新型掘进机用支撑推进与调向机构

彭军， 冬梅

(1. 中国煤炭科工集团 上海有限公司， 上海 200030； 2. 上海东海职业技术学院， 上海 200234)

0 引言

目前，硬岩巷道掘进普遍采用TBM进行掘进施工，TBM支撑推进与方向控制中采用鞍架配拱形撑靴结构进行工作。目前巷道掘进机一般都是圆形截割，而在工程实际中一般都需要矩形巷道，通常情况下都是采用圆形隧道掘进机掘进圆形巷道后再次采取回填加固的方式使之成为需要的矩形巷道。在煤矿巷道掘进领域，急需研发新型全断面矩形快速掘进机来替代原始部分端面掘进机，从根本上革新掘进工艺，从而彻底解决煤矿掘进功效低的问题。

1 新型矩形全断面推进机探索的技术问题

近年来为了满足矩形断面巷道的要求，全断面矩形巷道掘进机应遇而生，随着矩形掘进机越来越多的应用于隧道及巷道掘进，矩形掘进机支撑与方向控制问题也随之产生，即如何有效地对掘进机进行方向控制，并在掘进机工作过程中进行实时控制纠偏对方向控制系统提出了新的要求。由研究分析表明，全断面矩形掘进机的支撑与调向系统是保证机器满足工艺需求进行工作的关键所在，为此，参考了TBM中支持与调向结构，通过改进设计应用于矩形掘进机的支撑推进与方向控制，使之解决工程实际中矩形掘进机支撑与调向的问题，为掘进机的支撑与调向开辟新的方向。本文设计一种新型矩形全断面掘进机用支撑推进与调向机构，如图1所示。它可满足全断面矩形巷道掘进机的使用要求。

图1 矩形掘进机及支撑推进调向系统

2 技术方案要点

支撑调向机构结构如图2所示，它采用鞍架配矩形导向撑靴和主梁配合进行工作。鞍架调向机构与导向主梁通过主梁导轨连接，主梁与前部机头法兰连接。鞍架沿着导轨可以前后滑移，鞍架通过导轨带动主梁和截割部以截割部前端为支点上下左右纠偏进行方向控制。

图2 支撑调向机构

鞍架通过水平油缸与撑靴横跨连接，撑靴底部前后有2条导向槽，后中部有1条导向燕尾槽，通过导向槽与嵌入掘进机后平台的耐磨导向槽连接导向，同时与主机后部的反力座连接导向，撑靴沿着导轨在耐磨导向槽上滑移，工作时撑靴滑移撑住巷道侧帮产生摩擦力提供推进力。通过这种连接方式将撑靴机构与掘进机后平台连接，同时鞍架调向机构又与撑靴机构有效合理通过球窝万向连接实现了支撑调向机构的合理布置并且有效工作，在工作过程中有效贴住侧帮，产生摩擦力。

TBM等圆形巷道支撑调向结构合理解决了圆形巷道的支撑调向问题，现有的矩形巷道支撑调向机构很多都是通过壳体之间通过纠偏油缸直接纠偏调向。这种新型的支撑调向机构将圆形巷道支撑调向机构的灵活可靠性应用于矩形巷道掘进机上，合理解决了矩形掘进机的支撑与调向问题。

3 结构设计

本支撑与调向机构由鞍架、撑靴、主梁等组成。

鞍架由鞍架结构件、2个水平缸、4个浮动缸、中间哈虎十字销机构、4个耐磨密封导向套结构、8个弹簧复位机构、2个滑道、滑道座结构以及油缸挡块等组成，如图3所示。中间的哈虎十字销结构通过法兰将2个水平油缸连接，油缸活塞杆与撑靴以球窝的形式连接，4个浮动油缸通过长销轴将鞍架与浮动油缸上的油缸挡块连接，4个耐磨密封导向套两两与主梁导轨滑移连接，8个弹簧复位机构两两顶住油缸挡块并在上面滑移，并且保证复位弹簧套不滑移出挡块，油缸挡块相互之间连接保证水平缸筒不直接承受浮动缸的径向力。鞍架绕着中间哈虎十字销可以旋转，整个鞍架可以绕着水平缸活塞缸旋转，同时水平缸和浮动缸伸缩，可以实现竖直方向鞍架的移动自由度、旋转自由度和水平方向的移动自由度、旋转自由度。

图3 鞍架结构

撑靴通过球窝与水平油缸连接，使鞍架横跨于2个撑靴之间。撑靴下部设计2个导轨使整个撑靴在嵌入主机的耐磨板上滑移，撑靴后部的滑移导轨与燕尾导向槽在主机上连接并且滑移传递平衡力、力矩。撑靴撑开顶住巷道侧帮产生的摩擦力并提供推进所需的力。 如图4所示。

主梁前端通过法兰与前部机头连接，主梁两侧对称设计2根长导轨，鞍架整体沿着导轨前后可以滑移。如图5所示。

图4 撑靴结构

图5 主梁结构

这种结构可实现整机机头与后部平台两大部分之间的软连接，有效降低震动的传递，同时也有效合理地布置,使整机的支撑机构与调向机构成为一体，极大地利用了有限空间。

4 工作原理和工作过程

1) 工作原理。如图6所示，撑靴与支架底座上的反力座通过导向槽连接，导向燕尾槽起连接导向作用，支架平台主顶油缸伸出顶梁底座撑住巷道顶底板产生摩擦力，水平撑靴撑住巷道侧帮产生摩擦力，其中顶底板的摩擦力通过反力座与导向槽传递给撑靴，产生的总摩擦力提供支撑系统的推进力，鞍架水平缸和浮动缸以撑靴为支点带动鞍架上下左右运动，鞍架通过主梁导轨带动主梁和机头以机头支点进行角度纠偏和方向控制。

2) 工作过程。支架顶底板油缸伸出撑住巷道顶底板，同时水平油缸伸出撑靴撑住巷道侧帮，主推油缸推动机头进行工作。主推油缸推动机头一个行程以后，以机头为支点主推油缸收缩拉动整个后平台前移一个行程，然后再进入下一个主推过程。主梁与鞍架机构起到导向作用，控制机头运动方向，纠偏时，支架顶梁底座和水平撑靴先撑开稳住后平台，鞍架水平缸以后平台为支点伸缩带动主梁和机头以机头前端为支点左右纠偏和方向控制，鞍架浮动缸带动鞍架竖直方向运动从而带动主梁和机头以机头前端为支点竖直方向进行纠偏和方向控制。

图6 支撑推进与调向系统布置

5 结论

通过探索与研究，合理的布置与设计支撑推进调向机构，实现了多个功能的有机统一，满足了矩形全断面掘进机的使用要求，为新型矩形全断面掘进机支撑推进调向系统的设计提供参考。