本發(fā)明涉及煤炭開采巷道掘進工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種變地壓巷道掘進負載實驗臺。

背景技術(shù)：

在煤礦巷道快速掘進施工作業(yè)中，掘進機在掘進過程中，地質(zhì)層由于巖體密度、巷道掘進深度、地質(zhì)條件特性的變化，掘進工作面地應(yīng)力載荷分布和大小會發(fā)生突變，掘進面圍巖地應(yīng)力顯著變化，容易造成掘進機堵轉(zhuǎn)，掘進作業(yè)速度緩慢等現(xiàn)象，嚴重影響礦井的建設(shè)速度。為了避免掘進機在掘進過程中面對變地壓圍巖作業(yè)時的故障率高、可靠性差、效率低下等問題，需要對掘進機在圍巖掘進截割過程中由于地應(yīng)力變化引起的整機動力學(xué)特性進行系統(tǒng)測試，這就必須考慮掘進機在不同地應(yīng)力圍巖工作面截割過程中的力傳遞特性，對掘進機進行動力學(xué)方案設(shè)計。

要完成對掘進機的受力負載特性分析，需要在實驗室內(nèi)開展掘進機掘進過程的受力負載相似性實驗，測試其在不同的地質(zhì)條件下，當(dāng)?shù)貞?yīng)力發(fā)生變化時，變地壓載荷模擬加載機構(gòu)三向力傳感器的壓力變化數(shù)據(jù)、截割減速機工作時的溫度變化數(shù)據(jù)和掘進機截割電機的扭矩變化數(shù)據(jù)等。因此，開發(fā)一種適用于變地壓巷道快速掘進的掘進機截割負載特性測試實驗平臺對煤機生產(chǎn)企業(yè)的掘進機整機變地壓掘進動力學(xué)測試具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種可以對掘進機在變地壓圍巖掘進過程中的運行負載工況進行相似性實驗，對掘進截割裝備在掘進過程中的負載動力特性進行研究的變地壓巷道掘進負載實驗臺。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種變地壓巷道掘進負載實驗臺，包括底板，所述底板上設(shè)置有模擬巖壁組件，所述模擬巖壁組件的底部通過支撐機構(gòu)撐起，所述模擬巖壁組件的一側(cè)設(shè)有液壓缸推進機構(gòu)，所述液壓缸推進機構(gòu)包括鉸接于立柱上的第一液壓缸，所述立柱固定于所述底板，所述第一液壓缸的伸出端通過第一球面支撐組件抵持于所述模擬巖壁組件的端面，所述模擬巖壁組件與所述第一球面支撐組件之間設(shè)有第一三向力傳感器，所述模擬巖壁組件的另一側(cè)設(shè)有掘進截割推進機構(gòu)，所述掘進截割推進機構(gòu)包括行走組件和截割組件，所述行走組件包括固定于所述底板上的底座，所述底座上設(shè)有齒條，所述齒條上方設(shè)有齒輪與所述齒條相嚙合，所述齒輪被第一電機驅(qū)動，所述齒輪的齒輪軸固定在移動座上，通過所述第一電機驅(qū)動所述齒輪沿所述齒條移動，帶動所述移動座相對所述底座移動，所述截割組件設(shè)置于所述移動座上，所述截割組件包括用于截割所述模擬巖壁組件的截割頭，所述截割頭遠離所述模擬巖壁組件的一側(cè)連接于減速機，所述減速機上設(shè)有溫度傳感器，所述減速機的末端連接于第二電機，所述第二電機與所述減速機之間設(shè)有扭矩傳感器，通過所述第二電機帶動所述截割頭轉(zhuǎn)動截割，所述截割組件與所述行走組件之間設(shè)有舉伸液壓缸，所述舉伸液壓缸的一端鉸接于所述減速機，另一端鉸接于所述移動座。

進一步，所述模擬巖壁組件包括圓柱體實驗巖壁和盛裝所述實驗巖壁的圓筒狀金屬外殼體，所述實驗巖壁由水泥、巖體、煤樣、樹脂、固化劑與水按特定比例攪拌均勻澆筑凝結(jié)于所述金屬外殼體內(nèi)。

