四自由度混联式掘进机截割臂

摘要

本发明公开了一种四自由度混联式掘进机截割臂，包括叉形架、并联工作臂、可伸缩护板和切割头。在所述的叉形架的前端两侧设有侧耳座，在叉形架的后端两侧设有铰链座，在叉形架的顶部设有后护板；所述的并联工作臂位于叉形架与切割头之间，并联工作臂的后端与叉形架的前端通过螺栓相固连，并联工作臂的前端与切割头的后端通过螺栓相固连；所述的可伸缩护板位于并联工作臂的上方，且通过螺钉与并联工作臂相连接；切割头由三台切割马达共同驱动。本发明的切割头具有空间一个移动三个转动共四个运动自由度，具有作业空间大、姿态调节方便的优点。本发明还具有结构紧凑、控制解耦性好，调节、维护方便等特点。

权利要求

1.一种四自由度混联式掘进机截割臂，包括叉形架、并联工作臂、可伸缩护板和切割头，其特征在于：在所述的叉形架的前端两侧设有侧耳座，在叉形架的后端两侧设有铰链座，在叉形架的顶部设有后护板，且所述的后护板通过螺钉与叉形架相连接；所述的并联工作臂位于叉形架与切割头之间，并联工作臂的后端与叉形架的前端通过螺栓相固连，并联工作臂的前端与切割头的后端通过螺栓相固连；所述的可伸缩护板位于并联工作臂的上方，且通过螺钉与并联工作臂相连接；

所述的并联工作臂包括固定平台、俯仰支链、左右支链和动平台，所述的固定平台与叉形架的前端通过螺栓相连接；所述的俯仰支链、左右支链均有两条，且对称布置在固定平台与动平台之间；所述的俯仰支链、左右支链的两端与固定平台、动平台均通过螺钉相连接；

所述的动平台包括后安装座、T型连接柱和前安装座，所述的T型连接柱的前、后两端分别与前安装座、后安装座相固连，所述的前安装座与切割头通过螺栓相连接，在所述的后安装座上设有管线孔和弧形护板安装座，在所述的前安装座上设有马达安装孔；

所述的切割头包括切割马达、切割头体、主动齿轮、从动齿轮、从动轴和截齿，所述的切割马达有三台，且通过螺钉对称安装在动平台的前安装座上；所述的主动齿轮安装在切割马达的输出轴上，且与切割马达的输出轴通过平键相连接；所述的从动齿轮安装在从动轴上，且与从动轴通过平键相连接，所述的从动齿轮同时与三个主动齿轮相啮合；所述的从动轴的前端通过轴承与切割头体相连接，从动轴的后端通过轴承与动平台的前安装座相连接；所述的截齿呈螺旋线型安装布置在切割头体的外侧面上，且在所述的截齿的外表面设有类金刚石碳涂层。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度混联式掘进机截割臂，其特征在于：所述的俯仰支链包括第一铰链、第一液压缸和第一万向节，所述的第一铰链的后端通过螺钉安装在固定平台上，所述的第一液压缸的后端与第一铰链的前端固连，第一液压缸的前端与第一万向节的后端固连，所述的第一万向节的前端与动平台通过螺钉相连接；所述的第一铰链的轴线与第一万向节的十字轴的一条轴线相平行；安装在固定平台上的两个第一铰链的轴线保持平行；在同一个方向上，安装在动平台上的两个第一万向节的十字轴的轴线保持平行；

在位于左右支链上方的第一液压缸的顶部设有下护板安装座和上护板安装座，且所述的下护板安装座与第一液压缸的活塞杆固连，所述的上护板安装座与第一液压缸的缸体固连；

所述的左右支链包括第二铰链、第二液压缸和第二万向节，所述的第二铰链的后端通过螺钉安装在固定平台上，所述的第二液压缸的后端与第二铰链的前端固连，第二液压缸的前端与第二万向节的后端固连，所述的第二万向节的前端与动平台通过螺钉相连接；所述的第二铰链的轴线与第二万向节的十字轴的一条轴线相平行；安装在固定平台上的两个第二铰链的轴线保持平行；在同一个方向上，安装在动平台上的两个第二万向节的十字轴的轴线保持平行；所述的第一铰链的轴线垂直于第二铰链的轴线；所述的第一液压缸、第二液压缸均为双排液压缸。

3.根据权利要求1所述的一种四自由度混联式掘进机截割臂，其特征在于：所述的可伸缩护板包括上护板、下护板、柔性接头和弧形护板，所述的上护板的后端通过螺钉固定安装在第一液压缸的上护板安装座上；所述的下护板通过嵌套连接的方式安装在上护板内，所述的下护板的前端通过螺钉固定安装在第一液压缸的下护板安装座上；所述的弧形护板与下护板之间通过柔性接头相连接，所述的柔性接头采用织物增强型橡胶材料；所述的弧形护板通过螺钉固定安装在动平台的弧形护板安装座上。

