劉青松，劉歡，李巖

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

我國雖然煤炭資源蘊(yùn)藏豐富，但適用于露天開采的煤田極少，比美國、加拿大、俄羅斯的煤田復(fù)雜的多，地下井工開采是煤礦開采的主要方式。復(fù)雜地質(zhì)條件下的快速智能掘進(jìn)始終是個難題，同時，掘進(jìn)裝備的自動化智能程度已成為制約煤礦提高生產(chǎn)能力的主要因素。面臨這種獨(dú)特的開采條件，集中力量研制一種全新的智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，就顯得尤為迫切。

1 設(shè)備介紹

該智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)基于慣導(dǎo)＋數(shù)字式全站儀實現(xiàn)精確定位，包括依次布置于煤礦巷道內(nèi)的橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人、臨時支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人、電液控平臺、通風(fēng)除塵系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)。橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人位于臨時支護(hù)機(jī)器人的框架內(nèi)，位于整個系統(tǒng)的最前方，利用臨時支護(hù)機(jī)器人一推一拉向前移動；鉆錨機(jī)器人、錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人和電液控平臺通過鉸接與臨時支護(hù)機(jī)器人串聯(lián)在一起，通過前方牽引前后移動，通過鉸接兩側(cè)的液壓缸微調(diào)左右位置；鉆錨機(jī)器人用于完成錨網(wǎng)永久支護(hù)的鉆錨任務(wù)，鉆錨機(jī)器人上安裝兩排鉆機(jī)，可以一次性完成永久支護(hù)，所有鉆機(jī)均可選裝90°，前后微調(diào)，實現(xiàn)所有頂部和側(cè)幫的支護(hù)，利用鉆錨機(jī)器人上搭載的傳感器和液壓伺服系統(tǒng)實現(xiàn)人工輔助的自動打鉆及自動上錨網(wǎng)；錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人通過機(jī)械手機(jī)構(gòu)、傳感器及液壓伺服系統(tǒng)實現(xiàn)自動給鉆錨機(jī)器人上網(wǎng)和給第一錨網(wǎng)庫補(bǔ)網(wǎng)；臨時支護(hù)機(jī)器人包括臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅱ，用于實現(xiàn)對圍巖的及時支護(hù)和對機(jī)器人系統(tǒng)的自動拖動，具有超前鉆探、修幫、自動糾偏功能；運(yùn)輸系統(tǒng)包括刮板運(yùn)輸機(jī)、落地皮帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、主運(yùn)皮帶，掘進(jìn)機(jī)器人開采的煤通過刮板運(yùn)輸機(jī)傳輸?shù)铰涞厥睫D(zhuǎn)載機(jī)上，落地式轉(zhuǎn)載機(jī)再將煤轉(zhuǎn)載到主運(yùn)皮帶上，將煤運(yùn)出；臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅰ與刮板運(yùn)輸機(jī)鉸接并帶動其向前移動，臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅱ與落地式轉(zhuǎn)載機(jī)鉸接并帶動其向前移動；通風(fēng)除塵系統(tǒng)通過外部管道將新鮮空氣送到前端，直達(dá)臨時支護(hù)機(jī)器人內(nèi)部，右側(cè)定制的矩形管道為送新風(fēng)管道，為工作人員提供新鮮空氣，右側(cè)方形管道為除塵口，通過負(fù)壓將煤塵帶走；運(yùn)輸系統(tǒng)通過邁步式自移機(jī)尾拖動帶式輸送機(jī)向前移動，與煤巖運(yùn)輸系統(tǒng)保持同步，如圖1。

圖1 橫軸掘錨機(jī)整體布局圖

橫軸式截割部包括橫軸截割頭、懸臂、一對液壓缸和滑臺底座。橫軸截割頭用于實現(xiàn)高效率截割，其內(nèi)部液壓馬達(dá)伺服系統(tǒng)能實時反饋轉(zhuǎn)速和液壓壓力；一對液壓缸用于為懸臂提供上下擺動的動力，液壓缸上有位移傳感器，實時反饋懸臂位置；滑臺底座與臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅰ底部通過軌道連接，并且通過滑臺底座可以帶動整個橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人前后移動，見圖2。

圖2 截割部結(jié)構(gòu)圖

臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅱ通過前拉后推牽引系統(tǒng)前進(jìn)。見圖3。

圖3 臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

鉆錨機(jī)器人包括機(jī)體、展網(wǎng)機(jī)構(gòu)、第一排鉆、第二排鉆、第三排鉆、錨網(wǎng)運(yùn)輸裝置、移動機(jī)構(gòu)、側(cè)幫升降工作平臺和護(hù)盾，機(jī)體與臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅱ鉸接，通過兩側(cè)的液壓缸微調(diào)位置；護(hù)盾和展網(wǎng)機(jī)構(gòu)用于將到達(dá)預(yù)定位置的折疊網(wǎng)打開，第一排鉆、第二排鉆和第三排鉆上布置的鉆機(jī)能左右和上下移動，且可以繞旋轉(zhuǎn)中心90°旋轉(zhuǎn)，所有錨桿鉆機(jī)具有角度微調(diào)功能，范圍為±5°，利用鉆機(jī)上布置的傳感器在人工裝上錨桿后可以實現(xiàn)一鍵打鉆和一鍵錨固功能，所有錨桿鉆機(jī)具有獨(dú)立控制功能，頂部錨桿鉆機(jī)有污水收集功能；錨網(wǎng)運(yùn)輸裝置安裝在機(jī)體頂部，與后面的錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人頂部平行，通過旋轉(zhuǎn)傳送裝置將錨網(wǎng)從錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人頂部運(yùn)輸至機(jī)體前端預(yù)定位置，移動機(jī)構(gòu)前端與臨時支護(hù)機(jī)器人鉸接；側(cè)幫升降工作平臺能根據(jù)作業(yè)人員需要升降，見圖4。

