一种矿用全断面矩形快速掘进机

摘要

本发明公开了矿用全断面矩形快速掘进机，包括截割机构、掘进机壳体以及支架平台组件，截割机构配合设置在掘进机壳体上，所述截割机构包括第一中心刀盘和四个第二刀盘组成，所述第一中心刀盘前置，所述四个第二刀盘后置，并可在第一中心刀盘四周截割出4个近似矩形截面。本发明提供的全断面矩形快速掘进机，具备一次全断面矩形成型，高效装载和高效推进能力，可有效克服现有技术所存在的问题。

说明书

技术领域

本发明属于隧道、煤矿巷道施工技术领域，具体涉及矿用全断面矩形快速掘进机技术。

背景技术

目前，中国已经成为世界第一大煤炭生产和消费国，由于受能源结构的制约以及国民经济高速发展的需求，在今后相当一段时间内对煤炭的需求量还会进一步加大。也就是说，中国煤炭生产量还需要提升。然而，在影响中国煤炭生产的采煤、掘进和运输三大环节中，采煤和运输的功效已经达到了世界一流水平，但掘进功效却始终成为制约煤炭产量进一步提高的重要瓶颈。

现阶段煤矿煤巷掘进主要采用悬臂式掘进机、联采机、掘锚机等装备。由于这几类掘进装备存在先天结构性不足：均为配备小断面截割头，不能一次完成全断面；掘进与锚杆支护不能同时工作；形成的巷道顶、底板高低起伏明显，需要修形；掘进过程中会产生大量的浮煤，需要及时清理等等。

故而造成现有的掘进装备普遍存在掘进工效低、掘进队伍多、巷道质量不好等现象，严重制约了煤炭产量的提高。

因此，本领域亟需急需改进掘进装备，改革现有掘进工艺，提高巷道掘进速度和质量，从而彻底解除影响煤炭生产的瓶颈。

发明内容

针对现有煤矿煤巷掘进装备所存在的问题，本发明的目的在于提供一套全断面矩形快速掘进机，该掘进机可以一次全断面矩形成型、高效装载和推进、精确导向，实现掘进和支护平行作业，提高掘进功效、巷道质量和作业安全。

为了达到上述目的，本发明提供的矿用全断面矩形快速掘进机，包括截割机构、掘进机壳体以及支架平台组件，所述截割机构配合设置在掘进机壳体上，所述截割机构包括第一中心刀盘和四个第二刀盘组成，所述第一中心刀盘前置，所述四个第二刀盘均布于第一中心刀盘四周，第一刀盘前置，第二刀盘置于第一刀盘后方，所述四个第二刀盘可在第一中心刀盘四周截割出4个近似矩形截面。

进一步地，所述第二刀盘通过特殊的行星传动可实现类矩形截面切割，第二刀盘分前刀盘与后刀盘，前刀盘做圆形截割，后刀盘主轴与传动箱的行星轮主轴连接，可做相对于前刀盘的偏心运动，形成类矩形截割动作。

进一步地，所述第二刀盘为由前刀盘和后刀盘组成的复合式结构。

进一步地，所述截割机构还包括若干的铲盲区机构，若干铲盲区机构对应于第一中心刀盘和四个第二刀盘之间形成的盲区设置。

进一步地，所述若干铲盲区机构中，部分为固定结构，部分为可伸缩结构。

进一步地，所述掘进机壳体由第一壳体、中间壳体以及第二壳体组合而成，所述第一壳体、中间壳体以及第二壳体分别由两组小壳体连接构成，壳体间可增加垫块进行调整，壳体外轮廓尺寸可以进行相应的变化。

进一步地，所述掘进机壳体的中设置有刮板输送机，所述刮板输送机与截割机构中的第二刀盘配合设置。

进一步地，所述支架平台组件包括支架平台，设置在支架平台中的推进机构，所述推进机构配合设置在支架平台中。

进一步的，所述推进机构形成以支架平台和/或掘进机壳体产生的摩擦阻力来作为有效推进反力的液压步进推进结构。

进一步地，所述截割机构与支架平台组件分布在掘进机的前后两端，所述截割机构与支架平台组件之间中间通过柔性连接组件进行柔性连接。

进一步地，所述锚杆支护机构分别布置在支架平台前后端的顶梁掩护内，对支架平台的顶部和侧帮形成支护。

进一步地，所述掘进机中设置基于陀螺仪为主的导向系统，该系统位于掘进机左下壳体下部。

进一步地，所述掘进机中设置方向控制机构，所述方向控制机构包括鞍架调向机构、壳体抬底机构和撑靴机构，所述鞍架调向机构设置在掘进机后方支撑平台两侧，通过十字油缸和T型滑轨进行方向的调节，所述壳体抬底机构设置在掘进机壳体的底部，所述左右撑靴机构设置在掘进机壳体的两侧。