说明书

四自由度混联式掘进机截割臂

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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

[0008] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种四自由度混联式掘进机截割臂，其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，使切割头除了能绕自身的轴线旋转外，还可相对截割臂底部的叉形架产生上下仰俯、左右摆动和轴向伸长运动，可克服现有掘进机工作臂运动自由度少、运动幅度小等缺陷，且控制解耦性好，调节、维护方便。

[0009] 本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

[0010] 一种四自由度混联式掘进机截割臂，包括叉形架、并联工作臂、可伸缩护板和切割头。其中，在所述的叉形架的前端两侧设有侧耳座，在叉形架的后端两侧设有铰链座，在叉形架的顶部设有后护板，用于防治切割产生的煤块或岩石落入叉形架内，且所述的后护板通过螺钉与叉形架相连接。所述的并联工作臂位于叉形架与切割头之间，用于实现切割头沿其轴线方向伸缩、左右摆动和上下仰俯转动共三个自由度的运动姿态调节。所述的并联工作臂的后端与叉形架的前端通过螺栓相固连；并联工作臂的前端与切割头的后端通过螺栓相固连。所述的可伸缩护板位于并联工作臂的上方，用于避免切割头作业时产生的煤块或岩石落入并联工作臂的内部，所述的可伸缩护板通过螺钉与并联工作臂相连接。所述的切割头用于切割岩石或煤层，切割头安装在并联工作臂的前端。

[0011] 所述的并联工作臂包括固定平台、俯仰支链、左右支链和动平台，所述的固定平台与叉形架的前端通过螺栓相连接；所述的俯仰支链、左右支链均有两条，且对称布置在固定平台与动平台之间；所述的俯仰支链、左右支链的两端与固定平台、动平台均通过螺钉相连接。

[0012] 所述的动平台包括后安装座、T型连接柱和前安装座，所述的T型连接柱的前、后两端分别与前安装座、后安装座相固连，所述的前安装座与切割头通过螺栓相连接，在所述的后安装座上设有管线孔和弧形护板安装座，在所述的前安装座上设有马达安装孔。

[0013] 所述的俯仰支链包括第一铰链、第一液压缸和第一万向节。其中，所述的第一铰链的后端通过螺钉安装在固定平台上，所述的第一液压缸的后端与第一铰链的前端固连，第一液压缸的前端与第一万向节的后端固连，所述的第一万向节的前端与动平台的后安装座通过螺钉相连接；所述的第一铰链的轴线与第一万向节的十字轴的一条轴线相平行；安装在固定平台上的两个第一铰链的轴线保持平行；在同一个方向上，安装在动平台的后安装座上的两个第一万向节的十字轴的轴线保持平行。在位于左右支链上方的第一液压缸的顶部设有下护板安装座和上护板安装座，且所述的下护板安装座与第一液压缸的活塞杆固连，所述的上护板安装座与第一液压缸的缸体固连。

[0014] 所述的左右支链包括第二铰链、第二液压缸和第二万向节。其中，所述的第二铰链的后端通过螺钉安装在固定平台上，所述的第二液压缸的后端与第二铰链的前端固连，第二液压缸的前端与第二万向节的后端固连，所述的第二万向节的前端与动平台的后安装座通过螺钉相连接；所述的第二铰链的轴线与第二万向节的十字轴的一条轴线相平行；安装在固定平台上的两个第二铰链的轴线保持平行；在同一个方向上，安装在动平台的后安装座上的两个第二万向节的十字轴的轴线保持平行；所述的第一铰链的轴线垂直于第二铰链的轴线；所述的第一液压缸、第二液压缸均为双排液压缸。

[0015] 所述的可伸缩护板包括上护板、下护板、柔性接头和弧形护板。其中，所述的上护板的后端通过螺钉固定安装在第一液压缸的上护板安装座上；所述的下护板通过嵌套连接的方式安装在上护板内，所述的下护板的前端通过螺钉固定安装在第一液压缸的下护板安装座上；所述的弧形护板与下护板之间通过柔性接头相连接，所述的柔性接头采用织物增强型橡胶材料；所述的弧形护板通过螺钉固定安装在动平台的弧形护板安装座上。

[0016] 所述的切割头包括切割马达、切割头体、主动齿轮、从动齿轮、从动轴和截齿。其中，所述的切割马达有三台，均采用液压马达，且通过螺钉对称安装在动平台的前安装座上，用于为主动齿轮提供动力；所述的主动齿轮安装在切割马达的输出轴上，且与切割马达的输出轴通过平键相连接；所述的从动齿轮安装在从动轴上，且与从动轴通过平键相连接，所述的从动齿轮同时与三个主动齿轮相啮合；所述的从动轴的前端通过轴承与切割头体相连接，从动轴的后端通过轴承与动平台的前安装座相连接；所述的截齿呈螺旋线型安装布置在切割头体的外侧面上，且在所述的截齿的外表面设有类金刚石碳涂层。

