彭軍， 冬梅

(1. 中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 200030； 2. 上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 上海 200234)

0 引言

目前，硬巖巷道掘進(jìn)普遍采用TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工，TBM支撐推進(jìn)與方向控制中采用鞍架配拱形撐靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作。目前巷道掘進(jìn)機(jī)一般都是圓形截割，而在工程實(shí)際中一般都需要矩形巷道，通常情況下都是采用圓形隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)圓形巷道后再次采取回填加固的方式使之成為需要的矩形巷道。在煤礦巷道掘進(jìn)領(lǐng)域，急需研發(fā)新型全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)來(lái)替代原始部分端面掘進(jìn)機(jī)，從根本上革新掘進(jìn)工藝，從而徹底解決煤礦掘進(jìn)功效低的問(wèn)題。

1 新型矩形全斷面推進(jìn)機(jī)探索的技術(shù)問(wèn)題

近年來(lái)為了滿足矩形斷面巷道的要求，全斷面矩形巷道掘進(jìn)機(jī)應(yīng)遇而生，隨著矩形掘進(jìn)機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用于隧道及巷道掘進(jìn)，矩形掘進(jìn)機(jī)支撐與方向控制問(wèn)題也隨之產(chǎn)生，即如何有效地對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行方向控制，并在掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制糾偏對(duì)方向控制系統(tǒng)提出了新的要求。由研究分析表明，全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)的支撐與調(diào)向系統(tǒng)是保證機(jī)器滿足工藝需求進(jìn)行工作的關(guān)鍵所在，為此，參考了TBM中支持與調(diào)向結(jié)構(gòu)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于矩形掘進(jìn)機(jī)的支撐推進(jìn)與方向控制，使之解決工程實(shí)際中矩形掘進(jìn)機(jī)支撐與調(diào)向的問(wèn)題，為掘進(jìn)機(jī)的支撐與調(diào)向開(kāi)辟新的方向。本文設(shè)計(jì)一種新型矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)用支撐推進(jìn)與調(diào)向機(jī)構(gòu)，如圖1所示。它可滿足全斷面矩形巷道掘進(jìn)機(jī)的使用要求。

圖1 矩形掘進(jìn)機(jī)及支撐推進(jìn)調(diào)向系統(tǒng)

2 技術(shù)方案要點(diǎn)

支撐調(diào)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它采用鞍架配矩形導(dǎo)向撐靴和主梁配合進(jìn)行工作。鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)與導(dǎo)向主梁通過(guò)主梁導(dǎo)軌連接，主梁與前部機(jī)頭法蘭連接。鞍架沿著導(dǎo)軌可以前后滑移，鞍架通過(guò)導(dǎo)軌帶動(dòng)主梁和截割部以截割部前端為支點(diǎn)上下左右糾偏進(jìn)行方向控制。

圖2 支撐調(diào)向機(jī)構(gòu)

鞍架通過(guò)水平油缸與撐靴橫跨連接，撐靴底部前后有2條導(dǎo)向槽，后中部有1條導(dǎo)向燕尾槽，通過(guò)導(dǎo)向槽與嵌入掘進(jìn)機(jī)后平臺(tái)的耐磨導(dǎo)向槽連接導(dǎo)向，同時(shí)與主機(jī)后部的反力座連接導(dǎo)向，撐靴沿著導(dǎo)軌在耐磨導(dǎo)向槽上滑移，工作時(shí)撐靴滑移撐住巷道側(cè)幫產(chǎn)生摩擦力提供推進(jìn)力。通過(guò)這種連接方式將撐靴機(jī)構(gòu)與掘進(jìn)機(jī)后平臺(tái)連接，同時(shí)鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)又與撐靴機(jī)構(gòu)有效合理通過(guò)球窩萬(wàn)向連接實(shí)現(xiàn)了支撐調(diào)向機(jī)構(gòu)的合理布置并且有效工作，在工作過(guò)程中有效貼住側(cè)幫，產(chǎn)生摩擦力。

TBM等圓形巷道支撐調(diào)向結(jié)構(gòu)合理解決了圓形巷道的支撐調(diào)向問(wèn)題，現(xiàn)有的矩形巷道支撐調(diào)向機(jī)構(gòu)很多都是通過(guò)殼體之間通過(guò)糾偏油缸直接糾偏調(diào)向。這種新型的支撐調(diào)向機(jī)構(gòu)將圓形巷道支撐調(diào)向機(jī)構(gòu)的靈活可靠性應(yīng)用于矩形巷道掘進(jìn)機(jī)上，合理解決了矩形掘進(jìn)機(jī)的支撐與調(diào)向問(wèn)題。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本支撐與調(diào)向機(jī)構(gòu)由鞍架、撐靴、主梁等組成。

