CN113833485B - 一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，包括滚刀部、射流装置、旋转机构、连接机构、铣刨部、机体、悬臂、铲板和行走机构，滚刀部和铣刨部对向设置在旋转机构的前后端，旋转机构包括中间的连接机构和两侧的旋转驱动装置，旋转机构固定连接在悬臂内部两侧，机***于悬臂一端的底部安装有铲板，滚刀部上设置有射流装置，射流装置包括设置在滚刀部上的进水口、内置于滚刀部内部的射流通道和安装在滚刀部前部的喷头，进水口、射流通道和喷头互通。该适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，将铣刨头、盘型滚刀、高压水射流结合在一起，利用旋转机构可以选择铣刨头、盘型滚刀进行工作，实现复杂地质的巷隧道高效掘进。

Description

一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人
技术领域
本发明涉及建筑器械技术领域，具体为一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人。
背景技术
能源工业是国民经济的基础产业,也是技术密集型产业。在我国的资源消费中,煤炭资源的消耗一直占消费总量的主体,而且我国的能源特点是多煤少油,所以在未来很长一段时期内作为我国主体能源具有无法替代的地位。近年来我国经济的快速发展,使得对煤炭能源的需求日益增加。如今我国煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展,随之带来岩巷掘进困难而导致采掘比例失调的问题,已成为制约我国煤矿开采的主要原因。
在现有的技术中，煤矿巷道掘进多采用钻爆法和机械截齿破岩，其中钻爆法虽然效率高，对地层的适用性强，但容易造成瓦斯***之类重大事故，因此不利于矿体资源安全高效绿色开采，而煤矿掘进机常用的截齿破碎硬岩难度大、负载大，截齿易损坏而需频繁更换，岩巷掘进效率低、成本高，井下试验证实截齿铣削破岩方式难以实现硬岩巷道的经济掘进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，以解决上述背景技术中提出当前煤矿巷道掘掘进效率低、成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，包括滚刀部、射流装置、旋转机构、连接机构、铣刨部、机体、悬臂、铲板和行走机构，滚刀部和铣刨部对向设置在旋转机构的前后端，旋转机构包括中间的连接机构和两侧的旋转驱动装置，连接机构采取十字轴的设计，旋转驱动装置通过旋转轴与连接机构转动连接，所述滚刀部与铣刨部整体通过连接结构与旋转轴做0-360°转动连接，机体的一端固定连接有悬臂，旋转机构固定连接在悬臂内部两侧，机***于悬臂一端的底部安装有铲板，机体的底部设置有行走机构，滚刀部上设置有射流装置，射流装置包括设置在滚刀部上的进水口、内置于滚刀部内部的射流通道和安装在滚刀部前部的喷头，进水口、射流通道和喷头互通。
优选的，所述滚刀部包括滚刀、往复旋转壳、从动齿轮、主动齿轮、驱动电机基座、第一驱动电机、振动电机、滚刀臂和射流装置，滚刀臂一端和连接机构固定连接，滚刀臂中间为空心状且内部安装有2个呈轴向对称的振动电机，振动电机驱动滚刀臂横向摆动，滚刀臂另一端连接滚刀，滚刀的外部套接有喇叭状的往复旋转壳，滚刀臂外部固定安装有驱动电机基座，驱动电机基座两侧均安装有第一驱动电机，滚刀臂上转动套接有从动齿轮，往复旋转壳内壁形状和滚刀侧面形状一致，往复旋转壳内壁到滚刀侧面的距离为3～4mm，往复旋转壳的后端固定安装在从动齿轮上，第一驱动电机通过主动齿轮和从动齿轮啮合，带动往复旋转壳转动，滚刀和往复旋转壳上均设置有射流装置。