[0017] 根据并联机构拓扑结构理论，第一铰链的轴线与第一万向节的十字轴的轴线之间的尺度约束关系，第二铰链的轴线与第二万向节的十字轴的轴线之间的尺度约束关系以及第一铰链与第二铰链的轴线之间的尺度约束关系共同确定了并联工作臂的运动自由度。

[0018] 从机构学的角度看，所述的并联工作臂是一种4RPU结构的四支链并联机构，且具有空间一个移动两个独立转动共三个运动自由度。切割头在切割马达的驱动下绕从动轴轴线的转动为切割头的第四个运动自由度自由度，与并联工作臂一起构成了一个{-4RPU-R-}结构的混联机构，符号R表示转动副，符号U表示万向节，符号P表示移动副。所述的混联机构{-4RPU-R-}具有一个移动三个转动共四个运动自由度。

[0019] 使用时，可根据掘进机切割头的实际切割作业需要，确定切割头的姿态。切割头的仰俯摆动可通过控制两条俯仰支链中两个第一液压缸呈相反方向伸缩运动来实现；切割头的左右摆动可通过控制两条左右支链中两个第二液压缸呈相反方向伸缩运动来实现；切割头的伸缩运动可通过控制第一液压缸、第二液压缸的同步伸缩运动来实现；切割头绕自身轴线的转动主要通过切割马达驱动从动齿轮和从动轴的转动来实现。在实际切割作业中，切割头的作业姿态调整需要同时控制多个方向的转动或移动实现。

[0020] 本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明的切割头除绕自身旋转外，还具有空间一个移动三个转动共四个运动自由度，切割头不仅可绕其轴线旋转、沿着轴线方向伸缩，还能实现左右摆动和上下俯仰运动，不仅可扩大切割头的转动幅度，还有利于调整切割头的姿态，扩大切割空间，减少设备调整次数，节省工时；本发明的截割头的转动由液压马达驱动，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；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。此外，本发明还具有结构紧凑、控制解耦性好，调节、维护方便等特点，能克服现有掘进机存在的技术缺陷，不仅可以用作煤矿井下煤巷、岩巷用掘进机，还可作为地面隧道施工等用途的掘进机使用。本发明的并联工作臂的结构不仅适合于纵轴式掘进机的截割臂，也可用于横轴式掘进机的截割臂中。

附图说明

[0021] 图1为本发明的总体结构示意图；

[0022] 图2为本发明的并联工作臂与叉形架、切割头之间的连接关系示意图；

[0023] 图3为本发明的叉形架的结构示意图；

[0024] 图4为本发明的并联工作臂的结构示意图；

[0025] 图5为本发明的并联工作臂的动平台的结构示意图；

[0026] 图6为本发明的切割头的结构示意图。

具体实施方式

[0027] 为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

[0028] 如图1、图2和图3所示，一种四自由度混联式掘进机截割臂，包括叉形架1、并联工作臂2、可伸缩护板3和切割头4。其中，在所述的叉形架1的前端两侧设有侧耳座11，在叉形架1的后端两侧设有铰链座12，在叉形架1的顶部设有后护板13，用于防治切割产生的煤块或岩石落入叉形架1内，且所述的后护板13通过螺钉与叉形架1相连接；在所述的叉形架1的两侧还设有腰形工艺孔14，在叉形架1的前端设有叉前管线孔15，在叉形架1的中部设有工字型加强筋16，在叉形架1的顶部设有四个后护板安装座17。所述的并联工作臂2位于叉形架1与切割头4之间，用于实现切割头沿其轴线方向伸缩、左右摆动和上下仰俯转动共三个自由度的运动姿态调节。所述的并联工作臂2的后端与叉形架1的前端通过螺栓相固连；并联工作臂2的前端与切割头4的后端通过螺栓相固连。所述的可伸缩护板3位于并联工作臂2的上方，用于避免切割头4作业时产生的煤块或岩石落入并联工作臂2的内部，所述的可伸缩护板3通过螺钉与并联工作臂2相连接。所述的切割头4用于切割岩石或煤层，切割头4安装在并联工作臂2的前端。

[0029] 如图1、图2和图4所示，所述的并联工作臂2包括固定平台21、俯仰支链22、左右支链23和动平台24，所述的固定平台21与叉形架1的前端通过螺栓相连接；所述的俯仰支链22、左右支链23均有两条，且对称布置在固定平台21与动平台24之间；所述的俯仰支链22、左右支链23的两端与固定平台21、动平台24均通过螺钉相连接。

