梁志文，齊真軍，郝玉峰，王廣楨(山西西山煤電德匯實(shí)業(yè)有限公司，山西 太原 030000)

綜采工作面采機(jī)遇巖性較硬的無炭柱或斷層時(shí)(一般需要f≥8以上石灰?guī)r)，采機(jī)滾筒無法直接切割巖石，嚴(yán)重影響井下煤炭開采效率。解決的方法是在工作面無炭柱或斷層圍巖上打孔放震動炮，利用放炮圍巖松弛后再進(jìn)行采機(jī)滾筒切割崩碎巖石的操作，達(dá)到將無炭柱或斷層切割的工作效果。

本研究針對現(xiàn)階段綜采過程中過無炭柱、斷層等特殊地質(zhì)構(gòu)造存在的效率低、勞動強(qiáng)度大的問題，提供一種適應(yīng)快速打孔及快速移動的鉆孔機(jī)械手裝置。該綜采工作面過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆孔機(jī)械手設(shè)備應(yīng)用高效沖擊DF430X液壓鑿巖機(jī)代替現(xiàn)在井下使用的風(fēng)鉆鉆機(jī)，效率高，打鉆時(shí)間縮短，解決了勞動強(qiáng)度大作業(yè)環(huán)境不安全的問題。該設(shè)備整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行靈活可靠、鉆孔效率高，特別是采用了可折疊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)束工作后可以折疊到液壓支架頂梁下，其騰出的空間滿足采機(jī)正常通行，與采煤機(jī)運(yùn)行不發(fā)生干涉。

1 研制項(xiàng)目的技術(shù)方案

1.1 用聯(lián)合仿真手段建立虛擬樣機(jī)模型

鉆孔機(jī)械手的三維實(shí)體模型均在Solidworks中建立并裝配，然后將裝配好的模型導(dǎo)入ADMAS生成剛性體機(jī)構(gòu)；柔性機(jī)構(gòu)件則用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，生成MNF中性文件后，導(dǎo)入ADMAS，替換掉相應(yīng)的剛性部件，最終生成剛?cè)狁詈系臋C(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行仿真分析優(yōu)化設(shè)計(jì)。技術(shù)流程和樣機(jī)模型見圖1.

1.2 綜采過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆孔機(jī)械手機(jī)構(gòu)組成

綜采過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆孔機(jī)械手分為主機(jī)部分、液壓動力部分及整體收縮回收部分共計(jì)3部分。

1.2.1液壓鉆機(jī)機(jī)械手主機(jī)部分

該鉆機(jī)的主要組成部分包括行走底盤、上立柱、滑套、鉆機(jī)體和液壓泵站等，見圖2.

1) 行走底盤。

行走底座為矩形鋼管和鋼板焊接組成的框架式結(jié)構(gòu)，包括底盤框架、行走輪、卡軌器、下立柱、伸縮式框架和刮板夾持器等組成。

2) 鉆機(jī)體。

鉆機(jī)體包括導(dǎo)軌、鉆機(jī)、鉆機(jī)托板和80-50-1100油缸等組件。鉆機(jī)主機(jī)為鉆桿提供動力實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用雙油缸兩級液壓油缸系統(tǒng)，使得一個(gè)工作循環(huán)推進(jìn)深度≥1 600 mm，滿足采煤機(jī)滾筒兩刀截深要求。

3) 液壓鉆機(jī)的選型及介紹。

選用多福牌DF430X液壓鑿巖機(jī)，主要特點(diǎn)是具有高頻沖擊功能、重量和體積更小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石材開采，露天采石及鉆孔工程，應(yīng)用于煤礦無炭柱、斷層打孔充藥爆破是首次。設(shè)備本身具有水洗功能，對鉆孔產(chǎn)生的礦渣具有自潔作用。液壓鉆機(jī)選型對比見表1.

圖1 樣機(jī)建立流程圖

圖2 液壓鉆機(jī)機(jī)械手主機(jī)部分示意圖

4) 立柱。

鉆機(jī)立柱主體為一個(gè)方鋼管，其頂端內(nèi)部有一液壓頂緊裝置，底部為立柱傾倒機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。液壓頂緊裝置在鉆機(jī)工作時(shí)，使其液壓缸活塞桿伸出頂緊在液壓支架的前探梁上，可防止鉆機(jī)傾翻、減小鉆機(jī)振動、增加鉆機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性。立柱傾倒機(jī)構(gòu)在鉆機(jī)工作之后，可將立柱連帶鉆機(jī)體放倒，便于其回收存放并利于其它采煤機(jī)械的工作。立柱可以在底盤上水平轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍為±30°，分為10檔，每檔調(diào)節(jié)完后鎖死。立柱回收方式設(shè)計(jì)為可折疊式和可拔出式兩種結(jié)構(gòu)方式。

表1 液壓鉆機(jī)選型對比表

5) 滑套平臺機(jī)構(gòu)。

滑套平臺機(jī)構(gòu)主要功能是升降鉆機(jī)和調(diào)節(jié)鉆機(jī)角度。鉆機(jī)體向上最大仰角為15°，向下最大俯角為30°，角度調(diào)整分度為15°.當(dāng)需要調(diào)整鉆機(jī)體的高度時(shí)，搖動手搖絞盤手柄，調(diào)好位置后松開手柄，在鉆機(jī)體重力作用下，絞盤剎車自動開啟，使鉆機(jī)體保持位置不變。滑套二維圖見圖3.

