[发明专利]四自由度混联式掘进机截割臂

说明书

技术领域

本发明涉及一种掘进机，尤其涉及一种四自由度混联式掘进机截割臂，最多可同时实现切割头的空间一个平移三个转动共四个自由度的运动。

背景技术

我国煤炭开采以地下开采为主，我国煤层赋存条件复杂，呈现多样性，煤层厚度从零点几米到几十米之间变化，为了开采煤炭，需要开掘大量的煤岩巷道。同时，随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。因此，掘进机作为综合机械化采煤工作主要设备，必须具有安全、高效和成巷质量好等优点。当前，我国已经成为世界最大的掘进机制造基地及应用市场，掘进机械行业已经成为国内高端装备制造业和战略性新兴产业重点支持发展产业，我国掘进机市场前景可观，其市场需求巨大。

悬臂式巷道掘进机是一种综合采掘设备，集切割、行走、装运、喷雾除尘于一体，包含多个机构，具有多重功能，是目前煤矿开采的主力设备。根据截割头转轴与工作臂的方向，悬臂式掘进机可分为横轴式和纵轴式两种类型。

目前，绝大多数的悬臂式掘进机的截割臂采用串联结构，如三一重工生产的悬臂式掘进机，山特维克生产的悬臂式掘进机等，但采用此种结构的掘进机，其串联悬臂自身的重量以及切割岩体产生的反作用力都由回转平台承担，转动平台在承重的同时还需要提供转动。因此，在实际使用中，转动平台的轴承负载大，磨损严重，并且转动平台的刚度要求高，制造难度大。同时，掘进机破碎煤岩主要是通过刀具挤裂岩石，因此承受的载荷较大，要求有较大的刚度、强度和良好的结构稳定性，对于挖掘隧道的洞型和洞线也有比较严格的要求。而目前串联机构悬臂式掘进机结构稳定性差，整机比较笨重、庞大，系统惯性大，动力性能不好；掘进机在极限位置进行切割作业时易损坏油缸，尤其是切割回转油缸，对较大断面进行切割时，必须将机器退回，左右调整才能实现切割作业，不仅耗费工时，且工作稳定性差，切割后还需要再次对断面进行修整，给掘进作业工作带来不便；运动轨迹单一，进行巷道的修葺工作时整个机器要进行实时调整，非常不方便，浪费较多能源，挖掘的巷道的表面平整度不好，不利于支护管理等后期工作。

全液压掘进机与传统掘进机最大的区别就是截割头的转动也是由液压驱动，整机动力集中由一个电机带动的泵站提供，这样全液压掘进机的电控操作系统比传统掘进机更简单，使得整机在防爆性能上更加安全可靠。另外由液压马达驱动的切割头能随着煤层或岩石硬度增加降低转速，增加切割力，更能适应煤矿井下复杂的工况。

针对现有掘进机运动自由度不足和工作空间受限的问题，现有专利文献也提出了一些解决方案，如申请号为201520089134.5的中国专利公开了一种掘进机伸缩式截割部，相对传统截割臂仅增加了一个伸缩功能，在减速机与截割头之间设置伸缩臂，并通过伸缩油缸组驱动伸缩臂的伸缩动作，能减少整机的频繁前进、倒车，减少对底板的损伤掘进机伸缩式截割部；申请号为201210289363.2的中国专利公布一种了一种掘进机推进装置和全断面掘进机，掘进机推进装置形成冗余驱动的6SPS型六自由度并联机构，机构不具有解耦性，控制困难；由于采用的大量难加工的球铰链，使得设备制造困难，成本增加，同时也影响了切割头的工作空间。申请号为201510146648.4的中国专利公布了一种悬臂采用并联机构的掘进机，其所采用的并联机构的结构为2RPS+2SPS，其切割头虽具有空间四个运动自由度，但其转动自由度的幅度受限，影响了切割头的实际工作空间。上述设计方案中并联机构的机型选择不合理，选取的支撑链强度不高，并联机构所实现的运动范围不能满足井下工作需要。尽管并联机构具有结构刚度大、定位和运动精度高、承载能力强、运动自由度多等特点，但也存在工作空间小等不足，应综合发挥并联机构与串联机构的优点，设计混联结构的掘进机悬臂，解决现有掘进机存在的技术问题。

本发明涉及的一种采用混联机构作为掘进机工作臂的四自由度混联式掘进机截割臂，使截割臂的切割头具有空间一个移动三个独立转动共四个运动自由度，不仅可扩大其切割头的作业空间，还更便于调整切割头的姿态；此外，本发明的控制解耦性好，调节、维护方便，能克服现有掘进机存在的技术缺陷。

发明内容