單體錨索鉆機(jī)，需要司機(jī)1名、錨護(hù)人員3人；側(cè)幫錨桿支護(hù)一般使用兩臂錨桿機(jī)[5，6]及人工手持氣動(dòng)錨桿同時(shí)補(bǔ)打，一般需要人員3人；聯(lián)巷切槽需要1～2人手持風(fēng)鉆作業(yè)；巷道平整修復(fù)需要專門的巷修設(shè)備[7，8]；在設(shè)備搬家倒面時(shí)，輸送帶的收放需要在頂板懸垂導(dǎo)鏈裝置人工進(jìn)行卷繞；在現(xiàn)有工藝流程中，巷道掘進(jìn)工作整體完成后再進(jìn)行疏放水操作。由此可知，上述輔助工作需要3～4個(gè)專業(yè)隊(duì)伍操作，人員超過(guò)10人，單機(jī)設(shè)備多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。

針對(duì)上述問(wèn)題，研制了一種具備探放水、錨索支護(hù)、幫錨支護(hù)、水管抓舉、巷道修復(fù)破碎、輸送帶卷繞等多項(xiàng)功能的可自行移動(dòng)的探錨多功能機(jī)。該設(shè)備操作僅需要2～3人，可有效提高作業(yè)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到減員增效的目的。其中探放水機(jī)構(gòu)、破碎錘機(jī)構(gòu)、卷帶裝置等為快換式模塊設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選裝，以提高設(shè)備的利用率。

1 主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 探錨多功能機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1)采用輕型窄機(jī)身履帶式底盤，整機(jī)尺寸小，機(jī)動(dòng)靈活。

2) 配置自動(dòng)卷電纜裝置，運(yùn)行效率高。

3)采用快換式模塊設(shè)計(jì)，作業(yè)功能全面，可滿足掘進(jìn)巷道大部分輔助作業(yè)需求。

4)整機(jī)及主要功能模塊均為遙控操作，操作人員較少。

5)探放水機(jī)構(gòu)鉆進(jìn)時(shí)鉆桿自動(dòng)接續(xù)，自動(dòng)化程度高。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TM55/200探錨多功能機(jī)分為主機(jī)部分和快換模塊部分。探放水機(jī)構(gòu)、破碎錘機(jī)構(gòu)、卷皮帶裝置等模塊均通過(guò)底盤上的快換機(jī)構(gòu)與主機(jī)連接。

3.在瓶中白霧沒(méi)消失前再迅速將無(wú)孔橡膠塞塞回瓶口，會(huì)發(fā)現(xiàn)瓶中白霧消失，說(shuō)明橡膠塞塞回時(shí)對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能增加，白霧又汽化變成酒精蒸氣，讀出此時(shí)溫度計(jì)的示數(shù)為t3，對(duì)比發(fā)現(xiàn)t3＞t2，這也可以驗(yàn)證“對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能增加”的結(jié)論。

2.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主機(jī)部分主要由底盤、卷電纜裝置、機(jī)械手組件、側(cè)幫錨護(hù)機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TM 55/200探錨多功能機(jī)主機(jī)部分

2.1.1 底盤

探錨多功能機(jī)底盤包括履帶架、中間機(jī)架、履帶行走機(jī)構(gòu)、后穩(wěn)定支撐機(jī)構(gòu)、快換機(jī)構(gòu)(圖1中序號(hào)4)等。底盤是各功能部件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝基座，決定了整機(jī)布置的合理性。多功能機(jī)機(jī)身窄小，又采用了快換機(jī)構(gòu)，快換模塊中探放水機(jī)構(gòu)重量較大，快換前后對(duì)整機(jī)重心影響較大。因此在底盤設(shè)計(jì)中充分考慮了各種工況下整機(jī)的穩(wěn)定性、通過(guò)性、轉(zhuǎn)向性等，在輕量化通用履帶底盤的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了具有快換機(jī)構(gòu)的多功能機(jī)專用底盤。