圖4 機(jī)載鉆機(jī)示意圖

錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人包括第一錨網(wǎng)庫、物料庫、機(jī)械手機(jī)構(gòu)、主機(jī)架和滑靴移動機(jī)構(gòu)Ⅰ，第一錨網(wǎng)庫用于儲存折疊錨網(wǎng)，物料庫位于第一錨網(wǎng)庫下方，左邊用于儲存錨桿，右邊儲存螺絲和蓋板，機(jī)器手機(jī)構(gòu)能上下伸縮和前后移動，用于將錨網(wǎng)從電液控平臺上的第二錨網(wǎng)庫運(yùn)輸?shù)降谝诲^網(wǎng)庫，或?qū)㈠^網(wǎng)從第一錨網(wǎng)庫夾持到鉆錨機(jī)器人頂上的鏈?zhǔn)藉^網(wǎng)運(yùn)輸裝置，滑靴移動機(jī)構(gòu)Ⅰ與主架剛性連接，與前方鉆錨機(jī)器人及后方電液控平臺鉸接，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人可以根據(jù)搭載的傳感器和計時器實現(xiàn)自動給鉆錨機(jī)器人上錨網(wǎng)，自動給第一錨網(wǎng)庫補(bǔ)充錨網(wǎng)。見圖5。

圖5 錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人

2 設(shè)備工作過程

掘進(jìn)機(jī)器人完成掘進(jìn)后，系統(tǒng)檢測鉆錨機(jī)器人是否完成了一個截距的鉆錨作業(yè)，如果完成了，則掘進(jìn)機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人復(fù)位，臨時支護(hù)機(jī)器人拖動整個系統(tǒng)前進(jìn)一個截距，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人完成自動布網(wǎng)作業(yè)后，掘進(jìn)機(jī)器人開始截割作業(yè)，同時鉆錨機(jī)器人對巷道進(jìn)行頂網(wǎng)和護(hù)幫，完成鉆錨作業(yè)。掘進(jìn)機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人為并行作業(yè)方式，運(yùn)輸系統(tǒng)和通風(fēng)除塵系統(tǒng)不間斷運(yùn)行保障運(yùn)輸和空氣環(huán)境質(zhì)量，在實現(xiàn)快速掘進(jìn)的同時，保證安全的空頂距，如此循環(huán)往復(fù)，完成煤礦巷道掘進(jìn)、永久支護(hù)等一系列工序，如圖6。

圖6 設(shè)備工作過程

在掘進(jìn)機(jī)器人自動完成一個截距的掘進(jìn)任務(wù)后，系統(tǒng)進(jìn)入移動狀態(tài)，狀態(tài)燈閃爍，提醒工人進(jìn)入安全位置，臨時支護(hù)機(jī)器人通過前拉后推使系統(tǒng)前進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)器人開始下一截距的掘進(jìn)任務(wù)，鉆錨機(jī)器人開始所在位置的錨網(wǎng)支護(hù)，鉆錨進(jìn)行下一個錨網(wǎng)支護(hù)前，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人將第一錨網(wǎng)庫的折疊錨網(wǎng)運(yùn)到鉆錨機(jī)器人的鏈?zhǔn)藉^網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)上，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人通過自帶的計數(shù)器計算第一錨網(wǎng)庫內(nèi)存儲的錨網(wǎng)數(shù)量，在錨網(wǎng)數(shù)量為零時，發(fā)動該信號至機(jī)械手，自動從電液控平臺上的第二錨網(wǎng)庫上給第一錨網(wǎng)庫補(bǔ)網(wǎng)，電液控平臺的集成控制室負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視和各個子系統(tǒng)的協(xié)同和監(jiān)視，并同步數(shù)據(jù)到井上監(jiān)控室，在換班時，由下一個班組的工人和后勤工人通過礦井運(yùn)輸裝置，補(bǔ)充錨網(wǎng)和其他物料，下班后完成基本檢測和系統(tǒng)廢料箱更換，在完成固定進(jìn)尺或班次后設(shè)檢修班，進(jìn)行系統(tǒng)檢修，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)能解決復(fù)雜地質(zhì)條件智能掘進(jìn)難題，提高了掘進(jìn)效率，保障了安全生產(chǎn)，引領(lǐng)掘進(jìn)技術(shù)革命，對于打造智能煤礦、構(gòu)建智慧礦區(qū)具有里程碑式的重大意義和深遠(yuǎn)影響。