试验用三向开采机器人及三向开采机器人试验割煤系统的制作方法

本发明涉及三向开采机器人相关领域，特别是一种试验用三向开采机器人及三向开采机器人试验割煤系统。

背景技术：

相似材料模拟试验是以相似理论、因次分析等为基础，在实验室模拟再现工程现场的一种技术手段，广泛应用于采矿工程、岩土工程等工程技术领域，已经成为国内外进行重大岩体工程研究不可缺少的方法之一。大型三维物理相似模拟试验能够更好的模拟再现煤层开挖后顶、底板岩层在横向与纵向产生的破坏，但由于多煤层开采三维物理相似模拟试验的开挖区域为密闭空间，传统方法难以实现煤层的高效、精准开挖。目前，三维物理相似模拟试验主要采用水溶性材料模拟煤层开挖，即利用水溶原理对模拟岩层进行溶解，实现煤层开挖，但水溶性材料难以控制开挖进度，且水会对顶底板岩层的物理力学性质产生影响，影响试验效果；一些专家学者采用升降式装置模拟煤层开挖，即在模型底部铺设可升降装置，通过将装置降下来模拟煤层开挖，但升降式装置只能模拟单一煤层，且不能铺设底板岩层，适用范围较小，模拟效果受升降装置影响较大。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术的相似材料模拟试验仅能模拟单一煤层，模拟效果受升降装置影响较大的技术问题，提供一种试验用三向开采机器人及三向开采机器人试验割煤系统。

本发明提供一种试验用三向开采机器人，包括：截割装置、行走装置、排矸装置和支护装置，所述截割装置和所述排矸装置设置在所述行走装置上，所述支护装置设置在所述截割装置和所述排矸装置上方，所述截割装置与所述支护装置连接；

所述截割装置用于对三维物理模拟试验的试验煤层进行截割；

所述行走装置用于带动所述截割装置、所述排矸装置和所述支护装置行走或者转向；

所述排矸装置用于与外部吸尘器连通，将所述截割装置割落的破碎材料排出三维物理模拟试验的工作面；

所述支护装置包括用于遮蔽所述截割装置的遮蔽部、以及带动所述遮蔽部和所述截割装置沿垂直所述行走装置的方向伸缩的伸缩部，所述遮蔽部设置在所述伸缩部上。

进一步的，所述截割装置包括截割链、动力轮、调高轮、张紧轮、调高导向杆、张拉弹簧、以及横向导杆，其中：

所述调高导向杆能沿垂直所述行走装置的方向伸缩，所述动力轮设置在所述调高导向杆的底部，所述调高轮设置在所述调高导向杆的顶部，所述动力轮设置有提供动力的电机，所述横向导杆的两端分别与所述调高导向杆、所述伸缩部的固定段相连，所述调高轮与所述遮蔽部相连，所述横向导杆上设有容置所述张紧轮的导向槽，所述导向槽内设置有张拉弹簧，所述张拉弹簧一端与所述导向槽靠近所述伸缩部的端部连接，另一端与所述张紧轮连接，所述截割链绕在所述动力轮、所述调高轮、所述张紧轮上。

更进一步的，所述伸缩部包括调高千斤顶，所述遮蔽部包括掩护顶梁，所述调高轮通过调高横梁与所述掩护顶梁连接。

再进一步的，所述掩护顶梁的上部设置有至少一个滚动轮。

再进一步的，所述动力轮包括左侧动力轮、中部动力轮和右侧动力轮，所述调高轮包括左侧调高轮、中部调高轮和右侧调高轮，所述张紧轮包括左侧张紧轮、中部张紧轮和右侧张紧轮，所述调高导向杆包括左侧调高导向杆和右侧调高导向杆，所述左侧调高导向杆的底部分别连接所述左侧动力轮和所述中部动力轮，所述左侧调高导向杆的顶部分别连接所述左侧调高轮和所述中部调高轮，所述右侧调高导向杆的底部分别连接所述右侧动力轮和所述中部动力轮，所述右侧调高导向杆的顶部分别连接所述右侧调高轮和所述中部调高轮，所述横向导杆包括左侧横向导杆和右侧横向导杆，所述左侧横向导杆通过所述左侧动力轮与所述中部动力轮之间的轴套将所述左侧调高导向杆与所述调高千斤顶相连，所述右侧横向导杆通过所述右侧动力轮与所述中部动力轮之间的轴套将所述右侧调高导向杆与所述调高千斤顶相连。

再进一步的，所述排矸装置包括铲板、以及吸尘管，所述铲板一端设置在所述截割链下方，所述铲板的另一端与所述吸尘管连通，所述吸尘管用于与外部吸尘器连通，将所述截割装置割落的破碎材料排出三维相似模拟试验的工作面。

