煤礦用六臂錨桿鉆車的研制與應用

胡凌云

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西省太原市，030006)

在巷道的掘進過程中，往往需要掘進機等待錨桿鉆車完成錨桿支護或錨索支護才能繼續掘進，嚴重影響巷道的成巷速度。國內陸續研制出CMM4-25錨桿鉆車和CMM4-20錨桿支護等新型的錨桿支護設備，此類型錨桿鉆車主要配套連續采煤機進行雙巷掘進，整機布置4臺鉆機采用“一”字布置方式，能夠同時完成4根頂錨桿支護。頂錨桿支護完成后，其中外側的鉆架向兩側移動，進行剩余頂錨桿支護。剩余錨桿支護完成后，整個錨護作業完成，而此時側幫錨桿還未進行支護，后續還需依靠人工補打，因此無法提高巷道錨桿的支護速度，從而制約了巷道的開采和掘進速度。基于此，亟需研制出一種新型的錨桿鉆車，要求既能進行頂板錨桿支護又能夠完成側幫錨桿支護，從而提高巷道的掘進速度，降低操作人員的勞動強度。

1 煤礦用六臂錨桿鉆車機構布置及穩定性分析

1.1 機構布置

煤礦用六臂錨桿鉆車是一種集電氣和液壓于一體的多功能煤礦支護設備，整機主要有履帶行走機構、錨桿支護機構、平行四連桿升降機構和卷電纜機構組成，整機的部件主要由底盤、工作臺、升降機構、鉆架、臨時支護、液壓系統、電氣系統和除塵系統等部件組成。同時整機還配備有2臺單獨的液壓泵站為整機提供全部的液壓動力，整機中所有的運動部件都依靠油缸和液壓馬達實現全部動作，因此整機的設計過程中首先需要校核整機液壓系統的能力。在整機設計過程中，還需對整機中各個部件的布置方式進行校核。依據實際支護過程，整機在前端布置4臺頂錨鉆機，左右兩側布置2臺側錨鉆機，當6臺鉆機同時工作時，需要校核整機的受力情況，避免出現整機不穩定情形影響整機的工作效率和安全，因此在整機校核時，整機的布置方式和整機的適應能力也需要進行校核和驗證。煤礦用六臂錨桿鉆車機構布置如圖1所示。

1-底盤；2-工作臺；3-升降機構；4-鉆架；5-臨時支護；6-液壓系統；7-電氣系統；8-除塵系統圖1 煤礦用六臂錨桿鉆車機構布置

結合整機的實際工況，在整機設計時，工作臺升降采用平行四連桿升降機構，四連桿機構在運行時能始終保持工作臺處于水平位置，提高整機工作的穩定性和可靠性，滿足整機進行錨桿支護時的工作能力；側幫鉆機工作時同樣依靠平行四連桿機構保證工作臺的穩定。在錨桿鉆機布置時，前面的4臺頂錨鉆機采用“一”字布置，2臺側幫鉆機布置在工作臺兩側和頂錨鉆機的后側，實現“一人多機”的操作模式，提高巷道支護效率的同時減少操作人員的勞動數量。工作臺和底盤之間采用平行四連桿的升降機構，依靠工作臺升降油缸實現工作臺升降，且后連桿同時可作為操作人員的上下通道，保證人員始終處于安全區域下工作，無需進入空頂區域內工作，保證操作人員的安全。采用機械化錨桿支護的同時能夠提高巷道中錨桿支護效率和提高支護速度，減少井下操作人員的數量，降低操作人員的勞動強度和改善操作人員的工作環境。

整機的工作臺上同時布置頂棚和臨時支護提高整機的安全性，當整機進入巷道空頂區域后，操作人員先后將臨時支護和頂棚升起，臨時支護負責對空頂區域的頂板進行支撐，避免在進行錨桿支護時巷道頂板垮落，造成巷道頂板的整體坍塌而出現安全事故，頂棚則主要負責保護操作人員。

圖2 煤礦用六臂錨桿鉆車初始重心位置

1.2 穩定性分析

煤礦用六臂錨桿鉆車的初始位置重心如圖2所示，由于整機的運動特性，其重心位置始終是在變換的，一般都隨著掘進巷道底板的起伏變化、操作平臺的高度和鉆架工作時外部載荷的情況而變化。通過整機穩定性計算和動力學分析，當整機在最低位置工作時，整機的重心位置已超出履帶鏈的覆蓋范圍，因此整機在運行時需要將臨時支護油缸伸出，一方面保證巷道頂板不會垮塌，另一方面可以避免整機出現前傾翻車的現象，保證設備的穩定運行。