進一步，所述金屬外殼體上方設(shè)有吊耳，用于將所述模擬巖壁組件吊裝到對應(yīng)位置。

進一步，所述第一球面支撐組件包括連接于所述第一液壓缸端部的第一球面支撐件，以及連接于所述第一三向力傳感器一端的第一球面支撐座，所述第一三向力傳感器的另一端連接于所述模擬巖壁組件的端面，所述第一球面支撐件設(shè)置于所述第一球面支撐座內(nèi)。

進一步，所述支撐機構(gòu)包括彈簧減震器和橡膠托輥組件，所述橡膠托輥組件包括支撐卡座及套設(shè)于所述支撐卡座的橡膠托輥，所述橡膠托輥支撐于所述模擬巖壁組件，所述彈簧減震器的底部固定于所述底板，頂部通過螺栓鉸接于所述橡膠托輥的端部。

進一步，還包括傾斜支撐于所述模擬巖壁組件周壁的支撐組件，所述支撐組件包括固定于所述底板的第一支撐座，一端鉸接于所述第一支撐座的第二液壓缸，所述第二液壓缸的另一端鉸接于第二球面支撐組件，所述第二球面支撐組件通過第二三向力傳感器連接于第二支撐座，所述第二支撐座支撐于所述模擬巖壁組件的周壁，所述第二球面支撐組件的結(jié)構(gòu)與所述第一支撐組件的結(jié)構(gòu)相同。

進一步，所述支撐組件設(shè)有兩個，分別位于所述模擬巖壁組件徑向的兩側(cè)，相對于所述模擬巖壁組件的軸線對稱布置。

進一步，所述第一三向力傳感器、所述第二三向力傳感器、所述溫度傳感器及所述扭矩傳感器均連接于控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)還連接于所述第一液壓缸、所述第二液壓缸、所述第一電機、所述第二電機及所述舉伸液壓缸，所述控制系統(tǒng)用于接收所述第一三向力傳感器、所述第二三向力傳感器、所述溫度傳感器及所述扭矩傳感器采集的力、溫度、扭矩數(shù)據(jù)，并控制所述第一液壓缸、所述第二液壓缸、所述第一電機、所述第二電機及所述舉伸液壓缸的執(zhí)行。

進一步，所述第一電機通過二級減速器連接于所述齒輪軸，所述齒輪與所述齒輪軸通過平鍵連接，所述齒輪軸與所述二級減速器之間通過萬向節(jié)連接。

進一步，所述第二電機遠離所述減速機的一端連接于第三支撐座，所述第三支撐座的底部固定于所述移動座，頂部與所述第三電機相鉸接，當(dāng)所述舉伸液壓缸舉伸時，所述減速機被抬起繞所述第三電機的鉸接部位轉(zhuǎn)動，以帶動所述截割頭俯仰截割。

本發(fā)明的有益效果：

通過液壓缸推進機構(gòu)對模擬巖壁組件進行加載，掘進截割推進機構(gòu)對模擬巖壁組件進行掘進，以對掘進機在變地壓圍巖掘進過程中的運行負載工況進行相似性實驗，對掘進截割裝備在掘進過程中的負載動力特性進行研究，實現(xiàn)掘進截割推進機構(gòu)在負載掘進過程中力傳遞特性的定性分析，對變化載荷工作情況下掘進機的動力學(xué)分析設(shè)計方案進行驗證。

附圖說明

圖1為本發(fā)明變地壓巷道掘進負載實驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中液壓缸推進機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中掘進截割推進機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1—底板、2—立柱、3—模擬巖壁組件、4—金屬外殼體、5—吊耳、6—第一液壓缸、7—第一球面支撐件、8—第一球面支撐座、9—第一三向力傳感器、10—第一支撐座、11—第二液壓缸、12—第二球面支撐件、13—第二球面支撐座、14—第二三向力傳感器、15—第二支撐座、16—彈簧減震器、17—橡膠托輥組件、18—底座、19—齒條、20—齒輪、21—齒輪軸、22—平鍵、23—第一電機、24—二級減速器、25—萬向節(jié)、26—移動座、27—截割頭、28—伸縮部、29—減速機、30—溫度傳感器、31—舉伸液壓缸、32—第二電機、33—扭矩傳感器、34—第三支撐座。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

需要說明，本發(fā)明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)僅用于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關(guān)系、運動情況等，如果該特定姿態(tài)發(fā)生改變時，則該方向性指示也相應(yīng)地隨之改變。

