郝巧梅　李玉存　李莎　郝慧芬　李波

摘 要：依據(jù)煤礦環(huán)境和工況需求，分析煤及巖體的硬度、巷道結(jié)構(gòu)等研制了國(guó)內(nèi)首套KC-80C型礦用鏈?zhǔn)介_(kāi)槽機(jī)，將動(dòng)力系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、截割部和伸縮旋臂機(jī)構(gòu)等集成于車(chē)輛底盤(pán)之上，結(jié)構(gòu)緊湊。通過(guò)在大柳塔煤礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：KC-80C礦用鏈?zhǔn)介_(kāi)槽機(jī)可在2

關(guān)鍵詞：礦用開(kāi)槽機(jī) 伸縮旋轉(zhuǎn)臂 鏈?zhǔn)浇馗畈?膠輪式

1 引言

隨著煤礦回采技術(shù)和先進(jìn)掘進(jìn)技術(shù)裝備的大量應(yīng)用，為了確保機(jī)械化礦井快速推進(jìn)的需要，聯(lián)絡(luò)巷道封堵、通風(fēng)、排水，經(jīng)常都需要開(kāi)鑿大量的防火墻密閉墻槽口和抽水泵窩則等工作，以往沒(méi)有合適的專(zhuān)用工具或機(jī)械設(shè)備，密閉墻開(kāi)槽、挖水溝通常采用風(fēng)鎬和刨錘手工作業(yè)方式，由于井下地質(zhì)條件不同，需要開(kāi)槽的地方有全煤、半煤巖、全巖巷道等，這些煤及巖體硬度較高，均達(dá)到f＞4，機(jī)械化程度低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率非常低，掏槽質(zhì)量無(wú)法到達(dá)設(shè)計(jì)要求，掏頂槽更加困難，垮落的大塊物容易傷人，而且高空作業(yè)有較大的安全隱患，同時(shí)嚴(yán)重制約了綜采工作面的回采速度和連掘面的掘進(jìn)進(jìn)度。

近幾年根據(jù)智能化礦井減人增效、機(jī)器替代人工作業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，徹底解放高強(qiáng)度人工勞動(dòng)，同時(shí)為了提高工作面永久密閉墻體的質(zhì)量，防止采空區(qū)漏風(fēng)遺留煤著火，確保下一個(gè)工作面正常安全運(yùn)行。2018年至今國(guó)內(nèi)有幾家企業(yè)在跟進(jìn)研發(fā)滿足機(jī)械化開(kāi)槽的設(shè)備，結(jié)構(gòu)為電動(dòng)履帶式行走，雖實(shí)現(xiàn)了開(kāi)槽機(jī)械化，但整體設(shè)備功率小效率低，使用時(shí)需外接電源，上下井轉(zhuǎn)場(chǎng)不方便。為了加快煤礦智能化建設(shè)，2020年2月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、應(yīng)急管理部、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部等八部委出臺(tái)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確指出智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，制定了煤礦智能化發(fā)展的原則、目標(biāo)、任務(wù)和保障措施。鄂爾多斯市智博機(jī)械制造有限責(zé)任公司響應(yīng)煤礦智能化建設(shè)自主研制了KC-80C礦用智能開(kāi)槽機(jī)，該設(shè)備集成于車(chē)輛底盤(pán)上，可充分發(fā)揮車(chē)輛機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、截割效率高和使用方便的優(yōu)勢(shì)，其截割功率可達(dá)80 kw，可適用于各類(lèi)需要開(kāi)槽的全煤、半煤巖、全巖巷道等地方，開(kāi)槽高度可達(dá)6 m，360 °伸縮回轉(zhuǎn)臂，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)槽一次成型，截割作業(yè)采用遙控操作，可視性好無(wú)視角盲區(qū)。

