王 曉

（長(zhǎng)治市煤礦工程質(zhì)量監(jiān)督站， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)作為一種自動(dòng)化程度高的煤炭開采巷道掘進(jìn)設(shè)備在我國(guó)煤礦中得到廣泛應(yīng)用，但目前所用的傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)仍然比較依賴于人工操作，完全自動(dòng)化的掘進(jìn)機(jī)在巷道自動(dòng)掘進(jìn)中仍存在很大的難度[1]。因此，提高掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化程度，可保證掘進(jìn)機(jī)在巷道掘進(jìn)過程中的適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用性好。

1 掘進(jìn)機(jī)組成及工作原理

1.1 掘進(jìn)機(jī)的組成

懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)以及相應(yīng)的電氣控制部分、液壓驅(qū)動(dòng)部分等組成。掘進(jìn)作業(yè)時(shí)主要通過控制部分操控前端截割機(jī)構(gòu)在巷道平面內(nèi)上、下、左、右的各個(gè)方向移動(dòng)，使截割頭能夠截割出任意形狀不同斷面的巷道[2]。根據(jù)截割頭驅(qū)動(dòng)軸安裝的不同可分為有縱軸式和橫軸式兩種掘進(jìn)機(jī)。由于懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)先進(jìn)，能夠適應(yīng)不同煤層賦存情況，且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，采煤效率高、工作可靠、安全，改善了煤礦工人的勞動(dòng)條件，在我國(guó)礦井中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 掘進(jìn)機(jī)的工作原理

自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)工作原理：以液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)截割機(jī)構(gòu)的軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)截割部刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過推進(jìn)油缸驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)，使得掘進(jìn)不斷向前推進(jìn)，連續(xù)作業(yè)，將井下巖石切割下來，并通過裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)，將碎石運(yùn)出井下[3]。

掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)巷道自動(dòng)掘進(jìn)的一個(gè)主要功能是安裝在掘進(jìn)機(jī)的一套自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器設(shè)備能夠自動(dòng)識(shí)別控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定好的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，在作業(yè)環(huán)節(jié)中，對(duì)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)位置以及掘進(jìn)機(jī)大臂的截割位置分別進(jìn)行跟蹤控制和截割控制，并根據(jù)獲取到的實(shí)際位置信息和系統(tǒng)接收到的作業(yè)指令，進(jìn)行自動(dòng)分析和對(duì)比，自動(dòng)糾正誤差，最終完成作業(yè)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道的自動(dòng)掘進(jìn)。該自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)就是掘進(jìn)機(jī)可根據(jù)地面人員輸入的任務(wù)指令，自動(dòng)完成相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)的無人化，提高了巷道掘進(jìn)的安全性。自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的功能原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的功能原理框圖

2 掘進(jìn)機(jī)主要機(jī)構(gòu)分析

2.1 掘進(jìn)機(jī)截割部工作機(jī)構(gòu)分析

圖2 掘進(jìn)機(jī)截割部示意圖

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割部一般由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、懸臂和截割頭等組成，如圖2所示。截割部是掘進(jìn)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般只有新型的自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的截割部安裝有伸縮機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)主要是為了在環(huán)境復(fù)雜的煤層賦存情況下掘進(jìn)機(jī)截割部無法完成切割巖石時(shí)，保障截割部能夠自我縮回，減少操作的復(fù)雜性，防止設(shè)備截割部刀盤出現(xiàn)損傷。截割部位于掘進(jìn)機(jī)行走方向的最前方，安裝在一個(gè)具有旋轉(zhuǎn)功能軸上，截割刀盤安裝在截割部的最前端，可沿著機(jī)械大臂軸前后伸縮。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)是煤礦采掘設(shè)備中的先驅(qū)機(jī)構(gòu)，是負(fù)責(zé)在巖石巷道掘進(jìn)過程中破割煤巖、形成巷道斷面的主要執(zhí)行部件。因此，截割部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式、截割效率，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的整體性能的發(fā)揮具有很大的影響。

2.2 自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的行走結(jié)構(gòu)分析

如圖3所示，自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的行走結(jié)構(gòu)主要是采用雙履帶式行走機(jī)構(gòu)，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)主要是可以通過控制履帶上的多位電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)方向的靈活變化，使得掘進(jìn)機(jī)在行走時(shí)能夠更好地適應(yīng)巷道復(fù)雜環(huán)境下的掘進(jìn)任務(wù)。

圖3 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

3 掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用研究分析

3.1 應(yīng)用中存在的主要問題及原因分析

掘進(jìn)機(jī)在使用過程中經(jīng)常會(huì)遇到截割機(jī)械大臂與鏟板的發(fā)生干涉碰撞現(xiàn)象，造成截割機(jī)構(gòu)與鏟板區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、機(jī)件損壞，甚至導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，造成誤工。

掘進(jìn)機(jī)在向前推進(jìn)完成割巖動(dòng)作時(shí)，巖石能夠被非常精準(zhǔn)地裝運(yùn)到裝載機(jī)構(gòu)，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割部機(jī)械大臂進(jìn)行臥底作業(yè)，截割部機(jī)械大臂到達(dá)從水平位置時(shí)，仍需繼續(xù)向下移動(dòng)來完成底部地面的形成，此時(shí)還未超出截割部機(jī)械大臂下移的下限位置允許處，截割部機(jī)械大臂下方就已經(jīng)與鏟板部上部發(fā)生接觸碰撞，而在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中，由于巷道地面起伏不平，必會(huì)使得掘進(jìn)機(jī)鏟板在向前行走過程中抬起一個(gè)角度，與截割部機(jī)械大臂造成更為嚴(yán)重激烈的碰撞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障損壞，具體分析如下：

1）掘進(jìn)機(jī)截割部機(jī)械大臂處與掘進(jìn)機(jī)鏟板部后部的限位塊結(jié)構(gòu)和位置的設(shè)計(jì)不合理，僅僅考慮了各自獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)軌跡，沒有考慮到增加的限位塊對(duì)截割部機(jī)械大臂全范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)有無與鏟板部部位產(chǎn)生干涉問題。

2）掘進(jìn)機(jī)的傳統(tǒng)液壓油缸的調(diào)節(jié)與控制精度不夠。當(dāng)機(jī)械大臂進(jìn)行臥底作業(yè)向下移動(dòng)靠近鏟板部時(shí)，液壓油缸不能夠精確把握機(jī)械大臂與鏟板部的運(yùn)動(dòng)速度與位置，使得截割部與鏟板部運(yùn)動(dòng)超出可以控制的范圍，發(fā)生碰撞。

3.2 改進(jìn)措施

通過以上原因分析，提出以下兩種解決措施：一是在掘進(jìn)機(jī)初始設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，避免結(jié)構(gòu)干涉；二是通過增加一種輔助裝置，從而預(yù)防干涉的發(fā)生。

4 掘進(jìn)機(jī)發(fā)展方向

1）提高懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，研究出能夠適應(yīng)煤層賦存條件惡劣復(fù)雜環(huán)境的高質(zhì)量、高精度化的掘進(jìn)機(jī)。

2）改進(jìn)現(xiàn)有懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工藝，研究更高效的巖石快速掘進(jìn)技術(shù)。

3）提高掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化程度，以更好地適應(yīng)巷道的快速無人化掘進(jìn)，保障作業(yè)安全、減少人員傷亡，為后續(xù)采煤作業(yè)提供更好的作業(yè)環(huán)境。