煤礦用六臂錨桿鉆車在設計過程中采用虛擬樣機的分析技術，利用動力學分析軟件對樣機模型進行了仿真分析，根據分析結果進行優化設計。首次引入了整機動力學分析和部件靜力學分析相結合的整機分析技術模擬整機工作狀態，調節整機結構使其達到較理想的狀態，為物理樣機奠定基礎。在樣機分析過程中，主要對整機升降油缸的推力(包含有豎直和水平方向)進行整機運動校核，整機工作臺升降油缸在作用位置點的推力，通過對其中工作臺油缸各個鉸點的受力情況進行分析，得到整機相關部件在不同運動狀態時的受力分析情況，從而利用相關軟件對其中的主要部件進行靜力學分析校核。煤礦用六臂錨桿鉆車動力學分析如圖3所示。

圖3 煤礦用六臂錨桿鉆車動力學分析

2 高可靠性無偏載鉆架研究

煤礦用六臂錨桿鉆車中主要的工作機構是布置在設備前部的4臺相互獨立運行的鉆機和機身外側的2臺獨立鉆機。同進口設備中的鉆架相比，煤礦用六臂錨桿鉆車的鉆機采用圓柱對稱布置，而進口設備采用燕尾槽導向鉆架，這種布置方式一般在使用一段時間后，燕尾槽導向鉆架都會由于其耐磨板的損壞導致鉆架受力不均勻影響鉆架使用。而圓柱導向鉆架在布置時采用對稱布置，其布置方式為在鉆架的中間布置一個短進給油缸，滑架的外側布置2個長進給油缸，其中長進給油缸主要是負責滑架的上下升降，短進給油缸負責鉆箱的上下升降，同時在鉆箱升降機構和滑架中還布置2個鏈條，2個鏈條布置在短進給油缸兩側的2個滾輪上，同時依靠鏈條帶動鉆架導向連接板上升實現行程倍增，滿足鉆箱的運動過程。在設計鉆架導向機構的導軌時，考慮其結構的整體運動方式和耐磨性，同時考慮導軌的加工難易程度，在設計時采用加工難度小且導向性好的圓柱導向機構，提高鉆架的加工精度，避免各個部件存在加工間隙，提高鉆架的運行可靠性和穩定性。該結構與原有結構最大的區別是整體采用對稱布置，鏈傳動裝置分別布置在短進給油缸的兩側，整體不存在偏載性，通過整機的井下工業性試驗，單臺鉆架在試驗期間共完成24580根錨桿支護，此形式鉆架的運動時長和損壞方式都要優于燕尾槽導向鉆架，且元部件更換方便，整機中主要部件的工作時間延長對于提高設備的使用率都提供必要的技術支持。高可靠性無偏載鉆架示意圖如圖4所示。

1-圓柱導向鉆架；2-長進給油缸；3-短進給油缸；4-鏈傳動裝置；5-鉆箱圖4 高可靠性無偏載鉆架示意圖

3 應用情況

煤礦用六臂錨桿鉆車于2014年初完成樣機組裝和調試，同年在神東集團大柳塔礦大柳塔井50306運輸巷開始工業性試驗，配套連續采煤機、梭車和破碎機進行井下工業性試驗，進行雙巷掘進。在設備工業性試驗期間，煤礦用六臂錨桿鉆車累計支護21600根頂板錨桿和14400根側幫錨桿，其中日最高支護450根錨桿，班最高支護180根錨桿，設備達到設計要求，配套使用煤礦用六臂錨桿鉆車的巷道掘進速度是配套使用CMM4-20錨桿鉆車巷道掘進速度的1.2倍，其支護速度明顯優于其他巷道錨桿支護速度。與此同時，使用煤礦用六臂錨桿鉆車的巷道中無需人工補打側幫錨桿，整個巷道斷面一次性即可完成錨桿支護，避免了由于支護不及時造成巷道側幫或者頂板的垮落和片幫，提高了巷道掘進的安全性和巷道支護速度，避免了巷道進行二次支護時影響巷道的掘進速度。

工業性試驗結果表明，煤礦用六臂錨桿鉆車解決了頂板錨桿和側幫錨桿無法同時支護的問題，提高了巷道的支護速度和巷道的掘進速度，緩解了采掘失調的問題，開辟了新的支護方法，改變了傳統掘進工藝。試驗中對煤礦用六臂錨桿鉆車的各項指標進行了驗證，取得了科學的、真實的數據，各設備的性能均達到了預期設計指標。

截止到2019年初，煤礦用六臂錨桿鉆車累計生產20余臺，不僅提高巷道的掘進速度和支護速度，同時也為現階段機械化減人、智能化換人提供了設備支撐。