綜采工作面過地質構造液壓鉆孔機械手研制

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

綜采工作面采機遇巖性較硬的無炭柱或斷層時(一般需要f≥8以上石灰巖)，采機滾筒無法直接切割巖石，嚴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行采機滾筒切割崩碎巖石的操作，達到將無炭柱或斷層切割的工作效果。

本研究針對現階段綜采過程中過無炭柱、斷層等特殊地質構造存在的效率低、勞動強度大的問題，提供一種適應快速打孔及快速移動的鉆孔機械手裝置。該綜采工作面過地質構造液壓鉆孔機械手設備應用高效沖擊DF430X液壓鑿巖機代替現在井下使用的風鉆鉆機，效率高，打鉆時間縮短，解決了勞動強度大作業環境不安全的問題。該設備整體設計結構緊湊、運行靈活可靠、鉆孔效率高，特別是采用了可折疊的結構設計，結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正常通行，與采煤機運行不發生干涉。

1 研制項目的技術方案

1.1 用聯合仿真手段建立虛擬樣機模型

鉆孔機械手的三維實體模型均在Solidworks中建立并裝配，然后將裝配好的模型導入ADMAS生成剛性體機構；柔性機構件則用有限元分析軟件ANSYS進行模態分析，生成MNF中性文件后，導入ADMAS，替換掉相應的剛性部件，最終生成剛柔耦合的機構模型，進行仿真分析優化設計。技術流程和樣機模型見圖1.

1.2 綜采過地質構造液壓鉆孔機械手機構組成

綜采過地質構造液壓鉆孔機械手分為主機部分、液壓動力部分及整體收縮回收部分共計3部分。

1.2.1液壓鉆機機械手主機部分

該鉆機的主要組成部分包括行走底盤、上立柱、滑套、鉆機體和液壓泵站等，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構，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) 鉆機體。

鉆機體包括導軌、鉆機、鉆機托板和80-50-1100油缸等組件。鉆機主機為鉆桿提供動力實現鉆進。推進機構采用雙油缸兩級液壓油缸系統，使得一個工作循環推進深度≥1 600 mm，滿足采煤機滾筒兩刀截深要求。

3) 液壓鉆機的選型及介紹。

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

圖1 樣機建立流程圖

圖2 液壓鉆機機械手主機部分示意圖

4) 立柱。

鉆機立柱主體為一個方鋼管，其頂端內部有一液壓頂緊裝置，底部為立柱傾倒機構和回轉機構。液壓頂緊裝置在鉆機工作時，使其液壓缸活塞桿伸出頂緊在液壓支架的前探梁上，可防止鉆機傾翻、減小鉆機振動、增加鉆機工作時的穩定性。立柱傾倒機構在鉆機工作之后，可將立柱連帶鉆機體放倒，便于其回收存放并利于其它采煤機械的工作。立柱可以在底盤上水平轉動，轉動范圍為±30°，分為10檔，每檔調節完后鎖死。立柱回收方式設計為可折疊式和可拔出式兩種結構方式。

表1 液壓鉆機選型對比表

5) 滑套平臺機構。

滑套平臺機構主要功能是升降鉆機和調節鉆機角度。鉆機體向上最大仰角為15°，向下最大俯角為30°，角度調整分度為15°.當需要調整鉆機體的高度時，搖動手搖絞盤手柄，調好位置后松開手柄，在鉆機體重力作用下，絞盤剎車自動開啟，使鉆機體保持位置不變。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：液壓鑿巖機動力、乳化液動力轉換馬達、液壓泵站、柱塞泵機構、收回機械手液壓缸及操控機構等。

圖3 滑套二維圖

1.2.3整體收縮回收機構

綜采工作面過地質構造液壓鉆孔，機械手在打完排孔后，安裝在工作面溜槽上，其占據的溜槽位置是采煤機的必經之路。液壓鉆孔機械手讓開在溜槽上占據的位置，以方便采機通過。抓取機械手使用抱箍機構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，不會影響采機正常通過。搬運機械手工作過程示意圖見圖4.

圖4 搬運機械手工作過程示意圖

2 綜采過地質構造液壓鉆機機械手關鍵技術

1) 液壓鉆機機械手整體折疊回收關鍵技術設計。

本機構設計結構緊湊，實現了可折疊的結構設計。在工作完一個循環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械手裝置抓取并抬升到液壓支架頂梁下方。

2) 綜采過地質構造液壓鉆孔機械手系統動力源關鍵技術設計。

本機械手機構系統動力源為液壓支架乳化液動力系統提供。DF430X液壓鑿巖機具有高頻沖擊功能，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對乳化液泵站的動力進行轉換，其工作順序為：乳化液泵站→乳化液馬達動力轉換→液壓油泵站→鉆機工作。

3) 整體回收機構設計。

鉆機機械手工作完畢折疊后，由液壓支架上的回收機構整體回收在支架頂梁下方并用護繩固定。回收桿機構由油缸驅動，其油缸的收縮、伸展實現鉆機整體回收。搬運機械手工作過程示意圖見圖5.

3 綜采過地質構造液壓鉆機機械手主要技術指標

綜采過無炭柱鉆孔機械手整機技術指標為：最小高度：1 500 mm；最大高度：3 500 mm；整機總長度：3 800 mm；整機總寬度：1 500 mm；整機總重量：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；鉆孔作業巖石硬度f≥8(石灰巖)；鉆孔垂直范圍：0～2 800 mm；鉆機水平旋轉角度：±30°；鉆機俯仰旋轉角度：±15°；鉆機沖擊功率：10 kW.

圖5 搬運機械手工作過程示意圖

4 結 論

4.1 縮短工作時間，提高效率

與單孔鉆機效率比較，液壓鉆機機械手的工作效率是風動鉆機工作效率的3.3倍。按正常工作面如有30個鉆孔測算,風動鉆機鉆完30個孔的實際使用時間為30×15=450 min，輔助時間30×3=90 min，風動鉆機共計使用時間450+90=540 min；液壓鉆機機械手綜合使用時間為30×1.5+30×4=165 min. 綜合效率液壓鉆機機械手是風動鉆機的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，現利用液壓鉆機機械手可正常割煤6.6刀。

4.2 經濟效益和社會效益

革新后的設備不僅解決了井下現有技術存在的作業人員重復搬運、安拆轉移設備帶來的作業功效低，勞動強度大的問題，而且結構緊湊運行靈活，打眼工效高，其可折疊的結構設計，與采煤機配套協同作業，使采煤工作效率提高，有較高的推廣價值。

該設備的推廣以山西焦煤集團為例，保守估計需求量200臺以上，按單臺30萬/臺計算，可產生30×200=6 000萬以上的生產產值，利潤在3 000萬以上，經濟效益顯著。