2.1.2 機(jī)械手組件

機(jī)械手組件如圖2所示，設(shè)計(jì)中借鑒了工程設(shè)備機(jī)械手[9，10]和礦用抱柱機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)抓送水管功能，可適應(yīng)108mm、159mm、219mm規(guī)格的水管抓舉。抓管機(jī)械手需適應(yīng)從3～4.5m的巷道高度范圍，跨過(guò)運(yùn)輸機(jī)抓送水管，且收回時(shí)要完全并回狹小的機(jī)身范圍內(nèi)，同時(shí)具備將整個(gè)水管框提起并抓送到位的能力，即需具備寬廣的抓舉重量范圍及抓送幅度。在抓送水管時(shí)抓手要具備夾緊、擺動(dòng)、回轉(zhuǎn)等多自由度，以便于調(diào)節(jié)安裝水管。在設(shè)計(jì)中利用回轉(zhuǎn)減速器、多級(jí)伸縮套筒等各種結(jié)構(gòu)形式，盡量擴(kuò)展抓手終端的運(yùn)動(dòng)空間；通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析合理分配各級(jí)連桿工作長(zhǎng)度，在提高作業(yè)范圍及改進(jìn)連桿、油缸受力狀況之間進(jìn)行了有效平衡。

圖2 機(jī)械手組件

2.1.3 側(cè)幫錨護(hù)機(jī)構(gòu)

側(cè)幫錨護(hù)機(jī)構(gòu)如圖3所示，在整機(jī)上橫向布置，采用電液控制的濕式鉆機(jī)，主要用于巷道兩側(cè)幫錨桿的補(bǔ)充錨護(hù)作業(yè)。側(cè)幫錨護(hù)機(jī)構(gòu)采用多級(jí)連桿機(jī)構(gòu)提高錨護(hù)覆蓋范圍。設(shè)計(jì)中明確各連桿機(jī)構(gòu)的有效作業(yè)范圍，深入分析了各連桿的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)軌跡，對(duì)各項(xiàng)操作進(jìn)行軌跡優(yōu)化，以提高作業(yè)效率，簡(jiǎn)化實(shí)際操作。圖3中曲線a為鉆架回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，曲線b為鉆架鉆桿頂點(diǎn)在機(jī)身右側(cè)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)軌跡(左側(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡未標(biāo)示出)，據(jù)此可得到側(cè)幫錨護(hù)的工作范圍。

圖3 側(cè)幫錨護(hù)機(jī)構(gòu)

側(cè)幫錨護(hù)機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)：鉆機(jī)進(jìn)給長(zhǎng)度1820mm，最大進(jìn)給力28kN，鉆進(jìn)速度0～20(m/min)，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速500±50(r/min)。

多功能機(jī)由拖曳電纜提供電源，設(shè)計(jì)配備了機(jī)載自動(dòng)卷電纜裝置。該裝置可容納一定長(zhǎng)度的電纜，隨設(shè)備后退前進(jìn)自動(dòng)收放電纜。卷電纜裝置由液壓馬達(dá)、卷纜滾筒、排纜機(jī)構(gòu)、滿纜保護(hù)等部件組成。卷纜裝置的收放纜動(dòng)作由卷纜閥自動(dòng)控制，可時(shí)刻保持電纜有一定的張緊力，防止設(shè)備行走時(shí)傾軋電纜。卷纜裝置容纜量為200m。

2.1.5 液壓系統(tǒng)

探錨多功能機(jī)的液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，分為行走回路、卷纜回路、加油張緊回路、側(cè)幫錨護(hù)回路、探放水控制回路、破碎錘控制回路、機(jī)械手控制回路、平臺(tái)及輔助控制回路等，另外還為錨索張拉機(jī)具提供了控制油路。液壓系統(tǒng)采用1個(gè)負(fù)載敏感變量泵供液，控制馬達(dá)、油缸共計(jì)40余個(gè)。

