一种小断面巷道掘进用钻装车及工作方法与流程

1.本发明属于煤矿机械技术的技术领域，特别涉及一种小断面巷道掘进用钻装车及工作方法。


背景技术：

2.目前在矿山巷道和工程隧道的建设施工过程中，一般都是大型盾构机或掘进机等设备实施作业；但在同一个狭窄的掘进工作面，遇到不能使用大型盾构机或掘进机等设备实施作业的岩巷，大多使用单一的钻车、单一的装载车与单一的锚杆钻机，通过多机械配合完成整个掘进工序配合完成掘进，这种施工方式存在所需设备多、作业效率低和安全隐患高的一系列问题。
3.目前市面上存在的钻装车，其可以完成钻探和装载一体，但其在工作过程中，不能对工作断面进行防护；其工作自由度低，依旧不能完全解决小断面巷道的施工过程遇到的问题。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明提出了一种小断面巷道掘进用钻装车及工作方法，其集钻探、锚固作业、凿装和运输为一身，一机多用、安全性高。
5.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种小断面巷道掘进用钻装车，包括车架主体、安装在车架主体底部的行走机构和装载运输机构，其中，所述装载运输机构，用于耙装和运输物料至所述小断面巷道掘进用钻装车后方，进一步的，还包括，钻进机构，其安装在所述车架主体上；所述钻进机构，包括第一多自由度机械手臂、钻机单元和锪平单元；所述钻进机构设置多个；所述钻机单元连接在所述第一多自由度机械手臂的末端；所述锪平单元可拆卸安装在所述钻机单元上；支护机构，其安装在所述第一多自由度机械手臂上；所述支护机构，包括伸缩支架，其一端支撑地面，另一端支撑巷道顶板；装凿机构，其安装在所述车架主体上；所述装凿机构，包括第二多自由度机械手臂和铲装部，所述装凿机构用于从煤层断面刮煤作业；操作控制机构，包括司机操作台、动力总成和控制系统；其中，所述控制系统，包括控制器、位移检测器、角度检测器和压力检测器；其中，所述控制器的输入信号来自所述司机操作台、所述位移检测器、所述角度检测器和所述压力检测器；所述控制器的输出端连接所述动力总成；所述位移检测器、角度检测器和压力检测器安装在所述钻进机构和所述支护机构上。
6.进一步的，所述车架主体后部设有后支撑机构，用于支撑地面与所述车架主体；后支撑机构，包括后支撑座、后支撑腿和撑地油缸，其中，所述后支撑座一端与车架主体连接，另一端与后支撑腿铰接；所述撑地油缸的两端分别连接所述后支撑座和所述后支撑腿；所
述撑地油缸伸缩完成后支撑腿的支撑与收回。
7.进一步的，所述装凿机构，还包括破碎锤，所述破碎锤安装在所述第二多自由度机械手臂上。
8.进一步的，所述装载运输机构，设置在所述车架主体的中部，包括铲板、铲板油缸和第一运输机，其中，所述铲板铰接在所述车架主体的前端；所述铲板油缸带动所述铲板上下摆动，实现耙装作业；所述第一运输机倾斜安装于所述车架主体上，所述第一运输机的前端连接所述铲板，所述第一运输机的后端高于前端；所述钻进机构以第一运输机的中轴对称设置在所述装载运输机构的两侧；所述装凿机构设置在所述第一运输机上方，并位于所述钻进机构的前方。
9.进一步的，所述第一多自由度机械手臂，包括第一回转部、第一俯仰部、第一伸缩部、第一二级俯仰部、第二回转部和第三回转部；其中，第一回转部安装在所述车架主体上，带动所述第一多自由度机械手臂沿y轴旋转运动；第一俯仰部，安装在所述第一回转部末端，并沿z轴进行俯仰运动；第一伸缩部，安装在所述第一俯仰部末端，并沿x轴进行直线往复运动；第一二级俯仰部，其安装在所述第一伸缩部的移动端，并沿z轴进行俯仰运动；第二回转部，其安装在所述第一二级俯仰部的末端，并以x轴为转轴进行旋转运动；第三回转部，其安装在所述第二回转部的末端，并以y轴为转轴进行旋转运动。