2 礦用鏈?zhǔn)介_(kāi)槽機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

本開(kāi)槽機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由車(chē)輛覆蓋件總成、伸縮旋臂、防爆發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電氣設(shè)備、液壓系統(tǒng)、底盤(pán)、行走機(jī)構(gòu)、支腿、支頂油缸、鏈?zhǔn)浇馗畈?、回轉(zhuǎn)臺(tái)、滑軌等組成。開(kāi)槽機(jī)將動(dòng)力系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)和旋臂截割機(jī)構(gòu)等集成于底盤(pán)機(jī)架上，結(jié)構(gòu)緊湊，有效減小整機(jī)尺寸，有利于開(kāi)槽機(jī)在礦井下的轉(zhuǎn)場(chǎng)移動(dòng)。

3 礦用智能開(kāi)槽機(jī)主要結(jié)構(gòu)

3.1 行走機(jī)構(gòu)

現(xiàn)有市面上使用的開(kāi)槽機(jī)普遍采用電動(dòng)履帶式行走方式，工作時(shí)需外接電源不能滿足煤礦上下井遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場(chǎng)工況需求。本文研究的開(kāi)槽機(jī)采用礦用防爆國(guó)三電噴柴油機(jī)為動(dòng)力源液力傳動(dòng)，阻燃橡膠實(shí)心輪胎起到支承整機(jī)重量及行走，柴油動(dòng)力的設(shè)備更加機(jī)動(dòng)靈活，不需借助其它輔助設(shè)備或外部電纜，即可在巷道內(nèi)自主行走，對(duì)外部環(huán)境要求低，特別適用于轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁及遠(yuǎn)距離巷道。采用行走方便的無(wú)軌膠輪替代履帶式行走，可在坡度不大于±14°的煤及半煤巖巷道中行走，最高行走速度可達(dá)18 Km/h，節(jié)省了行走時(shí)間和接電準(zhǔn)備工作，提高了效率，同時(shí)有效的避免履帶對(duì)巷道底板的損壞，更加符合礦井環(huán)境空間的要求。依靠液壓馬達(dá)通過(guò)分動(dòng)器傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的四輪驅(qū)動(dòng)行走，由前轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、后驅(qū)動(dòng)橋、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸、液壓馬達(dá)、多片濕式制動(dòng)器組成。

（1）行走馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力先經(jīng)減速器、傳動(dòng)軸傳遞到前（后）驅(qū)動(dòng)橋，再經(jīng)差動(dòng)齒輪、輪邊減速器以大轉(zhuǎn)矩傳遞給車(chē)輪。

（2）1檔P1脫開(kāi)，2檔與同步器嚙合，車(chē)輛高速行駛。

（3）當(dāng)變速轉(zhuǎn)換手柄置于低速位置時(shí)，變速器內(nèi)的2檔與同步器脫開(kāi)，1檔齒輪與同步器嚙合，車(chē)輛低速行駛。

3.2 支撐機(jī)構(gòu)

支撐機(jī)構(gòu)由底盤(pán)機(jī)架和支頂油缸兩部分組成，底盤(pán)機(jī)架兩側(cè)裝有4個(gè)液壓支腿，用以支撐整機(jī)，底盤(pán)上部裝有支頂油缸主要壓緊穩(wěn)固整機(jī)。前端裝有發(fā)動(dòng)機(jī)大梁用于固定防爆發(fā)動(dòng)機(jī)。下部裝有驅(qū)動(dòng)橋均衡鉸接架/（驅(qū)動(dòng)橋支座）用于固定行走裝置。支腿油缸和支頂油缸穩(wěn)定的固定在巷道內(nèi)，如圖2所示，截割作業(yè)時(shí)，有效的杜絕截割部工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、反沖擊力，使設(shè)備整體顫動(dòng)，移位的問(wèn)題。