2.1.6 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是探錨多功能機(jī)的控制中樞，用來(lái)對(duì)泵電機(jī)以及多個(gè)電磁閥實(shí)施控制，具有短路、過(guò)載、斷相、過(guò)熱、漏電監(jiān)視、漏電閉鎖等保護(hù)功能。電控系統(tǒng)主要由主電控箱、操作箱、顯示箱、電磁閥驅(qū)動(dòng)器、遙控接收機(jī)、遠(yuǎn)程控制箱、主控制器、傳感器、電磁閥等部件組成。探錨多功能機(jī)的機(jī)械手、側(cè)幫錨護(hù)、探放水機(jī)構(gòu)、破碎錘機(jī)構(gòu)等多個(gè)工作機(jī)構(gòu)均為遙控操作，其中探放水機(jī)構(gòu)鉆桿接續(xù)等工作部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作 。

2.2 快換模塊設(shè)計(jì)

快換模塊主要包括探放水機(jī)構(gòu)、破碎錘機(jī)構(gòu)以及卷皮帶裝置等功能模塊。各模塊通過(guò)主機(jī)底盤上的快換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速拆卸更換。安裝了探放水機(jī)構(gòu)的探錨多功能機(jī)整機(jī)如圖4所示。以下重點(diǎn)介紹探放水機(jī)構(gòu)、破碎錘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4 安裝了探放水機(jī)構(gòu)的整機(jī)

2.2.1 探放水機(jī)構(gòu)

探放水機(jī)構(gòu)是探錨多功能機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，集錨索支護(hù)、疏放水、探水三項(xiàng)功能于一體，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 探放水機(jī)構(gòu)

探放水機(jī)構(gòu)采用濕式鉆孔，配備自動(dòng)鉆架，可機(jī)載8根探桿(鉆桿)，鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)鉆桿可自動(dòng)接續(xù)。探放水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了回轉(zhuǎn)減速器及兩級(jí)提升機(jī)構(gòu)，提高了鉆機(jī)適應(yīng)范圍。鉆進(jìn)時(shí)采用支撐機(jī)構(gòu)撐頂，提高了鉆進(jìn)穩(wěn)定性及安全性。針對(duì)錨索支護(hù)與探水鉆探工況、鉆桿直徑的較大差別，專項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了適應(yīng)多鉆桿尺寸系列的自動(dòng)鉆架料桿倉(cāng)及機(jī)械手、同時(shí)適應(yīng)探水鉆機(jī)及濕式錨索鉆機(jī)工況的供水裝置以及基于該供水裝置的鉆桿自動(dòng)接續(xù)及拆卸機(jī)構(gòu)。

探放水機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)為：鉆孔深度200m，探水鉆桿直徑50mm，轉(zhuǎn)矩1200～320(N·m)，轉(zhuǎn)速80～280(r/min)，最大進(jìn)給/起拔力45kN，單次推進(jìn)行程1000mm，主軸傾角-10°～90°，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角±90°。

2.2.2 破碎錘機(jī)構(gòu)

破碎錘機(jī)構(gòu)如圖6所示，主體結(jié)構(gòu)借鑒了挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)[11-13]，通過(guò)安裝底座與主機(jī)進(jìn)行快換連接，主要用于巷道平整及聯(lián)巷切槽等輔助工作。破碎錘機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)減速器、多連桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)油缸等結(jié)構(gòu)方式，有效工作范圍較廣。圖6中曲線c為破碎錘回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，據(jù)此可得到破碎錘的破碎作業(yè)范圍。

圖6 破碎錘機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TM 55/200探錨多功能機(jī)研制背景及主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)說(shuō)明可以看出，該設(shè)備具備探放水、錨索支護(hù)、幫錨支護(hù)、水管抓舉、巷道修復(fù)破碎、皮帶卷繞等多項(xiàng)功能，操作僅需要人員2～3人，可有效提高作業(yè)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低設(shè)備采購(gòu)使用成本等。后續(xù)將基于安全作業(yè)規(guī)程要求，結(jié)合探錨多功能機(jī)能力及特點(diǎn)，優(yōu)化工藝流程，將原分散的輔助作業(yè)進(jìn)行集中化、區(qū)域化處理，以充分利用探錨多功能機(jī)的能力，提高系統(tǒng)作業(yè)效率。探錨多功能機(jī)將具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。