本发明提供的全断面矩形快速掘进机，具备一次全断面矩形成型，高效装载和高效推进能力，可有效克服现有技术所存在的问题。

本发明提供的全断面矩形快速掘进机，还能够实现掘进和锚杆支护平行作业，提高掘进功效、巷道质量和作业安全。

本发明提供的全断面矩形快速掘进机，在具体应用时，能够形成高质量巷道，改善作业环境，降低人员数量和劳动强度，实现安全生产。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中全断面矩形快速掘进机的构成示例图；

图2为本发明实例中刀盘布置和壳体结构示意图；

图3为本发明实例中小刀盘的整体结构示意图；

图4为本发明实例中铲盲区机构缩回状态示意图；

图5为本发明实例中铲盲区机构伸出状态示意图；

图6为本发明实例中推进机构的设置示意图；

图7为本发明实例中锚杆机组的设置示意图；

图8为本发明实例中抬底机构的设置示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1和6，其所示本实例给出的全断面矩形快速掘进机的构成示例图。

由图可知，本全断面矩形快速掘进机主要包括矩形掘进机机头1、支架平台6、推进机构4、机头水平支撑机构2、支架平台水平支撑机构5、导向主梁7、刮板输送机8、鞍架调向机构9、锚杆支护机组3、以及测量导向机构。

依据图1所示方案，本掘进机中的矩形掘进机机头1位于掘进机最前方，包含截割刀盘和壳体，截割刀盘主要用于前方煤壁截割，壳体用于安装截割刀盘、刮板输送机、内部电气控制系统、液压件、测量导向机构等部件，同时对系统起保护作用。

对于截割刀盘、刮板输送机、内部电气控制系统、液压件、测量导向机构等部件具体安装可根据实际需求而定，此处不加以限定。

支架平台6整体位于截割机头后方，用于在推进过程中为前方提供推进反力。在具体实现时，该支架平台上安装有导向主梁7、鞍架调节机构9、锚杆支护机组3等，而支架平台6与掘进机机头1通过导向主梁进行连接。

本机构中的推进机构4位于支架平台6上，具体位于支架平台两侧，推进机构的油缸与支架平台6上的水平支撑机构5连接，推进机构的活塞杆与机头左右壳体后部连接。如此设置的推进机构可有效的推进前方掘进机机头和拉后平台。

本机构中的机头水平支撑机构2位于掘进机机头1左右壳体外侧，分别与机头左右壳体连接在一起，如此设置能够在拉后平台时伸出撑住煤壁提供反力。

本机构中的支架平台水平支撑机构5位于支架平台6后方两侧，与支架平台底部通过T型滑轨连接。如此设置的支架平台水平支撑机构5能够在推进机头1过程中伸出撑住煤壁提供推进反力。

本机构中的导向主梁7位于支架平台6上，位于支架平台中间从前部伸到后部，与掘进机机头1中壳体后部用螺栓连接，由此实现调节机头1上、下、左、右的方向，与此同时，刮板输送机8内藏于掘进机机头1和导向主梁内，可用于运输截割下来的煤块。

本结构中的鞍架调节机构9位于支架平台6上，与支架平台6连接在一起，可用于调节矩形掘进机的方向。具体的，本鞍架调节机构9位于支架平台中部导向主梁外部，通过主梁调节前方掘进机的方向。

本结构中的锚杆支护机组3位于支架平台前方和后方，与支架平台底部连接在一起，如此实现打锚杆对顶部和侧部煤壁进行支护。

本锚杆支护机组3包括前置锚杆机和后置锚杆机，其中前置锚杆机位于支架平台前方，实现前方打锚杆；后置锚杆机位于支架平台后方，实现后部补打顶锚杆和打帮锚杆。

测量导向机构位于掘进机机头左壳体下部，与机头左壳体连接在一起，主要作用是测量掘进机的前进方向。

本全断面矩形快速掘进机中的矩形掘进机机头1能够有效的实现多尺寸、全断面矩形一次成型截割。

具体的，本矩形掘进机机头1主要截割机构10和相应的掘进机壳体20配合实现。

参见图2，本实例中的截割机构10由一个中心大刀盘11和周围均布的四个小刀盘12组成，其中中心大刀盘11前置，四个小刀盘12后置，截割截面有重合。

本方案中设置四个小刀盘12，如图所示在正面，4个小刀盘以中心大刀盘为中心，均匀布置于大刀盘四周，分别布置于大刀盘左下侧、左上侧、右下侧、右上侧，在侧面看，4个小刀盘布置于中心大刀盘后侧，大刀盘与小刀盘呈梯次布置。

