TM 55/200探锚多功能机的研制

马 凯

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

煤矿巷道掘进承担着为综采准备工作面的重任，提高其综合作业效率有着重要意义[1]。巷道掘进中除主要的煤炭掘进、运输及顶锚支护外，还有超前钻探、疏水孔钻探[2-4]、给排水管的安装铺设、顶锚索支护、帮锚支护、巷道平整及联巷切槽等大量辅助工作。超前钻探若使用自移式液压钻机，单机成本高昂，若使用非自移式钻机，设备的移动定位较为麻烦；给排水管道沿侧帮铺设，当前施工时需人工手持液压钻机站在铲车上钻孔、安装托架。需要铲车司机1人，钻孔人员2人，由多人将水管抬至托架上，劳动强度较大；顶锚索补打设备一把为单体锚索钻机，需要司机1名、锚护人员3人；侧帮锚杆支护一般使用两臂锚杆机[5，6]及人工手持气动锚杆同时补打，一般需要人员3人；联巷切槽需要1～2人手持风钻作业；巷道平整修复需要专门的巷修设备[7，8]；在设备搬家倒面时，输送带的收放需要在顶板悬垂导链装置人工进行卷绕；在现有工艺流程中，巷道掘进工作整体完成后再进行疏放水操作。由此可知，上述辅助工作需要3～4个专业队伍操作，人员超过10人，单机设备多，工人劳动强度大，作业效率低。

针对上述问题，研制了一种具备探放水、锚索支护、帮锚支护、水管抓举、巷道修复破碎、输送带卷绕等多项功能的可自行移动的探锚多功能机。该设备操作仅需要2～3人，可有效提高作业效率，降低工人劳动强度，达到减员增效的目的。其中探放水机构、破碎锤机构、卷带装置等为快换式模块设计，可根据实际需要进行选装，以提高设备的利用率。

1 主要技术参数及技术特点

1.1 整机主要技术参数

整机主要技术参数见表1。

表1 探锚多功能机技术参数

1.2 技术特点

1)采用轻型窄机身履带式底盘，整机尺寸小，机动灵活。

2) 配置自动卷电缆装置，运行效率高。

3)采用快换式模块设计，作业功能全面，可满足掘进巷道大部分辅助作业需求。

4)整机及主要功能模块均为遥控操作，操作人员较少。

5)探放水机构钻进时钻杆自动接续，自动化程度高。

2 整机结构设计

TM55/200探锚多功能机分为主机部分和快换模块部分。探放水机构、破碎锤机构、卷皮带装置等模块均通过底盘上的快换机构与主机连接。

3.在瓶中白雾没消失前再迅速将无孔橡胶塞塞回瓶口，会发现瓶中白雾消失，说明橡胶塞塞回时对瓶内气体做功，气体内能增加，白雾又汽化变成酒精蒸气，读出此时温度计的示数为t3，对比发现t3＞t2，这也可以验证“对气体做功，气体内能增加”的结论。

2.1 主机结构设计

主机部分主要由底盘、卷电缆装置、机械手组件、侧帮锚护机构、电气系统、液压系统等部分组成，具体结构如图1所示。

图1 TM 55/200探锚多功能机主机部分

2.1.1 底盘

探锚多功能机底盘包括履带架、中间机架、履带行走机构、后稳定支撑机构、快换机构(图1中序号4)等。底盘是各功能部件及执行机构的安装基座，决定了整机布置的合理性。多功能机机身窄小，又采用了快换机构，快换模块中探放水机构重量较大，快换前后对整机重心影响较大。因此在底盘设计中充分考虑了各种工况下整机的稳定性、通过性、转向性等，在轻量化通用履带底盘的基础上，开发设计了具有快换机构的多功能机专用底盘。

2.1.2 机械手组件

机械手组件如图2所示，设计中借鉴了工程设备机械手[9，10]和矿用抱柱机结构，实现抓送水管功能，可适应108mm、159mm、219mm规格的水管抓举。抓管机械手需适应从3～4.5m的巷道高度范围，跨过运输机抓送水管，且收回时要完全并回狭小的机身范围内，同时具备将整个水管框提起并抓送到位的能力，即需具备宽广的抓举重量范围及抓送幅度。在抓送水管时抓手要具备夹紧、摆动、回转等多自由度，以便于调节安装水管。在设计中利用回转减速器、多级伸缩套筒等各种结构形式，尽量扩展抓手终端的运动空间；通过动力学仿真分析合理分配各级连杆工作长度，在提高作业范围及改进连杆、油缸受力状况之间进行了有效平衡。