10.进一步的，所述第三回转部，包括一固定支架；所述支护机构安装在所述固定支架下方；所述钻机单元安装在所述固定支架上方。
11.进一步的，第二多自由度机械手臂，包括第四回转部、第二俯仰部和第二二级俯仰部；其中，第四回转部通过一滑动部滑动安装在所述车架主体上；所述第四回转部带动所述第二多自由度机械手臂沿y轴旋转运动；第二俯仰部，安装在所述第四回转部末端，并沿z轴进行俯仰运动；第二二级俯仰部，安装在所述第二俯仰部的末端，并沿z轴进行俯仰运动；所述第二二级俯仰部，包括一连接臂；所述铲装部，包括一铰接在连接臂末端的铲斗和俯仰驱动部；所述俯仰驱动部固定安装所述连接臂上；俯仰驱动部的移动端连接所述铲斗，并带动所述铲斗沿z轴进行俯仰运动，所述铲斗为大宽度扇形铲斗。
12.一种小断面巷道掘进用钻装车的工作方法，进一步的，包括以下具体步骤：步骤1、操作司机通过司机操作台启动小断面巷道掘进用钻装车，通过行走机构将小断面巷道掘进用钻装车行至工作面位置；停止行走机构；步骤2、将锪平单元安装至钻机单元上，通过司机操作台启动钻进机构；第一多自由度机械手臂开始工作；通过位移检测器检测第一多自由度机械手臂伸出长度；通过角度检测器检测锪平单元与待钻断面之间的角度；通过压力检测器检测第一多自由度机械手臂末端受到的压力；当角度检测器和压力检测器的检测值达到预设值后，控制器启动钻机单元和第一多自由度机械手臂，开始巷道钻孔小范围煤壁锪平作业；位移检测器检测值达到预设值后，控制器停止钻机单元；第一多自由度机械手臂直线后退，位移检测器检测值达到预设值后，控制器停止第一多自由度机械手臂运动；步骤3、卸下锪平单元，通过司机操作台启动钻进机构；第一多自由度机械手臂直线前进运动，钻机单元启动，进行钻孔作业，当位移检测器检测第一多自由度机械手臂前进位移达到预设值后，控制器停止钻机单元运动，完成一个爆破孔的钻进作业；第一多自由度机械手臂回到初始位置后，控制器停止第一多自由度机械手臂运动；
步骤4、重复步骤2
‑
3，完成巷道断面的爆破孔钻进作业；司机通过司机操作台控制行走机构将小断面巷道掘进用钻装车行至爆破安全区；工作人员开始爆破作业；步骤5、爆破作业完成后，司机通过司机操作台控制行走机构将小断面巷道掘进用钻装车行至凿装工作面后，停止行走机构；步骤6、通过司机操作台控制装凿机构，使用铲装部在煤层断面刮煤；步骤7、通过司机操作台启动装载运输机构，将铲装部从煤层断面上得到的煤耙装运输至小断面巷道掘进用钻装车后方；将煤清运完成后，通过司机操作台控制装凿机构回到初始位置，停止装载运输机构；步骤8、通过司机操作台启动锚固作业；控制器启动第一多自由度机械手臂，位移检测器检测和角度检测器将钻机单元定位至锚孔位置；控制器启动支护机构，伸缩支架的两端分别朝向地面和巷道顶板运动，当压力检测器检测到伸缩支架两端的压力值到达预设值时，控制器停止支护机构运动；锚孔支护作业完成；控制器启动钻机单元，开始锚孔钻进作业；当位移检测器检测第一多自由度机械手臂前进位移达到预设值后，控制器停止钻机单元运动；第一多自由度机械手臂回到初始位置，控制器停止第一多自由度机械手臂；工作人员完成锚固作业；步骤9、重复步骤8，完成巷道顶板及侧帮的锚固作业；步骤10、重复步骤2
‑
步骤9，持续完成巷道内的工作。