如此设置的截割机构10中，由前置的中间大刀盘，先行切割形成一个圆形截面；后置的4个小刀盘通过相应的行星传动实现在大刀盘四周截割出4个近似矩形截面，第二刀盘分前刀盘与后刀盘，前刀盘做圆形截割，后刀盘主轴与传动箱的行星轮主轴连接，后刀盘可以跟随行星齿轮做转动和偏心运动，从而实现类矩形截割；这样通过大刀盘与小刀盘截割断面组合可一次成型得到所需要尺寸的矩形截面。

作为举例，本实例中的大刀盘采用三条幅结构，每个条幅上布置有数把可拆卸的镐形截齿，每个条幅外缘设置装配式可径向移动刀板，通过调节刀板固定的位置可以按照需求调节大刀盘直径，实现多直径圆形截割。

本实例中的四个小刀盘12结构相同，参见图3，其所示为本实例中小刀盘的构成实例。

由图可知，本实例中小刀盘12为由前刀盘12-1和后刀盘12-2两部分组成的复合式结构。前刀盘12-1呈三角形结构，上设置有数把可拆卸的镐形截齿，完成圆形截割；后刀盘12-2用三条幅装配式可移动刀板结构，刀板边缘布置有固定刀齿，装配式刀板可径向移动，通过相应的行星传动可实现类矩形截面切割。

作为举例，该前后刀盘组合构成的小刀盘12能够形成最大1900mm×1900mm的近似矩形截面。

如此，中间大刀盘先行切割形成一个

本矩形掘进机机头1中的壳体20(如图6所示)，壳体20用于安装截割刀盘、刮板输送机、内部电气控制系统、液压件、测量导向机构等，同时对系统起保护作用。

本壳体由6个小壳体通过螺栓和垫块紧固组合而成，6件小壳体分为左下壳体、左上壳体、中下壳体、中上壳体、右下壳体、右上壳体，左下壳体与左上壳体通过螺栓连接成为左壳体，中下壳体和中上壳体通过螺栓连接成为中壳体、右下壳体和右上壳体通过螺栓连接成为右壳体，左壳体、中壳体、右壳体按照对应的左、中、右通过螺栓连接为整个壳体。壳体和截割机构轮廓在上面和左右两侧最小有200mm的间隙，间隙的作用是可以调整截割机头的尺寸，在间隙中放置垫块使得左上、右上小刀盘抬高及向外侧移动，从增大截割断面尺寸，去掉间隙中的垫块，可以缩小截割断面尺寸。

如此形成的壳体20可通过内部垫块尺寸的调整，或壳体间增加垫块进行调整，使得壳体外轮廓尺寸可以进行相应的变化，再加上大刀盘外缘可移动刀板的使用，就可以实现多种尺寸的矩形巷道断面截割。

作为举例，组合后的壳体可以使刀盘组合形成宽5800mm×高3800mm到宽6000mm×高4200mm的多种截割断面要求，提高了设备的适应性。

同时，在设备需要后退时，壳体和截割机构轮廓在上面和左右两侧最小有250mm的间隙，因此后退时不会损坏支护好的锚杆和锚索，实现掘进机前后进退自如。

进一步地，本实例中的截割机构10在掘进机正常掘进时，截割机构10中中心大刀盘和四个小刀盘截割组合后将会形成6个截割盲区，分别为左右各一个，顶底部各两个(参考图4和图5)。盲区的形成会增大推进阻力，也会使得所得到的巷道断面形状不符合高质量矩形的要求，对巷道支护和受力都会产生很大影响。

对此，本实例在对应于本截割机构10中中心大刀盘和四个小刀盘之间截割组合形成的盲区设置对应的铲盲区机构13。

具体的，本实例相对于本截割机构10形成的6个截割盲区，对应设置6个铲盲区机构13：分别为左右各一个，顶底部各两个。

考虑到设备顶部和侧部各需要预留200的活动空间，故将位于顶部和两侧的铲盲区机构13设置成可伸缩机构，如可根据壳体的实际使用外轮廓尺寸调整盲区机构的伸出长度。耳底部铲盲区机构13则设置成固定的结构。