另外，在本發(fā)明中涉及“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術(shù)方案可以相互結(jié)合，但是必須是以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)為基礎(chǔ)，當(dāng)技術(shù)方案的結(jié)合出現(xiàn)相互矛盾或無法實現(xiàn)時應(yīng)當(dāng)認為這種技術(shù)方案的結(jié)合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護范圍之內(nèi)。

如圖1，本發(fā)明提供一種變地壓巷道掘進負載實驗臺，包括底板1及設(shè)置于底板1上的模擬巖壁組件3，模擬巖壁組件3的底部通過支撐機構(gòu)撐起，模擬巖壁組件3的一側(cè)設(shè)有液壓缸推進機構(gòu)，另一側(cè)設(shè)有掘進截割推進機構(gòu)，通過液壓缸推進機構(gòu)對模擬巖壁組件進行加載，且通過掘進截割推進機構(gòu)對模擬巖壁組件進行掘進，以對掘進機在變地壓圍巖掘進過程中的運行負載工況進行相似性實驗。

模擬巖壁組件3包括力學(xué)與硬度可變的圓柱體實驗巖壁和盛裝實驗巖壁的圓筒狀金屬外殼體4，實驗巖壁由水泥、巖體、煤樣、樹脂、固化劑與水按特定比例攪拌均勻澆筑凝結(jié)于金屬外殼體4內(nèi)。金屬外殼體4上方固定連接吊耳5，用于將模擬巖壁組件3吊裝到對應(yīng)位置，實驗時，通過吊耳5將水平放置的模擬巖壁組件3吊裝為立起的狀態(tài)，支撐機構(gòu)支撐于模擬巖壁組件3的底部。

支撐機構(gòu)包括彈簧減震器16和橡膠托輥組件17，橡膠托輥組件17包括支撐卡座及套設(shè)于支撐卡座頂部的橡膠托輥，橡膠托輥支撐于模擬巖壁組件3，支撐卡座的中部通過支座固定于底板1上，彈簧減震器16的底部固定于底板1，頂部通過螺栓鉸接于橡膠托輥的端部，通過彈簧減震器16和橡膠托輥組件17，可以將模擬巖壁組件3立起來，且定位住，保證圓柱形的模擬巖壁組件3定位穩(wěn)定，保證實驗效果，且彈簧減震器16在實驗過程中可以起到緩沖和輔助支撐的作用。

如圖1及圖2，底板1的一側(cè)邊緣處固定有立柱2，立柱2的頂部設(shè)有多個液壓缸推進機構(gòu)，在本實施例中，立柱2的頂部鉸接有四個液壓缸推進機構(gòu)分別與模擬巖壁組件3活動連接。每個液壓缸推進機構(gòu)包括鉸接于立柱2上的第一液壓缸6，第一液壓缸6的伸出端通過第一球面支撐組件抵持于模擬巖壁組件3的端面，模擬巖壁組件3與第一球面支撐組件之間設(shè)有第一三向力傳感器9。第一球面支撐組件包括活動連接于第一液壓缸6端部的第一球面支撐件7，以及連接于第一三向力傳感器9一端的第一球面支撐座8，第一三向力傳感器9的另一端連接于模擬巖壁組件3的端面，第一球面支撐件7設(shè)置于述第一球面支撐座8內(nèi)，通過第一液壓缸6和球面支撐組件能夠持續(xù)對模擬巖壁組件3加載，第一液壓缸6控制加載力的大小，第一三向力傳感器9用于檢測加載力。