[0030] 如图1、图2、图4和图5所示，所述的动平台24包括后安装座241、T型连接柱242和前安装座243，所述的T型242连接柱的前、后两端分别与前安装座243、后安装座241相固连，所述的前安装座243与切割头4通过螺栓相连接，在所述的后安装座241上设有管线孔2411和弧形护板安装座2412，在所述的前安装座243上设有马达安装孔2431。

[0031] 如图1、图2和图4所示，所述的俯仰支链22包括第一铰链221、第一液压缸222和第一万向节223。其中，所述的第一铰链221的后端通过螺钉安装在固定平台21上，所述的第一液压缸222的后端与第一铰链221的前端固连，第一液压缸222的前端与第一万向节223的后端固连，所述的第一万向节223的前端与动平台24的后安装座241通过螺钉相连接；所述的第一铰链221的轴线与第一万向节223的十字轴的一条轴线相平行；安装在固定平台21上的两个第一铰链221的轴线保持平行；在同一个方向上，安装在动平台24的后安装座241上的两个第一万向节223的十字轴的轴线保持平行。在位于左右支链23上方的第一液压缸222的顶部设有下护板安装座2221和上护板安装座2222，且所述的下护板安装座2221与第一液压缸222的活塞杆固连，所述的上护板安装座2222与第一液压缸222的缸体固连。

[0032] 如图1、图2和图4所示，所述的左右支链23包括第二铰链231、第二液压缸232和第二万向节233。其中，所述的第二铰链231的后端通过螺钉安装在固定平台21上，所述的第二液压缸232的后端与第二铰链231的前端固连，第二液压缸232的前端与第二万向节233的后端固连，所述的第二万向节233的前端与动平台24的后安装座241通过螺钉相连接；所述的第二铰链231的轴线与第二万向节233的十字轴的一条轴线相平行；安装在固定平台21上的两个第二铰链231的轴线保持平行；在同一个方向上，安装在动平台24的后安装座241上的两个第二万向节233的十字轴的轴线保持平行；所述的第一铰链221的轴线垂直于第二铰链231的轴线；所述的第一液压缸222、第二液压缸232均为双排液压缸。

[0033] 如图1、图2和图4所示，所述的可伸缩护板3包括上护板31、下护板32、柔性接头33和弧形护板34。其中，所述的上护板31的后端通过螺钉固定安装在第一液压缸222的上护板安装座2222上；所述的下护板32通过嵌套连接的方式安装在上护板31内，所述的下护板32的前端通过螺钉固定安装在第一液压缸222的下护板安装座2221上；所述的弧形护板34与下护板32之间通过柔性接头33相连接，所述的柔性接头33采用织物增强型橡胶材料；所述的弧形护板34通过螺钉固定安装在动平台24的弧形护板安装座2412上。

[0034] 如图1、图2和图6所示，所述的切割头4包括切割马达41、切割头体42、主动齿轮43、从动齿轮44、从动轴45和截齿46。其中，所述的切割马达41有三台，均采用液压马达，且通过螺钉对称安装在动平台24的前安装座243上，用于为主动齿轮43提供动力；所述的主动齿轮43安装在切割马达41的输出轴上，且与切割马达41的输出轴通过平键相连接；所述的从动齿轮44安装在从动轴45上，且与从动轴45通过平键相连接，所述的从动齿轮44同时与三个主动齿轮43相啮合；所述的从动轴45的前端通过轴承与切割头体42相连接，从动轴45的后端通过轴承与动平台24的前安装座243相连接；所述的截齿46呈螺旋线型安装布置在切割头体42的外侧面上，且在所述的截齿46的外表面设有类金刚石碳涂层。

[0035] 根据并联机构拓扑结构理论，第一铰链221的轴线与第一万向节223的十字轴的轴线之间的尺度约束关系，第二铰链231的轴线与第二万向节233的十字轴的轴线之间的尺度约束关系以及第一铰链221与第二铰链231的轴线之间的尺度约束关系共同确定了并联工作臂2的运动自由度。

[0036] 使用时，可根据掘进机切割头4的实际切割作业需要，确定切割头4的姿态。切割头4的仰俯摆动可通过控制两条俯仰支链22中两个第一液压缸222呈相反方向伸缩运动来实现；切割头4的左右摆动可通过控制两条左右支链23中两个第二液压缸232呈相反方向伸缩运动来实现；切割头4的伸缩运动可通过控制第一液压缸222、第二液压缸232的同步伸缩运动来实现；切割头4绕自身轴线的转动主要通过切割马达41驱动从动齿轮44和从动轴45的转动来实现。在实际切割作业中，切割头4的作业姿态调整需要同时控制多个方向的转动或移动实现。

[0037] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。