如图4所示，当掘进机后退时，铲盲区机构缩回。如图5所示，当掘进机向前推进时，铲盲区机构伸出，通过左右侧和顶底部的铲盲区机构可解决盲区问题，最终实现一次全断面截割出高质量的矩形截割断面。

进一步地，本矩形掘进机机头1中在壳体20的中部设置相应的刮板输送机，该刮板输送机与截割机构10下部两套小刀盘配合设置，由此通过截割机构10中位于下部的两套小刀盘来实现装载功能。

具体的，由位于下部两套小刀盘的后刀盘来完成装载。位于下部两套小刀盘的后刀盘在行星传动产生的矩形运动轨迹作用下，实现非常高效地把落下来的物件推拨至壳体中部的刮板输送机中，由刮板输送机把煤快速转运出去，实现高效装载。

基于上述方案形成的矩形掘进机机头1在掘进机掘进过程中，其5个刀盘同时工作，下部两小刀盘除了承担正常截割任务外，还需要进行完成拨煤装载任务。为了保证各刀盘顺利工作，必须保证各刀盘有足够大的功率配置，在电机上均设置有调速装置，使得掘进机的5个刀盘同时转动，完成掘进机全断面一次矩形断面成型截割任务。

本矩形掘进机中通过支架平台与推进机构配合实现整个矩形掘进机的高效推进和后退。作为优选，本实例中的推进机构形成以支架平台和/或掘进机壳体产生的摩擦阻力来作为有效推进反力的液压步进推进结构。

参见图6，本支架平台6主要由支撑底座6-1、支撑立柱6-2、支撑顶梁6-3、后支撑平台6-4、后水平撑靴6-5、水平支撑结构6-6等构成。

支撑底座6-1位于支架平台6的下部，承载支架平台上所有的机构和部件。在支撑底座6-1设置扎底油缸，用于向巷道底部煤层扎入油缸，为掘进机推进提供支撑力。

支撑立柱6-2位于支架前方；支撑顶梁6-3位于支架平台上方，在掘进机推进过程中，支撑立柱6-2撑起使得支撑顶梁6-3压住顶部煤壁，为推进提供推进反力；后支撑平台6-4位于支架后方，主要用于固定支撑顶梁。

后水平撑靴6-5位于支架平台两侧，主要用于在掘进机推进过程中撑住两侧煤壁提供推进反力。

水平支撑结构6-6位于支架平台后方，主要用于支撑主梁7。

如此形成的推进机构方案中，通过支架平台支撑顶梁、支撑底座、后水平撑靴，分别撑紧顶底板、侧帮所产生的摩擦阻力来作为推进反力，同时由设置在壳体20和支架平台支架之间的4根主推油缸进行推进，依靠连接壳体20的导向主梁上的导轨进行导向，实现掘进机高效掘进和后退。由于掘进机与底板接触面积大，可有效降低掘进机对底板的比压，有效提高掘进机的适应性。

如此形成的推进机构方案能够有效本掘进机的空载移动、正常截割推进、支架平台前移以及掘进机后退。

(1)空载移动：

设备在硐室组装完毕后，需要空载移动。由于硐室宽度和高度较大，掘进机不能依靠侧帮和顶板提供支撑反力。此时，主要依靠支架平台自重产生的摩擦力和支撑底座的扎底油缸提供的支撑力，为主推油缸提供有效推拉反力，实现掘进机机头的前后移动。由于机头重量比支架平台质量大，在摩擦系数一样的情况下，截割部自重所提供的摩擦力大于支架平台与底板的摩擦力，通过主推油缸足以实现支架平台的前后移动。这样，就实现了掘进机空载移动。

(2)掘进机正常截割推进：

在实现正常截割推进时，主要靠支架平台顶梁、底座、水平撑靴等撑住顶底板、侧帮产生足够的摩擦力来提供推进反力。水平撑靴通过嵌入支架底座的导向结构连接，进行左右移动并且传递力与力矩，使支架平台与撑靴有效的形成有机整体，在此基础上利用4根主推油缸实现有效推进。

(3)支架平台前移：

掘进机截割推进一个步距后，通过采用主推油缸缩回的方式向前拉动支架平台。该过程主要靠机头自身重力、壳体两侧撑靴、底部扎底油缸等底板、侧帮产生的摩擦力作为支撑反力，利用4根主推油缸缩回把支架平台向前移动。