13.进一步的，在步骤1和步骤5中，停止行走机构后，司机操作台启动后支撑机构，撑地油缸伸出，支撑腿紧压在地面；同时启动铲板油缸，铲板油缸伸出，将铲板支撑到地面上。
14.进一步的，在步骤6中，使用铲装部在煤层断面刮煤时，启动破碎锤，辅助击碎大块煤岩。
15.本发明的有益效果如下：第一、本发明中，钻进机构使用多自由度机械手臂连接钻机单元和锪平单元，钻进适应方向多，可以在巷道所有断面进行钻孔工作；锪平单元用于锪平不平断面，为钻孔工作提供便利；自带支护机构，在进行锚固工作时，支撑巷道顶板，保证钻进锚孔过程的安全稳定性；功能多、效率高，钻孔爆破之后的使用装凿机构进行煤层断面刮煤作业，再通过装载运输机构转送清运，实现钻、装、运一体化；使用操作控制机构，实现对部件的控制；控制系统使钻进机构和支护机构在工作时，无需人工控制工作状态，保证安全，提高工作效率。
16.第二、设置后支撑机构，提高小断面巷道掘进用钻装车的静态稳定性。
17.第三、装凿机构中包括破碎锤，方便破碎大块煤岩，方便铲装部从煤层断面上刮煤。
18.第四、将装载运输机构设置在车架主体的中部，钻进机构设置在装载运输机构两侧；装凿机构设置在第一运输机上方，并位于钻进机构的前方，使铲装部刮下的煤更方便被装载运输机构耙装清运；同时钻进机构与装凿机构的布局，避免两者在工作过程中发生干涉。
19.第五、将支护机构和钻机单元分别固定支架的两侧，有利于钻进锚孔作业；同时使整体部件更加紧凑。
附图说明
20.图1为本发明钻进过程结构示意图；图2为本发明锚固过程结构示意图；图3为本发明车架主体、行走机构和装载运输机构的结构示意图；图4为本发明钻进机构和支护机构的结构示意图；图5为本发明凿装机构的结构示意图；图6为本发明后支撑机构的结构示意图；符号说明：1.车架主体、1
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1.电机安装架、1
‑
2.固定座、1
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3.滑道、1
‑
4.滑块、1
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5.滑动伸缩油缸、2.行走机构、3.装载运输机构、3
‑
1.铲板、3
‑
2.铲板油缸、3
‑
3.运输架、3
‑
4.第一运输机、4.钻进机构、4
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1.第一多自由度机械手臂、4.钻进机构、4
‑
1.第一多自由度机械手臂、4
‑1‑
1.第一回转电机、4
‑1‑
2.支撑柱、4
‑1‑
3.外筒、4
‑1‑
4.第一俯仰油缸、4
‑1‑
5.内筒、4
‑1‑
6.第一伸缩油缸、4
‑1‑
7.调整架、4
‑1‑
8.第二伸缩油缸、4
‑1‑
9.第二回转电机、4
‑1‑
10.第三回转电机、4
‑1‑
11.固定支架、4
‑1‑
12.连接支架、4
‑
2.钻机单元、4
‑2‑
1.钻机电机、4
‑2‑
2.钻杆、4
‑
3.锪平单元、5.支护机构、5
‑
1.前伸缩杆、5
‑
2.前伸缩油缸、5
‑
3.后伸缩油缸、5
‑
4.后伸缩杆、6.装凿机构、6
‑
1.第二多自由度机械手臂、6
‑1‑
1.第四回转电机、6
‑1‑
2.回转连接台、6
‑1‑
3.第二连接臂、6
‑1‑
4.第二俯仰油缸、6
‑1‑
5.第三伸缩油缸、6
‑1‑