进一步优选的，所述射流装置包括轴向射流装置和侧面射流装置，轴向射流装置包括轴向射流进水口、轴向射流流道、轴向射流喷嘴，侧面射流装置包括侧面射流进水口、侧面射流流道、侧面射流喷嘴，轴向射流进水口和侧面射流进水口均位于滚刀部上，轴向射流流道位于滚刀内部，侧面射流流道位于往复旋转壳内部，轴向射流流道和侧面射流流道的出水口分别位于滚刀的刀面和往复旋转壳最外侧的圈边上，轴向射流流道和侧面射流流道的出水口上分别安装有轴向射流喷嘴和侧面射流喷嘴，轴向射流流道、轴向射流喷嘴和侧面射流流道、侧面射流喷嘴均设有多组。
优选的，所述铣刨部包括铣刨头、传动纵轴、伸缩臂Ⅰ、液压马达、伸缩臂Ⅱ和液压缸，伸缩臂Ⅱ的一端固定连接在连接机构上，伸缩臂Ⅱ的另一端活动套接在伸缩臂Ⅰ上，伸缩臂Ⅱ通过其内部安装的液压缸与伸缩臂Ⅰ构成伸缩结构，伸缩臂Ⅰ中间设置有液压马达和传动纵轴，传动纵轴的一端通过花键连接液压马达，传动纵轴的另一端通过花键和铣刨头固定连接。
进一步优选的，所述液压马达通过法兰盘固定于伸缩臂Ⅰ内，液压马达一端与传动纵轴连接，一端通过油管与集成阀块连接，液压马达采用低速大扭矩液压马达。
优选的，所述旋转机构包括旋转驱动装置、连接机构和旋转轴，旋转驱动装置包括第二驱动电机、一级齿轮减速器、双列圆柱滚子、蜗轮、蜗杆、壳体、端盖，壳体为内部中空的箱体，壳体的一面设为开口状，且该面上安装有端盖，端盖和悬臂固定连接，壳体的内部安装有第二驱动电机、一级齿轮减速器、双列圆柱滚子、蜗轮和蜗杆，旋转轴沿轴向依次连接有蜗轮、双列圆柱滚子轴承，所述双列圆柱滚子的一端通过蜗轮的轴肩定位，一端固定在壳体端盖内侧，第二驱动电机输出轴连接一级齿轮减速器，低速齿轮固定在蜗杆轴上，通过蜗杆、蜗轮传递动力到旋转轴，驱动旋转轴旋转。
进一步优选的，所述壳体端盖内侧安装有偏心布置的轴套，双列圆柱滚子的一端通过壳体端盖上的轴套进行固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将滚刀与铣刨头结合在一起，构成掘进机的截割部，使得掘进机可以在复杂地质巷道进行掘进工作，效率高，提高煤矿巷道的掘进速度。滚刀设置有侧面射流和轴向射流，在滚刀进行破岩工作时，高压水射流可以进行预割缝，侧面射流便于滚刀破岩，轴向射流便于铣刨头掏槽、降低滚刀铣削难度；侧面射流可以通过往复旋转壳的往复旋转扩大割缝范围，轴向射流可以通过振动电机的振动引起滚刀部分摆动扩大轴向射流的割缝范围。旋转机构通过驱动电机来进行驱动，驱动电机通过一级齿轮减速器、蜗轮、蜗杆传递动力，这样的结构使得整个旋转机构更加紧凑，不会影响掘进机整体的机宽。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明滚刀部、旋转机构和铣刨部整体结构示意图；
图3为本发明滚刀部立体结构示意图；
图4为本发明滚刀部滚刀位置局部剖面结构示意图；
图5为本发明旋转机构立体结构示意图；
图6为本发明铣刨部内部结构示意图；
图7为本发明滚刀臂内部侧面结构示意图；
图8为本发明传动纵轴结构示意图；
图9为本发明端盖结构示意图；
图10为本发明连接机构结构示意图。
图中：1、滚刀部；1-1、滚刀；1-2、往复旋转壳；1-3、从动齿轮；1-4、主动齿轮；1-5、第一驱动电机；1-6、驱动电机基座；1-7、振动电机；1-8、滚刀臂；1-9、侧面射流进水口；1-10、侧面射流流道；1-11、侧面射流喷嘴；1-12、轴向射流进水口；1-13、轴向射流流道；1-14、轴向射流喷嘴；2、旋转机构；2-1、第二驱动电机；2-2、一级齿轮减速器；2-3、双列圆柱滚子；2-4、蜗轮；2-5、蜗杆；2-6、连接机构；2-7、旋转轴；2-8、壳体；2-9、端盖；3、铣刨部；3-1、铣刨头；3-2、传动纵轴；3-3、伸缩臂Ⅰ；3-4、液压马达；3-5、伸缩臂Ⅱ；3-6、液压缸3-6；4、机体；5、悬臂；6、铲板；7、行走机构7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，包括滚刀部1、射流装置