(4)掘进机后退。

首先，依靠机头的自重及壳体的侧撑靴与煤壁上产生的摩擦力作为反力，利用主推油缸伸出推动支架平台向后方移动；

然后，靠支架平台自重及支架平台顶梁、水平撑靴撑住顶底板、侧帮等提供的摩擦力作为反力，使油缸缩回，就可以拉动机头向后方移动，如此实现掘进机后退。

本矩形掘进机中将截割机构10和支架平台6分置于掘进机前后两端，中间通过柔性连接组件进行柔性连接，这样刀盘割煤产生的振动不会影响锚杆支护作业，由此实现锚杆支护与掘进平行作业。

参见图7，本实例中将截割部和支架平台分置于掘进机前后两端，中间通过导向主梁和鞍架调节机构进行柔性连接，导向主梁前端通过螺栓与掘进机客体后部进行连接，鞍架调节机构通过螺栓与支架平台上的支撑底座进行连接，导向主梁延伸到支架平台中部后与鞍架调节机构通过导轨连接，从而实现柔性连接。而锚杆支护机构3布置于支架平台上，具体分别布置在支架平台前后端的顶梁掩护内，这样当截割部刀盘割煤产生的振动就不会传递到锚杆机构上，也就不会影响锚杆支护同时作业。因此，可以实现掘进和支护同步作业，提高掘进效率。

作为举例，本实例中掘进机采用在支架平台前方布置4台锚杆机，可打顶锚杆，在支架平台侧边布置2台锚杆机，可打顶锚杆和侧帮锚杆，侧帮锚杆的位置和角度均可调。所有锚杆支护和掘进机操作人员均在顶梁掩护下作业，对机内作业人员起到有效的安全保护。

本矩形掘进机中进一步设置无障碍导向测量以实现掘进机的掘方向、姿态的精确测量和控制。

本实例中优先采用基于陀螺惯导技术的导向系统，由此实现对掘进机姿态和掘进方向的精确测量与控制。

该系统不受粉尘导致的可见度降低的影响，不受后配套设备造成不通视的影响，以及电磁干扰和温度变化的影响，可准确得到掘进机的航向角、倾斜角和滚动角，以及掘进机实时的轴线偏差，为掘进机导向控制提供依据和平台。

本系统可以用于掘进机在长距离直线或曲线掘进时的方向测量，通过陀螺仪的三个角度和对应的算法可得出掘进机在掘进过程中的空间位置和坐标，每运动一个行程后再测算掘进机位置的空间位置，再通过构建的算法及反馈函数计算出设备运行轨迹与设计轴线之间的偏差值。如此即可根据偏差量指导操作司机进行方向修正操作。

本矩形掘进机中还进一步设置有相应的精准方向控制系统30，以用于对矩形掘进机前进方向的精准控制，使得掘进机应适应煤层起伏的变化。

本实例中，优选通过鞍架调向机构9、前壳体抬底机构31和撑靴机构32组合运动实现掘进机具有上、下、左、右各大于5°的方向控制功能。

其中，鞍架调向机构9设置在支架平台的支撑底座上，与支架平台通过导轨连接在一起，鞍架调向机构通过特制的十字油缸和哈弗结构实现调向。如此掘进机采用鞍架调向机构进行设备的方向调节，通过液压纠偏系统，实现水平和竖直方向的调向。

参见图8，本实例在壳体左右两侧各配置2个侧支撑和4个撑靴，以在壳体左右两侧形成相应的撑靴机构32。在正常工作时伸出，起着稳住机头和挡住浮煤的作用，在设备需要纠偏及后退的时候撑靴结构缩回。如此形成的撑靴机构最大行程400，可增大设备左右纠偏角度。

进一步地，本实例在壳体20底部配置有3个抬底机构31，当底板起伏比较大，靠设备鞍架本身的纠偏达不到角度时，启动抬底机构，可以直接将前部机构抬起，抬底机构最大行程250mm，可增大设备上下纠偏角度。

如此形成的精准方向控制系统30可以使得掘进机的方向纠偏调节角度达到上、下、左、右各大于5°的角度范围。

基于上述实例方案所形成的全断面矩形快速掘进机，其可以一次全断面矩形成型、高效装载和推进、精确导向；同时实现掘进和支护平行作业，从而提高掘进功效、巷道质量和作业安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。