6.第一连接臂、6
‑
2.铲装部、6
‑2‑
1.铲斗、6
‑2‑
2.俯仰驱动部、6
‑2‑
3.大连杆、6
‑2‑
4.小连杆、6
‑
3.破碎锤、7.司机操作台、8
‑
1.油箱、8
‑
2.电机、9.控制器、10.后支撑机构、10
‑
1.后支撑座、10
‑
2.后支撑腿、10
‑
3.撑地油缸、11
‑
1.位移传感器、11
‑
2.角度传感器、11
‑
3.压力传感器。
具体实施方式
21.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。
22.如图1
‑
6所示，一种小断面巷道掘进用钻装车，包括车架主体1、安装在车架主体1底部的行走机构2、装载运输机构3、钻进机构4、支护机构5、装凿机构、操作控制机构和后支撑机构10；其中，行走机构2为履带轮；装载运输机构3用于耙装和运输物料至所述小断面巷道掘进用钻装车后方；装载运输机构3设置在车架主体1的中部，包括铲板3
‑
1、铲板油缸3
‑
2和第一运输机3
‑
4；其中，铲板3
‑
1铰接在车架主体1的前端；铲板油缸3
‑
2为伸缩油缸，其缸体端连接车架本体1，活塞杆端连接铲板3
‑
1；铲板油缸3
‑
2带动铲板3
‑
1上下摆动，实现耙装作业；第一运输机3
‑
4为运输传送带，第一运输机3
‑
4外部设置有u型运输架3
‑
3，第一运输机3
‑
4倾斜设置，使用运输架3
‑
3安装于车架主体1上，第一运输机3
‑
4的前端连接铲板3
‑
1，第一运输机3
‑
4的后端高于前端。
23.钻进机构4设置多个，优选的，设置数量为2个，以第一运输机3
‑
4的中轴对称设置在装载运输机构3的两侧；钻进机构4安装在车架主体1上部；钻进机构4，包括第一多自由度机械手臂4
‑
1、钻机单元4
‑
2和锪平单元4
‑
3；其中，第一多自由度机械手臂4
‑
1，包括第一回转部、第一俯仰部、第一伸缩部、第一二级俯仰部、第二回转部和第三回转部；其中，第一回转部，包括第一回转电机4
‑1‑
1和支撑柱4
‑1‑
2，其中，第一回转电机4
‑1‑
1固定连接在固定座1
‑
2上；支撑柱4
‑1‑
2竖直连接在第一回转电机4
‑1‑
1上，第一回转电机4
‑1‑
1上安装有角
和俯仰驱动部6
‑2‑
2；其中，铲斗6
‑2‑
1铰接在第一连接臂6
‑1‑
6末端；俯仰驱动部6
‑2‑
2为伸缩油缸，其缸体端连接第一连接臂6
‑1‑
6，其活塞杆端与大连杆6
‑2‑
3铰接；大连杆6
‑2‑
3与第一连接臂6
‑1‑
6前端铰接；小连杆6
‑2‑
4一端与大连杆6
‑2‑
3铰接，形成连杆传动；小连杆6
‑2‑
4另一端连接铲斗6
‑2‑
1；带动铲斗6
‑2‑
1沿z轴进行俯仰运动，铲斗6
‑2‑
1为大宽度扇形铲斗；实现铲斗从煤层断面刮煤作业。
28.第一连接臂6
‑1‑
6上安装有破碎锤6
‑
3，方便破碎大块煤岩，方便铲装部从煤层断面上刮煤。
29.操作控制机构，包括司机操作台7、动力总成和控制系统；司机操作台7位于车架主体1上，位于钻进机构后方；动力总成，包括油箱8
‑
1和电机8
‑
2；油箱8
‑
1安装车架主体1上，用于为油缸供能；电机8
‑
2安装在车架主体1下方的固定座1
‑
2上，用于为供电；控制系统，包括控制器9、位移检测器11
‑
1、角度检测器11
‑
2和压力检测器11
‑
3；其中，控制器9的输入信号来自司机操作台7、位移检测器11
‑
1、角度检测器11
‑
2和压力检测器11
‑