3.3 伸縮旋轉(zhuǎn)臂

為了減少掏槽機(jī)的載荷，提高生產(chǎn)能力，一般針對(duì)不同煤層應(yīng)采用不同的截割順序，要求截割臂能在巷道內(nèi)操作靈活。一般情況下正確的截割順序：截割半煤巖時(shí)，應(yīng)先截割煤體再截割巖體，既按先軟后硬的程序；對(duì)于較均勻的中硬煤層，應(yīng)先割左右壁槽，再割頂槽，最后掏底槽，截割時(shí)由下向上依次截割到要求深度，然后向上截割剩余部分；對(duì)于硬巖（煤），采取少進(jìn)刀量慢移動(dòng)多次數(shù)的截割順序。針對(duì)以上情況，伸縮旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成由上下兩部分，下部為滑軌滑鞍，上部為回轉(zhuǎn)減速機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)、旋臂?；壙v向移動(dòng)行程可達(dá)0.65 m，滑鞍在滑軌上左右移動(dòng)行程0.8 m，滑鞍左右設(shè)有支重輪和導(dǎo)向輪，確?；笆冀K沿滑軌中心移動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)由回轉(zhuǎn)減速器驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)180°，旋轉(zhuǎn)大臂結(jié)構(gòu)為套筒式，外套筒固定在主軸卡座上固定不動(dòng)，內(nèi)套伸縮臂由內(nèi)置油缸控制伸縮，根據(jù)巷道高度自由調(diào)節(jié)伸縮量。伸縮截割大臂由雙馬達(dá)輸出端小齒輪傳動(dòng)主軸大齒輪作360°旋轉(zhuǎn)，鏈?zhǔn)浇馗畈颗c旋轉(zhuǎn)臂用搖臂鉸接，由油缸控制，可向下彎曲80°，可以截割不同斷面上下左右的基質(zhì)，通過(guò)左右移動(dòng)滑鞍、伸縮副臂、截割部彎曲，滿足不同斷面掏槽作業(yè)，如圖3所示。

3.4 鏈?zhǔn)浇馗畈?/p>

本開(kāi)槽機(jī)切割部采用鏈?zhǔn)津?qū)動(dòng)截割，主要由截割鏈條、鏈輪、左右滾筒、驅(qū)動(dòng)軸、截割橫軸、截齒、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、張緊油缸、機(jī)架組成。由雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸中安裝的鏈輪，以驅(qū)動(dòng)截割鏈條旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由截割鏈條兩側(cè)伸出的銷(xiāo)軸帶動(dòng)滾筒同步旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行截割作業(yè)，截割部的蓋板鏈條及截割滾筒上均設(shè)置了截齒，截割部可直接深入截割面，截割深度可一次成型，無(wú)需左右擺動(dòng)截割部，截割面平整。鏈?zhǔn)浇馗畈孔畲蟮膬?yōu)點(diǎn)是能一次性開(kāi)槽成形，槽口質(zhì)量好，效率高。在液控?fù)Q向閥反饋油口連接主泵負(fù)載模塊外接口上，截割過(guò)程中壓力變化隨時(shí)反饋到主泵，從而保證截割功率不變。切割部機(jī)頭從動(dòng)橫軸兩邊裝有截割輪，截割輪內(nèi)側(cè)安裝驅(qū)動(dòng)鏈輪，由截割鏈條兩側(cè)伸出的銷(xiāo)軸帶動(dòng)滾筒同步旋轉(zhuǎn)進(jìn)行截割作業(yè)，開(kāi)式鏈傳動(dòng)在開(kāi)槽作業(yè)中有效防止夾入煤或異物過(guò)載損壞鏈條。齒座焊接在特制的鏈條蓋板上，截齒插入齒座內(nèi)由卡簧固定方便更換。

4 礦用智能開(kāi)槽機(jī)液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是開(kāi)槽機(jī)的核心，其性能優(yōu)劣直接影響到開(kāi)槽機(jī)的整體性能和可操作性，此液壓系統(tǒng)動(dòng)力源為一臺(tái)雙聯(lián)高壓柱塞泵，由防爆發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，主泵采用負(fù)載敏感自動(dòng)變量泵，與它串聯(lián)的副泵單獨(dú)工作，系統(tǒng)總體分為三大部分，車(chē)輛行走和截割為主體部分，由主泵供油。先導(dǎo)手柄控制、滑軌油缸控制、截割部油缸控制、伸縮臂油缸控制、轉(zhuǎn)臺(tái)滑移油缸控制、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制、大臂回轉(zhuǎn)馬達(dá)控制、車(chē)輛制動(dòng)控制為第二個(gè)主體部分，由副泵供油。車(chē)輛四條支腿油缸控制、支頂油缸控制、支頂架升降油缸控制為第三部分，由副泵供油。