鞍架由鞍架結(jié)構(gòu)件、2個(gè)水平缸、4個(gè)浮動(dòng)缸、中間哈虎十字銷(xiāo)機(jī)構(gòu)、4個(gè)耐磨密封導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)、8個(gè)彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)、2個(gè)滑道、滑道座結(jié)構(gòu)以及油缸擋塊等組成，如圖3所示。中間的哈虎十字銷(xiāo)結(jié)構(gòu)通過(guò)法蘭將2個(gè)水平油缸連接，油缸活塞桿與撐靴以球窩的形式連接，4個(gè)浮動(dòng)油缸通過(guò)長(zhǎng)銷(xiāo)軸將鞍架與浮動(dòng)油缸上的油缸擋塊連接，4個(gè)耐磨密封導(dǎo)向套兩兩與主梁導(dǎo)軌滑移連接，8個(gè)彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)兩兩頂住油缸擋塊并在上面滑移，并且保證復(fù)位彈簧套不滑移出擋塊，油缸擋塊相互之間連接保證水平缸筒不直接承受浮動(dòng)缸的徑向力。鞍架繞著中間哈虎十字銷(xiāo)可以旋轉(zhuǎn)，整個(gè)鞍架可以繞著水平缸活塞缸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)水平缸和浮動(dòng)缸伸縮，可以實(shí)現(xiàn)豎直方向鞍架的移動(dòng)自由度、旋轉(zhuǎn)自由度和水平方向的移動(dòng)自由度、旋轉(zhuǎn)自由度。

圖3 鞍架結(jié)構(gòu)

撐靴通過(guò)球窩與水平油缸連接，使鞍架橫跨于2個(gè)撐靴之間。撐靴下部設(shè)計(jì)2個(gè)導(dǎo)軌使整個(gè)撐靴在嵌入主機(jī)的耐磨板上滑移，撐靴后部的滑移導(dǎo)軌與燕尾導(dǎo)向槽在主機(jī)上連接并且滑移傳遞平衡力、力矩。撐靴撐開(kāi)頂住巷道側(cè)幫產(chǎn)生的摩擦力并提供推進(jìn)所需的力。 如圖4所示。

主梁前端通過(guò)法蘭與前部機(jī)頭連接，主梁兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)2根長(zhǎng)導(dǎo)軌，鞍架整體沿著導(dǎo)軌前后可以滑移。如圖5所示。

圖4 撐靴結(jié)構(gòu)

圖5 主梁結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)整機(jī)機(jī)頭與后部平臺(tái)兩大部分之間的軟連接，有效降低震動(dòng)的傳遞，同時(shí)也有效合理地布置,使整機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)與調(diào)向機(jī)構(gòu)成為一體，極大地利用了有限空間。

4 工作原理和工作過(guò)程

1) 工作原理。如圖6所示，撐靴與支架底座上的反力座通過(guò)導(dǎo)向槽連接，導(dǎo)向燕尾槽起連接導(dǎo)向作用，支架平臺(tái)主頂油缸伸出頂梁底座撐住巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生摩擦力，水平撐靴撐住巷道側(cè)幫產(chǎn)生摩擦力，其中頂?shù)装宓哪Σ亮νㄟ^(guò)反力座與導(dǎo)向槽傳遞給撐靴，產(chǎn)生的總摩擦力提供支撐系統(tǒng)的推進(jìn)力，鞍架水平缸和浮動(dòng)缸以撐靴為支點(diǎn)帶動(dòng)鞍架上下左右運(yùn)動(dòng)，鞍架通過(guò)主梁導(dǎo)軌帶動(dòng)主梁和機(jī)頭以機(jī)頭支點(diǎn)進(jìn)行角度糾偏和方向控制。

2) 工作過(guò)程。支架頂?shù)装逵透咨斐鰮巫∠锏理數(shù)装澹瑫r(shí)水平油缸伸出撐靴撐住巷道側(cè)幫，主推油缸推動(dòng)機(jī)頭進(jìn)行工作。主推油缸推動(dòng)機(jī)頭一個(gè)行程以后，以機(jī)頭為支點(diǎn)主推油缸收縮拉動(dòng)整個(gè)后平臺(tái)前移一個(gè)行程，然后再進(jìn)入下一個(gè)主推過(guò)程。主梁與鞍架機(jī)構(gòu)起到導(dǎo)向作用，控制機(jī)頭運(yùn)動(dòng)方向，糾偏時(shí)，支架頂梁底座和水平撐靴先撐開(kāi)穩(wěn)住后平臺(tái)，鞍架水平缸以后平臺(tái)為支點(diǎn)伸縮帶動(dòng)主梁和機(jī)頭以機(jī)頭前端為支點(diǎn)左右糾偏和方向控制，鞍架浮動(dòng)缸帶動(dòng)鞍架豎直方向運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)主梁和機(jī)頭以機(jī)頭前端為支點(diǎn)豎直方向進(jìn)行糾偏和方向控制。

圖6 支撐推進(jìn)與調(diào)向系統(tǒng)布置

5 結(jié)論

通過(guò)探索與研究，合理的布置與設(shè)計(jì)支撐推進(jìn)調(diào)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)功能的有機(jī)統(tǒng)一，滿足了矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)的使用要求，為新型矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)支撐推進(jìn)調(diào)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。