图2 机械手组件

2.1.3 侧帮锚护机构

侧帮锚护机构如图3所示，在整机上横向布置，采用电液控制的湿式钻机，主要用于巷道两侧帮锚杆的补充锚护作业。侧帮锚护机构采用多级连杆机构提高锚护覆盖范围。设计中明确各连杆机构的有效作业范围，深入分析了各连杆的运动包络轨迹，对各项操作进行轨迹优化，以提高作业效率，简化实际操作。图3中曲线a为钻架回转中心点的运行轨迹，曲线b为钻架钻杆顶点在机身右侧的运动包络轨迹(左侧运动轨迹未标示出)，据此可得到侧帮锚护的工作范围。

图3 侧帮锚护机构

侧帮锚护机构主要技术参数：钻机进给长度1820mm，最大进给力28kN，钻进速度0～20(m/min)，钻机转速500±50(r/min)。

多功能机由拖曳电缆提供电源，设计配备了机载自动卷电缆装置。该装置可容纳一定长度的电缆，随设备后退前进自动收放电缆。卷电缆装置由液压马达、卷缆滚筒、排缆机构、满缆保护等部件组成。卷缆装置的收放缆动作由卷缆阀自动控制，可时刻保持电缆有一定的张紧力，防止设备行走时倾轧电缆。卷缆装置容缆量为200m。

2.1.5 液压系统

探锚多功能机的液压系统比较复杂，分为行走回路、卷缆回路、加油张紧回路、侧帮锚护回路、探放水控制回路、破碎锤控制回路、机械手控制回路、平台及辅助控制回路等，另外还为锚索张拉机具提供了控制油路。液压系统采用1个负载敏感变量泵供液，控制马达、油缸共计40余个。

2.1.6 电控系统

电控系统是探锚多功能机的控制中枢，用来对泵电机以及多个电磁阀实施控制，具有短路、过载、断相、过热、漏电监视、漏电闭锁等保护功能。电控系统主要由主电控箱、操作箱、显示箱、电磁阀驱动器、遥控接收机、远程控制箱、主控制器、传感器、电磁阀等部件组成。探锚多功能机的机械手、侧帮锚护、探放水机构、破碎锤机构等多个工作机构均为遥控操作，其中探放水机构钻杆接续等工作部分实现了自动化操作 。

2.2 快换模块设计

快换模块主要包括探放水机构、破碎锤机构以及卷皮带装置等功能模块。各模块通过主机底盘上的快换机构实现快速拆卸更换。安装了探放水机构的探锚多功能机整机如图4所示。以下重点介绍探放水机构、破碎锤机构的结构设计。

图4 安装了探放水机构的整机

2.2.1 探放水机构

探放水机构是探锚多功能机的核心机构，集锚索支护、疏放水、探水三项功能于一体，总体结构如图5所示。

图5 探放水机构

探放水机构采用湿式钻孔，配备自动钻架，可机载8根探杆(钻杆)，钻进作业时钻杆可自动接续。探放水机构设计采用了回转减速器及两级提升机构，提高了钻机适应范围。钻进时采用支撑机构撑顶，提高了钻进稳定性及安全性。针对锚索支护与探水钻探工况、钻杆直径的较大差别，专项研究设计了适应多钻杆尺寸系列的自动钻架料杆仓及机械手、同时适应探水钻机及湿式锚索钻机工况的供水装置以及基于该供水装置的钻杆自动接续及拆卸机构。

探放水机构主要技术参数为：钻孔深度200m，探水钻杆直径50mm，转矩1200～320(N·m)，转速80～280(r/min)，最大进给/起拔力45kN，单次推进行程1000mm，主轴倾角-10°～90°，工作台回转角±90°。

2.2.2 破碎锤机构

破碎锤机构如图6所示，主体结构借鉴了挖掘机工作机构[11-13]，通过安装底座与主机进行快换连接，主要用于巷道平整及联巷切槽等辅助工作。破碎锤机构采用回转减速器、多连杆机构、摆动油缸等结构方式，有效工作范围较广。图6中曲线c为破碎锤回转中心点的运行轨迹，据此可得到破碎锤的破碎作业范围。

图6 破碎锤机构

3 结 语

通过对TM 55/200探锚多功能机研制背景及主要结构的设计说明可以看出，该设备具备探放水、锚索支护、帮锚支护、水管抓举、巷道修复破碎、皮带卷绕等多项功能，操作仅需要人员2～3人，可有效提高作业效率、降低工人劳动强度、降低设备采购使用成本等。后续将基于安全作业规程要求，结合探锚多功能机能力及特点，优化工艺流程，将原分散的辅助作业进行集中化、区域化处理，以充分利用探锚多功能机的能力，提高系统作业效率。探锚多功能机将具有广阔的市场应用前景。