模擬巖壁組件3的周壁兩側(cè)還設(shè)有支撐組件，支撐組件傾斜的支撐于模擬巖壁組件3的周壁上，在本實施例中，支撐組件設(shè)有兩個，分別位于模擬巖壁組件3徑向的兩側(cè)，相對于模擬巖壁組件3的軸線對稱布置，通過兩個支撐組件對模擬巖壁組件3起到側(cè)向夾持的作用，防止模擬巖壁組件3滾動。每個支撐組件包括固定于底板1的第一支撐座10，第一支撐座10的一端鉸接有第二液壓缸11，在本實施例中，第二液壓缸11和第一液壓缸6均為法蘭型液壓缸。第二液壓缸11的一端鉸接于第一支撐座10，另一端鉸接于第二球面支撐組件，第二球面支撐組件通過第二三向力傳感器14連接于第二支撐座15，第二支撐座15支撐于模擬巖壁組件3的周壁，在本實施例中，第二支撐座15支撐于模擬巖壁組件3周壁的表面也設(shè)置為圓弧形，與模擬巖壁組件3形狀相對應(yīng)。第二球面支撐組件的結(jié)構(gòu)與第一支撐組件的結(jié)構(gòu)相同，包括連接于第二液壓缸11端部的第二球面支撐件12，以及連接于第二三向力傳感器14一端的第二球面支撐座13，第二三向力傳感器14的另一端鉸接于第二支撐座15，第二球面支撐件12設(shè)置于第二球面支撐座13內(nèi)。通過支撐組件對模擬巖壁組件3的周壁進行支撐和夾持，防止模擬巖壁組件3沿軸向移動，保證其在實驗過程中只有軸向上的受力和變形。

如圖1及圖3，掘進截割推進機構(gòu)包括行走組件和截割組件，行走組件設(shè)置于底板1上，位于截割組件的下方，用于帶動截割組件前進以截割模擬巖壁組件3。

行走組件包括固定于底板1上的底座18，底座18上固定設(shè)有齒條19，底座18上活動連接有移動座26，移動座26內(nèi)設(shè)有第一電機23，第一電機23通過二級減速器24連接于齒輪軸21，齒輪20裝設(shè)于齒輪軸21上，且齒輪20與齒輪軸21通過平鍵22連接，保證兩者共同運動，齒輪軸21與二級減速器24之間通過萬向節(jié)25連接。齒輪20與底座18上的齒條19相嚙合，齒輪軸21則固定在移動座26上，通過第一電機23帶動齒輪20轉(zhuǎn)動，則齒輪20沿齒條19移動，由于齒輪軸21固定于移動座26上，且齒輪20與齒輪軸21相對固定，因此在齒輪20沿齒條19移動時，會帶動移動座26相對底座18移動。

截割組件設(shè)置于移動座26上，當(dāng)移動座26被帶動移動時，截割組件隨之移動。截割組件包括用于截割模擬巖壁組件的截割頭27，截割頭27的后端通過伸縮部28連接于減速機29，減速機29上設(shè)有溫度傳感器30，用于檢測減速機29的工作溫度變化，減速機29的后端連接于第二電機32，第二電機32與減速機29之間設(shè)有扭矩傳感器33，用于監(jiān)測第二電機32的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速變化，通過第二電機32帶動截割頭27轉(zhuǎn)動截割。第二電機32的后端連接于第三支撐座34，第三支撐座34的底部固定于移動座26，頂部與第三電機32相鉸接，截割組件與行走組件之間設(shè)有舉伸液壓缸31，舉伸液壓缸31的一端鉸接于減速機29，另一端鉸接于移動座26，當(dāng)舉伸液壓缸31舉伸時，減速機29被抬起繞第三電機32后端的鉸接部位轉(zhuǎn)動，以帶動截割頭27進行俯仰截割。

上述四個第一三向力傳感器9、兩個第二三向力傳感器14、溫度傳感器30及扭矩傳感器33均連接于控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)還連接于第一液壓缸6、第二液壓缸11、第一電機23、第二電機32及舉伸液壓缸31，控制系統(tǒng)用于接收第一三向力傳感器9、第二三向力傳感器14、溫度傳感器30及扭矩傳感器33采集的力、溫度、扭矩數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后控制第一液壓缸6、第二液壓缸11、第一電機23、第二電機32及舉伸液壓缸31的執(zhí)行動作，以實現(xiàn)對掘進機在變地壓圍巖掘進過程中的運行負載工況進行相似性實驗，對掘進截割裝備在掘進過程中的負載動力特性進行研究。

本發(fā)明的工作過程是：進行實驗前，保證底板1所在的平面處于水平位置，通過控制系統(tǒng)第一電機23和第二電機32進行驅(qū)動，使截割頭27慢速靠近模擬巖壁組件3，等到截割頭27與模擬巖壁組件3近似發(fā)生接觸截割時，對第一液壓缸6、第二電機32的轉(zhuǎn)速以及第一電機23的行走速度進行調(diào)節(jié)，進行不同地壓特性參數(shù)與掘進截割參數(shù)的實驗；實驗結(jié)束后，保存實驗測試數(shù)據(jù)，分別將第一液壓缸6和行走組件的齒輪20退回初始位置并關(guān)閉電源。

