新型掘進機用支撐推進與調向機構

彭軍， 冬梅

(1. 中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030； 2. 上海東海職業技術學院， 上海 200234)

0 引言

目前，硬巖巷道掘進普遍采用TBM進行掘進施工，TBM支撐推進與方向控制中采用鞍架配拱形撐靴結構進行工作。目前巷道掘進機一般都是圓形截割，而在工程實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機掘進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。在煤礦巷道掘進領域，急需研發新型全斷面矩形快速掘進機來替代原始部分端面掘進機，從根本上革新掘進工藝，從而徹底解決煤礦掘進功效低的問題。

1 新型矩形全斷面推進機探索的技術問題

近年來為了滿足矩形斷面巷道的要求，全斷面矩形巷道掘進機應遇而生，隨著矩形掘進機越來越多的應用于隧道及巷道掘進，矩形掘進機支撐與方向控制問題也隨之產生，即如何有效地對掘進機進行方向控制，并在掘進機工作過程中進行實時控制糾偏對方向控制系統提出了新的要求。由研究分析表明，全斷面矩形掘進機的支撐與調向系統是保證機器滿足工藝需求進行工作的關鍵所在，為此，參考了TBM中支持與調向結構，通過改進設計應用于矩形掘進機的支撐推進與方向控制，使之解決工程實際中矩形掘進機支撐與調向的問題，為掘進機的支撐與調向開辟新的方向。本文設計一種新型矩形全斷面掘進機用支撐推進與調向機構，如圖1所示。它可滿足全斷面矩形巷道掘進機的使用要求。

圖1 矩形掘進機及支撐推進調向系統

2 技術方案要點

支撐調向機構結構如圖2所示，它采用鞍架配矩形導向撐靴和主梁配合進行工作。鞍架調向機構與導向主梁通過主梁導軌連接，主梁與前部機頭法蘭連接。鞍架沿著導軌可以前后滑移，鞍架通過導軌帶動主梁和截割部以截割部前端為支點上下左右糾偏進行方向控制。

圖2 支撐調向機構

鞍架通過水平油缸與撐靴橫跨連接，撐靴底部前后有2條導向槽，后中部有1條導向燕尾槽，通過導向槽與嵌入掘進機后平臺的耐磨導向槽連接導向，同時與主機后部的反力座連接導向，撐靴沿著導軌在耐磨導向槽上滑移，工作時撐靴滑移撐住巷道側幫產生摩擦力提供推進力。通過這種連接方式將撐靴機構與掘進機后平臺連接，同時鞍架調向機構又與撐靴機構有效合理通過球窩萬向連接實現了支撐調向機構的合理布置并且有效工作，在工作過程中有效貼住側幫，產生摩擦力。

TBM等圓形巷道支撐調向結構合理解決了圓形巷道的支撐調向問題，現有的矩形巷道支撐調向機構很多都是通過殼體之間通過糾偏油缸直接糾偏調向。這種新型的支撐調向機構將圓形巷道支撐調向機構的靈活可靠性應用于矩形巷道掘進機上，合理解決了矩形掘進機的支撐與調向問題。

3 結構設計

本支撐與調向機構由鞍架、撐靴、主梁等組成。

鞍架由鞍架結構件、2個水平缸、4個浮動缸、中間哈虎十字銷機構、4個耐磨密封導向套結構、8個彈簧復位機構、2個滑道、滑道座結構以及油缸擋塊等組成，如圖3所示。中間的哈虎十字銷結構通過法蘭將2個水平油缸連接，油缸活塞桿與撐靴以球窩的形式連接，4個浮動油缸通過長銷軸將鞍架與浮動油缸上的油缸擋塊連接，4個耐磨密封導向套兩兩與主梁導軌滑移連接，8個彈簧復位機構兩兩頂住油缸擋塊并在上面滑移，并且保證復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缸的徑向力。鞍架繞著中間哈虎十字銷可以旋轉，整個鞍架可以繞著水平缸活塞缸旋轉，同時水平缸和浮動缸伸縮，可以實現豎直方向鞍架的移動自由度、旋轉自由度和水平方向的移動自由度、旋轉自由度。

圖3 鞍架結構

撐靴通過球窩與水平油缸連接，使鞍架橫跨于2個撐靴之間。撐靴下部設計2個導軌使整個撐靴在嵌入主機的耐磨板上滑移，撐靴后部的滑移導軌與燕尾導向槽在主機上連接并且滑移傳遞平衡力、力矩。撐靴撐開頂住巷道側幫產生的摩擦力并提供推進所需的力。 如圖4所示。

主梁前端通過法蘭與前部機頭連接，主梁兩側對稱設計2根長導軌，鞍架整體沿著導軌前后可以滑移。如圖5所示。

圖4 撐靴結構

圖5 主梁結構

這種結構可實現整機機頭與后部平臺兩大部分之間的軟連接，有效降低震動的傳遞，同時也有效合理地布置,使整機的支撐機構與調向機構成為一體，極大地利用了有限空間。

4 工作原理和工作過程

1) 工作原理。如圖6所示，撐靴與支架底座上的反力座通過導向槽連接，導向燕尾槽起連接導向作用，支架平臺主頂油缸伸出頂梁底座撐住巷道頂底板產生摩擦力，水平撐靴撐住巷道側幫產生摩擦力，其中頂底板的摩擦力通過反力座與導向槽傳遞給撐靴，產生的總摩擦力提供支撐系統的推進力，鞍架水平缸和浮動缸以撐靴為支點帶動鞍架上下左右運動，鞍架通過主梁導軌帶動主梁和機頭以機頭支點進行角度糾偏和方向控制。

2) 工作過程。支架頂底板油缸伸出撐住巷道頂底板，同時水平油缸伸出撐靴撐住巷道側幫，主推油缸推動機頭進行工作。主推油缸推動機頭一個行程以后，以機頭為支點主推油缸收縮拉動整個后平臺前移一個行程，然后再進入下一個主推過程。主梁與鞍架機構起到導向作用，控制機頭運動方向，糾偏時，支架頂梁底座和水平撐靴先撐開穩住后平臺，鞍架水平缸以后平臺為支點伸縮帶動主梁和機頭以機頭前端為支點左右糾偏和方向控制，鞍架浮動缸帶動鞍架豎直方向運動從而帶動主梁和機頭以機頭前端為支點豎直方向進行糾偏和方向控制。

圖6 支撐推進與調向系統布置

5 結論

通過探索與研究，合理的布置與設計支撐推進調向機構，實現了多個功能的有機統一，滿足了矩形全斷面掘進機的使用要求，為新型矩形全斷面掘進機支撐推進調向系統的設計提供參考。