、旋转机构2、连接机构2-6、铣刨部3、机体4、悬臂5、铲板6和行走机构7，滚刀部1和铣刨部3对向设置在旋转机构2的前后端，旋转机构2包括中间的连接机构2-6和两侧的旋转驱动装置，连接机构2-6采取十字轴的设计，旋转驱动装置通过旋转轴2-7与连接机构2-6转动连接，滚刀部1与铣刨部3整体通过连接结构2-6与旋转轴2-7做0-360°转动连接，机体4的一端固定连接有悬臂5，旋转机构2固定连接在悬臂5内部两侧，机体4位于悬臂5一端的底部安装有铲板6，机体4的底部设置有行走机构7，滚刀部1上设置有射流装置，射流装置包括设置在滚刀部1上的进水口、内置于滚刀部1内部的射流通道和安装在滚刀部1前部的喷头，进水口、射流通道和喷头互通，上述实施例能让该机器人实现滚刀部1和铣刨部3之间的转换，先用铣刨部3掏槽，再使用滚刀部1挤压切削，提供掘进效率。
如图2、图3、图4及图7所示，滚刀部1包括滚刀1-1、往复旋转壳1-2、从动齿轮1-3、主动齿轮1-4、驱动电机基座1-6、第一驱动电机1-5、振动电机1-7、滚刀臂1-8和射流装置，滚刀臂1-8一端和连接机构2-6固定连接，滚刀臂1-8中间为空心状且内部安装有2个呈轴向对称的振动电机1-7，振动电机1-7驱动滚刀臂1-8横向摆动，滚刀臂1-8另一端连接滚刀1-1，滚刀1-1的外部套接有喇叭状的往复旋转壳1-2，滚刀臂1-8外部固定安装有驱动电机基座1-6，驱动电机基座1-6两侧均安装有第一驱动电机1-5，滚刀臂1-8上转动套接有从动齿轮1-3，往复旋转壳1-2内壁形状和滚刀1-1侧面形状一致，往复旋转壳1-2内壁到滚刀1-1侧面的距离为3～4mm，往复旋转壳1-2的后端固定安装在从动齿轮1-3上，第一驱动电机1-5通过主动齿轮1-4和从动齿轮1-3啮合，带动往复旋转壳1-2转动，滚刀1-1和往复旋转壳1-2上均设置有射流装置，在上述实施例基础上，在滚刀部1上增加振动电机1-7，让滚刀1-1可以横向摆动，提高工作范围的同时，可以让高压喷头喷射范围增加，而在往复旋转壳1-2也设置射流装置，能进一步降低滚刀1-1侧面的切削难度，同时，往复旋转壳1-2在工作时可以往复旋转，提高喷射效率，往复旋转壳1-2转动范围在-100°-100°。
需要说明的是，附图中没有提出滚刀部1的驱动机构，而滚刀部1驱动方式为现有技术，常见操作手段是在机体上安装液压杆，带动滚刀1-1反复挤压工作，滚刀部1的驱动方式不是本申请的有益效果，因此滚刀部1的驱动方式不应该作为判断本申请功能是否完整的必要条件。
如图4所示，射流装置包括轴向射流装置和侧面射流装置，轴向射流装置包括轴向射流进水口1-12、轴向射流流道1-13、轴向射流喷嘴1-14，侧面射流装置包括侧面射流进水口1-9、侧面射流流道1-10、侧面射流喷嘴1-11，轴向射流进水口1-12和侧面射流进水口1-9均位于滚刀部1上，轴向射流流道1-13位于滚刀1-1内部，侧面射流流道1-10位于往复旋转壳1-2内部，轴向射流流道1-13和侧面射流流道1-10的出水口分别位于滚刀1-1的刀面和往复旋转壳1-2最外侧的圈边上，轴向射流流道1-13和侧面射流流道1-10的出水口上分别安装有轴向射流喷嘴1-14和侧面射流喷嘴1-11，轴向射流流道1-13、轴向射流喷嘴1-14和侧面射流流道1-10、侧面射流喷嘴1-11均设有多组。
如图1、图6和图8所示，铣刨部3包括铣刨头3-1、传动纵轴3-2、伸缩臂Ⅰ3-3、液压马达3-4、伸缩臂Ⅱ3-5和液压缸3-6，伸缩臂Ⅱ3-5的一端固定连接在连接机构2-6上，伸缩臂Ⅱ3-5的另一端活动套接在伸缩臂Ⅰ3-3上，伸缩臂Ⅱ3-5通过其内部安装的液压缸3-6与伸缩臂Ⅰ3-3构成伸缩结构，伸缩臂Ⅰ3-3中间设置有液压马达3-4和传动纵轴3-2，传动纵轴3-2的一端通过花键连接液压马达3-4，传动纵轴3-2的另一端通过花键和铣刨头3-1固定连接。