實際掘進機掘挖過程中，掘進工作面地壓并非恒定值，嚴重影響掘進機的工作效率。本發(fā)明設(shè)計的變地壓巷道掘進負載實驗臺是一種對不同地壓條件下巖土材料開展掘進實驗的機械系統(tǒng)，不僅可以對復(fù)雜地壓情況下掘進裝備截割機構(gòu)的動力傳遞特性與運行工況進行檢測與相似性模擬實驗，實現(xiàn)掘進機截割機構(gòu)的動力學(xué)特性分析，可廣泛應(yīng)用于巷道掘進截割機構(gòu)的動力學(xué)科學(xué)實驗研究；而且可實現(xiàn)截割頭27對巖土掘進過程中的截深、回轉(zhuǎn)速度等巷道掘進開挖工藝參數(shù)進行驗證性測試與優(yōu)化。

下面針對不同工況條件進行模擬實驗：

實施例1

以在煤炭開采巷道掘進施工中常見的復(fù)合地質(zhì)條件即軟土與硬巖比例為3:7，選擇需要加載的初始地應(yīng)力壓力，并通過控制系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的地應(yīng)力變化曲線實現(xiàn)不同地應(yīng)力隨時間進程的加載。利用第一液壓缸6對模擬巖壁組件3進行壓力加載；通過第一三向力傳感器9和第二三向力傳感器14反饋測試數(shù)據(jù)模擬掘進過程中的巷道圍巖地應(yīng)力條件；通過溫度傳感器30記錄在既定施工環(huán)境下，減速機29的工作溫度變化，繪制溫度變化曲線；通過轉(zhuǎn)矩傳感器33來監(jiān)測第二電機32的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的變化，對測試數(shù)據(jù)進行檢測、記錄與統(tǒng)計，分析掘進機在變地壓情況下掘進過程中的受力負載情況，分析變地壓巷道掘進過程中的掘進機動力學(xué)特性。

實施例2

本實施案例中保持地質(zhì)條件軟土與硬巖比例為3:7，第一液壓缸6在進行壓力加載的過程中，將第一液壓缸6分為上下兩組，命名為A組和B組，分別施加不同的壓力值，并將其分為兩種不同的情況：俯仰和傾翻。

俯仰的情況：在掘進截割推進機構(gòu)驅(qū)動之前，調(diào)整A組的第一液壓缸6的壓力加載數(shù)值，使其壓力加載數(shù)值小于B組的第一液壓缸6，從而使得模擬巖壁組件3與底板1之間具有一定仰角，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)第二電機32的轉(zhuǎn)速大小，記錄第一三向力傳感器9和第二三向力傳感器14的壓力數(shù)值變化，繪制壓力變化曲線。

傾翻的情況：在掘進截割推進機構(gòu)驅(qū)動之前，調(diào)整A組的第一液壓缸6的壓力加載數(shù)值，使其壓力加載數(shù)值大于B組的第一液壓缸6，從而使得模擬巖壁組件3與底板1之間具有一定傾角，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)第二電機32的轉(zhuǎn)速大小，記錄第一三向力傳感器9和第二三向力傳感器14的壓力數(shù)值變化，繪制壓力變化曲線。

實施例3

本實施案例中地質(zhì)條件中硬巖含量由70％突變成95％，通過改變第一液壓缸6對模擬巖壁組件3的壓力加載數(shù)值的大小，從而減小掘進過程中掘進機所需掘進切削力，以此來模擬地質(zhì)條件發(fā)生突變的情況。

本發(fā)明變地壓巷道掘進負載實驗臺可以模擬盾構(gòu)掘進機在地應(yīng)力變化、地質(zhì)條件不變化、掘進機不改變轉(zhuǎn)速情況下的掘進過程，地應(yīng)力不變化、地質(zhì)條件不改變、掘進機改變轉(zhuǎn)速情況下的掘進過程等；在模擬過程中，通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的記錄與提取，完成對各機構(gòu)的控制，最終實現(xiàn)對變地壓負載掘進過程中掘進機力負載特性的分析。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。