再进一步的，所述排矸装置还包括以钢丝为骨架的钢丝管，所述钢丝管与所述吸尘管另一端连通，所述吸尘管通过所述钢丝管与外部吸尘器连通。

再进一步的，所述铲板设置在所述伸缩部下方，在所述铲板下方还设置能够沿垂直所述行走装置的方向伸缩、以及以垂直所述行走装置的方向为轴旋转的抬高千斤顶，所述抬高千斤顶上还设置有转向锁止装置。

再进一步的，所述行走装置主要包括用于支撑所述截割装置、所述排矸装置和所述支护装置的支撑底板、以及设置在所述支撑底板底部的行走轮。

本发明提供一种三向开采机器人试验割煤系统，包括试验回采工作面、试验巷道、以及如前所述的三向开采机器人，所述试验巷道内设置有移动刻度板，在所述移动刻度板上设置有导向轮、可视探头、以及激光导向仪，所述三向开采机器人对所述试验回采工作面的试验煤层进行开挖，所述三向开采机器人上设置有管线，所述管线通过所述导向轮进行缩放；

所述管线包括与所述三向开采机器人的调高装置相连的液压管、与所述三向开采机器人的排矸装置相连的吸尘管，与所述截割装置和行走装置相连的动力线；

所述三向开采机器人的所述行走装置上设置有与所述激光导向仪配对的接收装置。

本发明通过设计三向开采机器人，能够实现多煤层开采三维物理相似模拟试验开挖区域的高效、精准、开挖，且能够实现对开挖煤层的回收、对顶板进行临时支护等，较好的解决了现有技术存在的不足。

附图说明

图1为本发明一种试验用三向开采机器人的结构示意图；

图2为图1的a-a剖面示意图；

图3为图1的b-b剖面示意图；

图4为图1的c-c剖面示意图；

图5为三向开采机器人试验割煤系统示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1～4所示为本发明一种试验用三向开采机器人的结构示意图，包括：截割装置1、行走装置2、排矸装置3和支护装置4，所述截割装置1和所述排矸装置3设置在所述行走装置2上，所述支护装置4设置在所述截割装置1和所述排矸装置3上方，所述截割装置1与所述支护装置4连接；

所述截割装置1用于对三维物理模拟试验的试验煤层进行截割；

所述行走装置2用于带动所述截割装置、所述排矸装置和所述支护装置行走或者转向；

所述排矸装置3用于与外部吸尘器连通，将所述截割装置割落的破碎材料排出三维物理模拟试验的工作面；

所述支护装置4包括用于遮蔽所述截割装置的遮蔽部、以及带动所述遮蔽部和所述截割装置沿垂直所述行走装置的方向伸缩的伸缩部，所述遮蔽部设置在所述伸缩部上。

具体来说，截割装置1对三维物理模拟试验的试验煤层进行截割，通过支护装置4的伸缩部带动截割装置1伸缩，从而适应截割煤层厚度的变化，通过排矸装置3将割落的破碎材料排出三维物理模拟试验的工作面，并通过行走装置行走。

本发明通过设计三向开采机器人，能够实现多煤层开采三维物理相似模拟试验开挖区域的高效、精准、开挖，且能够实现对开挖煤层的回收、对顶板进行临时支护等，较好的解决了现有技术存在的不足。

在其中一个实施例中，所述截割装置包括截割链5、动力轮6、调高轮7、张紧轮8、调高导向杆9、张拉弹簧10、以及横向导杆11，其中：

所述调高导向杆9能沿垂直所述行走装置的方向伸缩，所述动力轮7设置在所述调高导向杆9的底部，所述调高轮7设置在所述调高导向杆9的顶部，所述动力轮6设置有提供动力的电机，所述横向导杆11的两端分别与所述调高导向杆9、所述伸缩部的固定段相连，所述调高轮7与所述遮蔽部相连，所述横向导杆11上设有容置所述张紧轮8的导向槽，所述导向槽内设置有张拉弹簧10，所述张拉弹簧10一端与所述导向槽靠近所述伸缩部的端部连接，另一端与所述张紧轮8连接，所述截割链5绕在所述动力轮6、所述调高轮7、所述张紧轮8上。

更进一步的，所述伸缩部包括调高千斤顶15，所述遮蔽部包括掩护顶梁17，所述调高轮7通过调高横梁16与所述掩护顶梁17连接。

具体来说，调高轮7通过调高横梁16与掩护顶梁17相连，调高千斤顶15进行伸、缩动作时，可以通过调高横梁16带动调高轮7进行升高或降低，适应不同割煤高度的需要。当割煤高度增大时，调高千斤顶15伸出，带动调高轮7通过调高导向杆9升高，此时张拉弹簧10拉伸，张紧轮8通过张拉弹簧10使截割链5处于张紧状态；当割煤高度减小时，调高千斤顶15收缩，带动调高轮7通过调高导向杆9降低，此时张拉弹簧10收缩，张紧轮8通过张拉弹簧10使截割链5始终处于张紧状态。