液压马达3-4通过法兰盘固定于伸缩臂Ⅰ3-3内，液压马达3-4一端与传动纵轴3-2连接，一端通过油管与集成阀块连接，液压马达3-4采用低速大扭矩液压马达。
如图2、图5、图9和图10所示，旋转机构2包括旋转驱动装置、连接机构2-6和旋转轴2-7，旋转驱动装置包括第二驱动电机2-1、一级齿轮减速器2-2、双列圆柱滚子2-3、蜗轮2-4、蜗杆2-5、壳体2-8、端盖2-9，壳体2-8为内部中空的箱体，壳体2-8的一面设为开口状，且该面上安装有端盖2-9，端盖2-9和悬臂5固定连接，壳体2-8的内部安装有第二驱动电机2-1、一级齿轮减速器2-2、双列圆柱滚子2-3、蜗轮2-4和蜗杆2-5，旋转轴2-7沿轴向依次连接有蜗轮2-4、双列圆柱滚子轴承2-3，双列圆柱滚子2-3的一端通过蜗轮2-4的轴肩定位，一端固定在壳体端盖2-9内侧，第二驱动电机2-1输出轴连接一级齿轮减速器2-2，低速齿轮固定在蜗杆轴上，通过蜗杆2-5、蜗轮2-4传递动力到旋转轴2-7，驱动旋转轴2-7旋转，进一步使得连接机构2-6转动，实现滚刀部1和铣刨部3的位置改变。
作为进一步优选的，壳体端盖2-9内侧安装有偏心布置的轴套，双列圆柱滚子2-3的一端通过壳体端盖2-9上的轴套进行固定。
该掘进机器人的工作方式为：
第一步：在对复杂地质巷道进行掘进时，首先调整掘进机器人的位置，控制旋转机构2旋转，使铣刨部3处于掘进机器人前方工作面处，通过液压缸3-6调整伸缩臂Ⅰ3-3与伸缩臂Ⅱ3-5的相对位置，通过液压马达3-4驱动铣刨头3-1掏槽。
第二步：旋转工位使滚刀切削
在完成工作面的掏槽之后，控制旋转机构2旋转，使滚刀1-1进入到掘进机器人前方工作面凹槽内，在滚刀1-1在挤压破碎岩石的同时，高压水通过滚刀臂1-8上的轴向射流进水口1-12、轴向射流流道1-13进入轴向射流喷嘴1-14内，进行轴向高压水喷射；高压水通过往复旋转壳1-2上的进水口1-9、侧面射流流道1-10、侧面射流喷嘴1-11进行侧面高压水喷射，通过振动电机1-7能改变轴向高压水喷射范围，通过第一驱动电机1-5的主动齿轮1-4和从动齿轮1-3啮合，带动往复旋转壳1-2转动，来提高滚刀1-1侧面切削效率。
第三步：旋转工位铣刨头掏槽，循环进行。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，其特征在于：包括滚刀部（1）、射流装置、旋转机构（2）、连接机构（2-6）、铣刨部（3）、机体（4）、悬臂（5）、铲板（6）和行走机构（7），滚刀部（1）和铣刨部（3）对向设置在旋转机构（2）的前后端，旋转机构（2）包括中间的连接机构（2-6）和两侧的旋转驱动装置，连接机构（2-6）采取十字轴的设计，旋转驱动装置通过旋转轴（2-7）与连接机构（2-6）转动连接，所述滚刀部（1）与铣刨部（3）整体通过连接机构（2-6）与旋转轴（2-7）做0-360°转动连接，机体（4）的一端固定连接有悬臂（5），旋转机构（2）固定连接在悬臂（5）内部两侧，机体（4）位于悬臂（5）一端的底部安装有铲板（6），机体（4）的底部设置有行走机构（7），滚刀部（1）上设置有射流装置，射流装置包括设置在滚刀部（1）上的进水口、内置于滚刀部（1）内部的射流通道和安装在滚刀部（1）前部的喷头，进水口、射流通道和喷头互通；
滚刀部（1）包括滚刀（1-1）、往复旋转壳（1-2）、从动齿轮（1-3）、主动齿轮（1-4）、驱动电机基座（1-6）、第一驱动电机（1-5）、振动电机（1-7）、滚刀臂（1-8）和射流装置，滚刀臂（1-8）一端和连接机构（2-6）固定连接，滚刀臂（1-8）中间为空心状且内部安装有2个呈轴向对称的振动电机（1-7），振动电机（1-7）驱动滚刀臂（1-8）横向摆动，滚刀臂（1-8）另一端连接滚刀（1-1），滚刀（1-1）的外部套接有喇叭状的往复旋转壳（1-2），滚刀臂（1-8）外部固定安装有驱动电机基座（1-6），驱动电机基座（1-6）两侧均安装有第一驱动电机（1-5），滚刀臂（1-8）上转动套接有从动齿轮（1-3），往复旋转壳（1-2）内壁形状和滚刀（1-1）侧面形状一致，往复旋转壳（1-2）内壁到滚刀（1-1）侧面的距离为3~4mm，往复旋转壳（1-2）的后端固定安装在从动齿轮（1-3）上，第一驱动电机（1-5）通过主动齿轮（1-4）和从动齿轮（1-3）啮合，带动往复旋转壳（1-2）转动，滚刀（1-1）和往复旋转壳（1-2）上均设置有射流装置；