5 開(kāi)槽機(jī)煤礦應(yīng)用

2019年5月13日-27日在大柳塔煤礦56煤六盤(pán)區(qū)輔運(yùn)37聯(lián)巷掏設(shè)一座水泵窩（尺寸1 ×1.5 ×1 m）窩底0.6 m，輔運(yùn)2聯(lián)巷掏頂槽（尺寸0.6×0.8×0.5m），五盤(pán)區(qū)7.5 m處掏頂槽（尺寸6 ×1 ×1 m），52504運(yùn)順機(jī)頭擴(kuò)幫掏槽，52煤延伸回風(fēng)大巷頂幫掏槽（尺寸6 ×3 ×5 m）。經(jīng)過(guò)使用測(cè)試KC-80C礦用智能開(kāi)槽機(jī)可滿足不同硬度煤層硬度的開(kāi)槽，開(kāi)槽效率平均可達(dá)4.7 m?/h，在巷道內(nèi)伸縮旋轉(zhuǎn)臂可靈活動(dòng)伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂，一次性完成開(kāi)槽任務(wù)。初次測(cè)試時(shí)鏈?zhǔn)浇馗畈块_(kāi)槽時(shí)容易夾煤，影響開(kāi)槽性能，將鏈?zhǔn)浇馗畈康拈]式驅(qū)動(dòng)改成開(kāi)式驅(qū)動(dòng)，消除夾煤現(xiàn)象。

6 結(jié)論

（1）自制13噸底盤(pán)，采用2套動(dòng)力系統(tǒng)，切割功率可達(dá)80 Kw，截割部采用蓋板鏈條傳動(dòng)截割技術(shù)，傳動(dòng)鏈輪設(shè)置在左右截割輪內(nèi)側(cè)由截割鏈條兩側(cè)伸出的銷(xiāo)軸驅(qū)動(dòng)，有效避免截割過(guò)程中鏈輪夾煤卡死造成設(shè)備損壞。鏈條上的截齒可截割掉煤層中間的基質(zhì)，無(wú)需左右擺動(dòng)截割部，整個(gè)截割部可深入作業(yè)面一次成型，截面平整、效率高。

（2）研制的伸縮旋轉(zhuǎn)臂可向下擺動(dòng)80°，伸縮截割大臂回轉(zhuǎn)360°，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，滑軌滑鞍可沿著縱向和橫向移動(dòng)，可切割左右上下四周煤壁基質(zhì)，動(dòng)作靈活、效率高。

（3）傳統(tǒng)人工開(kāi)一道寬0.5 m、深0.5 m、高3.5 m的防火密閉槽，需要兩個(gè)人，六個(gè)班完成，平均一天兩個(gè)班，采用智能旋臂開(kāi)槽機(jī)，1人遙控作業(yè)，20分鐘完成，效率是人工數(shù)十倍。

（4）由雙作用油缸控制的開(kāi)槽截割作業(yè)支撐機(jī)構(gòu)，截割工作時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定性更加安全可靠，有效的杜絕截割部工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、反沖擊力，使設(shè)備整體顫動(dòng)，移位的問(wèn)題。

（5）采用無(wú)線遙控智能化操作模式，人員可遠(yuǎn)距離遙控操作，直接面對(duì)工作面，無(wú)視野盲區(qū)，安全性高。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技廳關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目“礦用旋臂智能銑刨機(jī)的研制與應(yīng)用”（基金編號(hào)：021GG0189）；鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院汽車(chē)技術(shù)教科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院產(chǎn)教融合協(xié)同育人創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

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