1.2.2液壓動力部分

液壓動力部分包括：液壓鑿巖機(jī)動力、乳化液動力轉(zhuǎn)換馬達(dá)、液壓泵站、柱塞泵機(jī)構(gòu)、收回機(jī)械手液壓缸及操控機(jī)構(gòu)等。

圖3 滑套二維圖

1.2.3整體收縮回收機(jī)構(gòu)

綜采工作面過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆孔，機(jī)械手在打完排孔后，安裝在工作面溜槽上，其占據(jù)的溜槽位置是采煤機(jī)的必經(jīng)之路。液壓鉆孔機(jī)械手讓開在溜槽上占據(jù)的位置，以方便采機(jī)通過。抓取機(jī)械手使用抱箍機(jī)構(gòu)固定在液壓支架的兩根立柱上。抓取后升起位置在立柱前端頂梁下方較大空間內(nèi)，不會影響采機(jī)正常通過。搬運(yùn)機(jī)械手工作過程示意圖見圖4.

圖4 搬運(yùn)機(jī)械手工作過程示意圖

2 綜采過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆機(jī)機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)

1) 液壓鉆機(jī)機(jī)械手整體折疊回收關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。

本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了可折疊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在工作完一個(gè)循環(huán)后能回縮體積高度到480 mm左右，利用固定在液壓支架立柱上的回收機(jī)械手裝置抓取并抬升到液壓支架頂梁下方。

2) 綜采過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆孔機(jī)械手系統(tǒng)動力源關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。

本機(jī)械手機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動力源為液壓支架乳化液動力系統(tǒng)提供。DF430X液壓鑿巖機(jī)具有高頻沖擊功能，需專用液壓油泵站供給。井下為了利用便捷的乳化液泵站動力，需要使用乳化液馬達(dá)對乳化液泵站的動力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其工作順序?yàn)椋喝榛罕谜尽榛厚R達(dá)動力轉(zhuǎn)換→液壓油泵站→鉆機(jī)工作。

3) 整體回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

鉆機(jī)機(jī)械手工作完畢折疊后，由液壓支架上的回收機(jī)構(gòu)整體回收在支架頂梁下方并用護(hù)繩固定。回收桿機(jī)構(gòu)由油缸驅(qū)動，其油缸的收縮、伸展實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)整體回收。搬運(yùn)機(jī)械手工作過程示意圖見圖5.

3 綜采過地質(zhì)構(gòu)造液壓鉆機(jī)機(jī)械手主要技術(shù)指標(biāo)

綜采過無炭柱鉆孔機(jī)械手整機(jī)技術(shù)指標(biāo)為：最小高度：1 500 mm；最大高度：3 500 mm；整機(jī)總長度：3 800 mm；整機(jī)總寬度：1 500 mm；整機(jī)總重量：440 kg；乳化液泵站最大壓力：30 MPa；鉆孔水平分布間距800～1 000 mm；鉆孔豎直間距900～1 000 mm；鉆孔深度≥1 600 mm；鉆孔作業(yè)巖石硬度f≥8(石灰?guī)r)；鉆孔垂直范圍：0～2 800 mm；鉆機(jī)水平旋轉(zhuǎn)角度：±30°；鉆機(jī)俯仰旋轉(zhuǎn)角度：±15°；鉆機(jī)沖擊功率：10 kW.

圖5 搬運(yùn)機(jī)械手工作過程示意圖

4 結(jié) 論

4.1 縮短工作時(shí)間，提高效率

與單孔鉆機(jī)效率比較，液壓鉆機(jī)機(jī)械手的工作效率是風(fēng)動鉆機(jī)工作效率的3.3倍。按正常工作面如有30個(gè)鉆孔測算,風(fēng)動鉆機(jī)鉆完30個(gè)孔的實(shí)際使用時(shí)間為30×15=450 min，輔助時(shí)間30×3=90 min，風(fēng)動鉆機(jī)共計(jì)使用時(shí)間450+90=540 min；液壓鉆機(jī)機(jī)械手綜合使用時(shí)間為30×1.5+30×4=165 min. 綜合效率液壓鉆機(jī)機(jī)械手是風(fēng)動鉆機(jī)的540÷165=3.3倍，即原來綜采工作面如果每班除打眼放炮外只割兩刀煤，現(xiàn)利用液壓鉆機(jī)機(jī)械手可正常割煤6.6刀。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

革新后的設(shè)備不僅解決了井下現(xiàn)有技術(shù)存在的作業(yè)人員重復(fù)搬運(yùn)、安拆轉(zhuǎn)移設(shè)備帶來的作業(yè)功效低，勞動強(qiáng)度大的問題，而且結(jié)構(gòu)緊湊運(yùn)行靈活，打眼工效高，其可折疊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與采煤機(jī)配套協(xié)同作業(yè)，使采煤工作效率提高，有較高的推廣價(jià)值。

該設(shè)備的推廣以山西焦煤集團(tuán)為例，保守估計(jì)需求量200臺以上，按單臺30萬/臺計(jì)算，可產(chǎn)生30×200=6 000萬以上的生產(chǎn)產(chǎn)值，利潤在3 000萬以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。