在其中一个实施例中，所述掩护顶梁17的上部设置有至少一个滚动轮。

掩护顶梁17的上部设计滚动轮23，当开采机器人行走时，可以有效降低掩护顶梁17与顶板的摩擦力。

在其中一个实施例中，所述动力轮6包括左侧动力轮12、中部动力轮13和右侧动力轮14，所述调高轮包括左侧调高轮、中部调高轮和右侧调高轮，所述张紧轮包括左侧张紧轮、中部张紧轮和右侧张紧轮，所述调高导向杆包括左侧调高导向杆和右侧调高导向杆，所述左侧调高导向杆的底部分别连接所述左侧动力轮和所述中部动力轮，所述左侧调高导向杆的顶部分别连接所述左侧调高轮和所述中部调高轮，所述右侧调高导向杆的底部分别连接所述右侧动力轮和所述中部动力轮，所述右侧调高导向杆的顶部分别连接所述右侧调高轮和所述中部调高轮，所述横向导杆包括左侧横向导杆和右侧横向导杆，所述左侧横向导杆通过所述左侧动力轮与所述中部动力轮之间的轴套将所述左侧调高导向杆与所述调高千斤顶相连，所述右侧横向导杆通过所述右侧动力轮与所述中部动力轮之间的轴套将所述右侧调高导向杆与所述调高千斤顶相连。

如图3所示，动力轮分为左侧动力轮12、中部动力轮13、右侧动力轮14，相应的调高轮、张紧轮与截割链也分为左侧、中部与右侧三部分。横向导杆11分别通过左侧动力轮与中部动力轮、右侧动力轮与中部动力轮之间的轴套将调高导向杆9与调高千斤顶15相连，横向导杆11的两端分别与调高导向杆9、调高千斤顶15的固定段相连。

在其中一个实施例中，所述排矸装置包括铲板20、以及吸尘管21，所述铲板20一端设置在所述截割链下方，所述铲板20的另一端与所述吸尘管21连通，所述吸尘管21用于与外部吸尘器连通，将所述截割装置割落的破碎材料排出三维相似模拟试验的工作面。

在其中一个实施例中，所述排矸装置还包括以钢丝为骨架的钢丝管22，所述钢丝管22与所述吸尘管21另一端连通，所述吸尘管21通过所述钢丝管与外部吸尘器连通。

具体来说，吸尘管21为固定钢管，钢丝管22是以细钢丝为骨架的软管，从而可以适应工作面弯曲的工况，并有效避免上部岩层的垮落材料将钢丝管砸坏。在三维相似模拟试验台外侧布置工业吸尘器，通过铲板20、吸尘管21、钢丝管22将割落的破碎材料排出模拟的工作面。

在其中一个实施例中，所述铲板20设置在所述伸缩部下方，在所述铲板20下方还设置能够沿垂直所述行走装置的方向伸缩、以及以垂直所述行走装置的方向为轴旋转的抬高千斤顶24，所述抬高千斤顶24上还设置有转向锁止装置25。

抬高千斤顶24可以将调高千斤顶15及附属的铲板20、截割装置1抬起，从而可以满足调高千斤顶15进行旋转，通过转向锁止装置25可以对调高千斤顶15的旋转角度进行限制，满足调高千斤顶15向左、向右旋转90度。在机器人空机行走时升高抬高千斤顶24，将铲板20，截割机构1等抬起，提高机器人道路通过能力。

在其中一个实施例中，所述行走装置主要包括用于支撑所述截割装置、所述排矸装置和所述支护装置的支撑底板19、以及设置在所述支撑底板19底部的行走轮18。

行走轮18带动开采机器人可以实现前进、后退和90度转向，支撑底板19为开采机器人提供支撑。

作为本发明最佳实施例，如图1～图4所示，一种试验用三向开采机器人，包括截割装置1、行走装置2、排矸装置3和支护装置4。

截割装置主要包括截割链5、动力轮6、调高轮7、张紧轮8、调高导向杆9、张拉弹簧10、横向导杆11，见图2所示。其中动力轮又分为左侧动力轮12、中部动力轮13、右侧动力轮14，见图3所示，相应的调高轮、张紧轮与截割链也分为左侧、中部与右侧三部分。横向导杆11分别通过左侧动力轮与中部动力轮、右侧动力轮与中部动力轮之间的轴套将调高导向杆9与调高千斤顶15相连，横向导杆11的两端分别与调高导向杆9、调高千斤顶15的固定段相连。调高轮7通过调高横梁16与掩护顶梁17相连，调高千斤顶15进行伸、缩动作时，可以通过调高横梁16带动调高轮7进行升高或降低，适应不同割煤高度的需要。当割煤高度增大时，调高千斤顶15伸出，带动调高轮7通过调高导向杆9升高，此时张拉弹簧10拉伸，张紧轮8通过张拉弹簧10使截割链5处于张紧状态；当割煤高度减小时，调高千斤顶15收缩，带动调高轮7通过调高导向杆9降低，此时张拉弹簧10收缩，张紧轮8通过张拉弹簧10使截割链5始终处于张紧状态。