旋转机构（2）包括旋转驱动装置、连接机构（2-6）和旋转轴（2-7），旋转驱动装置包括第二驱动电机（2-1）、一级齿轮减速器（2-2）、双列圆柱滚子轴承（2-3）、蜗轮（2-4）、蜗杆（2-5）、壳体（2-8）、端盖（2-9），壳体（2-8）为内部中空的箱体，壳体（2-8）的一面设为开口状，且该面上安装有端盖（2-9），端盖（2-9）和悬臂（5）固定连接，壳体（2-8）的内部安装有第二驱动电机（2-1）、一级齿轮减速器（2-2）、双列圆柱滚子轴承（2-3）、蜗轮（2-4）和蜗杆（2-5），旋转轴（2-7）沿轴向依次连接有蜗轮（2-4）、双列圆柱滚子轴承（2-3），所述双列圆柱滚子轴承（2-3）的一端通过蜗轮（2-4）的轴肩定位，一端固定在壳体端盖（2-9）内侧，第二驱动电机（2-1）输出轴连接一级齿轮减速器（2-2），低速齿轮固定在蜗杆轴上，通过蜗杆（2-5）、蜗轮（2-4）传递动力到旋转轴（2-7），驱动旋转轴（2-7）旋转。
2.根据权利要求1所述的一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，其特征在于：所述射流装置包括轴向射流装置和侧面射流装置，轴向射流装置包括轴向射流进水口（1-12）、轴向射流流道（1-13）、轴向射流喷嘴（1-14），侧面射流装置包括侧面射流进水口（1-9）、侧面射流流道（1-10）、侧面射流喷嘴（1-11），轴向射流进水口（1-12）和侧面射流进水口（1-9）均位于滚刀部（1）上，轴向射流流道（1-13）位于滚刀（1-1）内部，侧面射流流道（1-10）位于往复旋转壳（1-2）内部，轴向射流流道（1-13）和侧面射流流道（1-10）的出水口分别位于滚刀（1-1）的刀面和往复旋转壳（1-2）最外侧的圈边上，轴向射流流道（1-13）和侧面射流流道（1-10）的出水口上分别安装有轴向射流喷嘴（1-14）和侧面射流喷嘴（1-11），轴向射流流道（1-13）、轴向射流喷嘴（1-14）和侧面射流流道（1-10）、侧面射流喷嘴（1-11）均设有多组。
3.根据权利要求1所述的一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，其特征在于：所述铣刨部（3）包括铣刨头（3-1）、传动纵轴（3-2）、伸缩臂Ⅰ（3-3）、液压马达（3-4）、伸缩臂Ⅱ（3-5）和液压缸（3-6），伸缩臂Ⅱ（3-5）的一端固定连接在连接机构（2-6）上，伸缩臂Ⅱ（3-5）的另一端活动套接在伸缩臂Ⅰ（3-3）上，伸缩臂Ⅱ（3-5）通过其内部安装的液压缸（3-6）与伸缩臂Ⅰ（3-3）构成伸缩结构，伸缩臂Ⅰ（3-3）中间设置有液压马达（3-4）和传动纵轴（3-2），传动纵轴（3-2）的一端通过花键连接液压马达（3-4），传动纵轴（3-2）的另一端通过花键和铣刨头（3-1）固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，其特征在于：所述液压马达（3-4）通过法兰盘固定于伸缩臂Ⅰ（3-3）内，液压马达（3-4）一端与传动纵轴（3-2）连接，一端通过油管与集成阀块连接，液压马达（3-4）采用低速大扭矩液压马达。
5.根据权利要求1所述的一种适合复杂地质的多模式巷隧掘进机器人，其特征在于：所述壳体端盖（2-9）内侧安装有偏心布置的轴套，双列圆柱滚子轴承（2-3）的一端通过壳体端盖（2-9）上的轴套进行固定。
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