3；控制器9的输出端连接动力总成；优选的，控制器9为plc控制器。
30.一种小断面巷道掘进用钻装车的工作方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1、操作司机通过司机操作台启动小断面巷道掘进用钻装车，通过行走机构将小断面巷道掘进用钻装车行至工作面位置；停止行走机构，司机操作台启动后支撑机构，撑地油缸伸出，支撑腿紧压在地面；同时启动铲板油缸，铲板油缸伸出，将铲板支撑到地面上。
31.步骤2、将锪平单元安装至钻机单元上，通过司机操作台启动钻进机构；第一多自由度机械手臂开始工作；通过位移检测器检测第一多自由度机械手臂伸出长度；通过角度检测器检测锪平单元与待钻断面之间的角度；通过压力检测器检测第一多自由度机械手臂末端受到的压力；当角度检测器和压力检测器的检测值达到预设值后，控制器启动钻机单元和第一多自由度机械手臂，开始巷道钻孔小范围煤壁锪平作业；位移检测器检测值达到预设值后，控制器停止钻机单元；第一多自由度机械手臂直线后退，位移检测器检测值达到预设值后，控制器停止第一多自由度机械手臂运动。
32.步骤3、卸下锪平单元，通过司机操作台启动钻进机构；第一多自由度机械手臂直线前进运动，钻机单元启动，进行钻孔作业，当位移检测器检测第一多自由度机械手臂前进位移达到预设值后，控制器停止钻机单元运动，完成一个爆破孔的钻进作业；第一多自由度机械手臂回到初始位置后，控制器停止第一多自由度机械手臂运动。
33.步骤4、重复步骤2
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3，完成巷道断面的爆破孔钻进作业；司机通过司机操作台控制行走机构将小断面巷道掘进用钻装车行至爆破安全区；工作人员开始爆破作业。
34.步骤5、爆破作业完成后，司机通过司机操作台控制行走机构将小断面巷道掘进用钻装车行至凿装工作面后，停止行走机构，司机操作台启动后支撑机构，撑地油缸伸出，支撑腿紧压在地面；同时启动铲板油缸，铲板油缸伸出，将铲板支撑到地面上。
35.步骤6、通过司机操作台控制装凿机构，使用铲装部在煤层断面刮煤，操作中遇到大块煤岩上，启动破碎锤，辅助击碎大块煤岩。
36.步骤7、通过司机操作台启动装载运输机构，将铲装部从煤层断面上得到的煤耙装运输至小断面巷道掘进用钻装车后方；将煤清运完成后，通过司机操作台控制装凿机构回到初始位置，停止装载运输机构。
37.步骤8、通过司机操作台启动锚固作业；控制器启动第一多自由度机械手臂，位移
检测器检测和角度检测器将钻机单元定位至锚孔位置；控制器启动支护机构，伸缩支架的两端分别朝向地面和巷道顶板运动，当压力检测器检测到伸缩支架两端的压力值到达预设值时，控制器停止支护机构运动；锚孔支护作业完成；控制器启动钻机单元，开始锚孔钻进作业；当位移检测器检测第一多自由度机械手臂前进位移达到预设值后，控制器停止钻机单元运动；第一多自由度机械手臂回到初始位置，控制器停止第一多自由度机械手臂；工作人员完成锚固作业。
38.步骤9、重复步骤8，完成巷道顶板及侧帮的锚固作业。
39.步骤10、重复步骤2
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步骤9，持续完成巷道内的工作。
40.上述实施例仅说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变；因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。