行走装置主要包括行走轮18、支撑底板19，行走轮18带动开采机器人可以实现前进、后退和90度转向，支撑底板19为开采机器人提供支撑。

排矸装置主要包括铲板20、吸尘管21、钢丝管22。铲板20将截割链5割落的破碎材料进行收集，并通过吸尘管21、钢丝管22将割落的破碎材料排出，其中吸尘管21为固定钢管，钢丝管22是以细钢丝为骨架的软管，从而可以适应工作面弯曲的工况，并有效避免上部岩层的垮落材料将钢丝管砸坏。在三维相似模拟试验台外侧布置工业吸尘器，通过铲板20、吸尘管21、钢丝管22将割落的破碎材料排出模拟的工作面。

支护装置主要包括调高千斤顶15、掩护顶梁17、滚动轮23，其中调高千斤顶可以实现截割高度的升、降，掩护顶梁17保护开采机器人内部的装置，掩护顶梁17的上部设计滚动轮23，当开采机器人行走时，可以有效降低掩护顶梁17与顶板的摩擦力。在调高千斤顶15的下部设计抬高千斤顶24、转向锁止装置25，抬高千斤顶24可以将调高千斤顶15及附属的铲板20、截割装置1抬起，从而可以满足调高千斤顶15进行旋转，通过转向锁止装置25可以对调高千斤顶15的旋转角度进行限制，满足调高千斤顶15向左、向右旋转90度。

截割装置1由动力轮6中部的电动机提供动力，调高千斤顶15和抬高千斤顶24由液压泵站26提供动力。

如图5所示，本发明一种三向开采机器人试验割煤系统的系统示意图，包括试验回采工作面32、试验巷道33、以及如前所述的三向开采机器人34，所述试验巷道33内设置有移动刻度板30，在所述移动刻度板30上设置有导向轮27、可视探头28、以及激光导向仪29，所述三向开采机器人34对所述试验回采工作面32的试验煤层进行开挖，所述三向开采机器人34上设置有管线31，所述管线31通过所述导向轮27进行缩放；

所述管线31包括与所述三向开采机器人的调高装置相连的液压管、与所述三向开采机器人的排矸装置相连的吸尘管，与所述截割装置和行走装置相连的动力线；

所述三向开采机器人的所述行走装置上设置有与所述激光导向仪配对的接收装置。

其中，管线主要包括液压管、吸尘管、动力线，其中液压管与机器人的调高装置相连，吸尘管与排矸装置相连，动力线与截割装置和行走装置相连，上述管线可以辅助完成三向开采机器人的所有动作。

移动刻度板的长度大于巷道的长度，从而可以在巷道外侧观察巷道内移动刻度板的长度，通过人工拉动移动刻度板，可以对导向轮、激光导向仪的位置进行精确控制。

在三向开采机器人上安装有激光导向仪接收装置，通过移动刻度板可以精确确定激光导向仪的位置，激光导向仪发射装置与三向开采机器人上的接收装置配对，可以实现对三向开采机器人的精确导向。

三维物理模拟试验煤层开挖流程：

在三维物理模拟试验工作面一侧巷道内设置导向轮27、可视探头28、激光导向仪29，导向轮27、可视探头28、激光导向仪29固定在巷道内的移动刻度板30上，随着三向开采机器人截割煤层的需要，三向开采机器人的管线31等通过导向轮进行缩放，并利用移动刻度板30上的刻度进行精准控制。可视探头28可以对三维物理模拟试验工作面内的情况进行观测，实时传出三向开采机器人的截割情况。激光导向仪为三向机器人的行进方向进行导航，保证机器人回采和掘进开挖的精度。

三向开采机器人通过动力轮6中部的电动机为截割链5提供动力，对煤层进行截割，调高千斤顶15通过带动掩护顶梁17、调高横梁16、调高轮7适应截割煤层厚度的变化，实现掩护顶梁17与调高轮7进行相同调高范围的调整。在机器人空机行走时升高抬高千斤顶24，将铲板20，截割机构1等抬起，提高机器人道路通过能力。截割链5采用逆时针转动，截割下来的破碎材料通过铲板20、吸尘管21、钢丝管22排出工作面，实现三维相似模拟试验煤层的精准开采，解决了传统水溶材料开采、台阶升降系统开采等存在的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。