一种矿用智能化支架搬运装置及其搬运方法与流程

本发明属于矿山工程设备技术领域，尤其涉及一种矿用智能化支架搬运装置及其搬运方法。

背景技术：

现代机械化采煤工作面巷道的维护工作十分重要，其直接影响工作面采煤作业、通风和安全。巷道的支护方式大体分为单体支柱支护和超前支架支护两种；并且，超前支护支架还包括有：两列式、滑移式等能够自移行走的超前支架，和门式、垛式等无法自移的单元式支架。其中，单元式支架因不存在对巷道顶板反复支撑的问题，支护效果较好，适用范围广。

然而，现有技术中，因单元式支架不具备行走功能，必需依靠其他辅助设备才能够移动。目前，单元式支架的移动大多采用绞车拖拽、支架车运输等方式，这些传统的运输方式受地质条件的影响大，存在一定的安全隐患，且工人的劳动强度大，作业效率低；同时，由于运输空间等的特殊要求，许多矿井还不具备相应的运输条件，从而严重限制了单元式支架的应用。故有必要对现有技术的单元式支架的搬运方式和装置予以改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种矿用智能化支架搬运装置及其搬运方法，该装置可对巷道同一位置的两架垛式单元式支架进行同时搬运，且有效缩短单元式支架的搬运时间，作业效率高，占用空间小，适用性强。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种矿用智能化支架搬运装置，包括承载箱7和行走导轨1，所述行走导轨1滑动连接沿所述行走导轨1的长度方向依次分布的第一制动车21、第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24；所述第三制动车23通过一拉杆与第二制动车22连接；所述第二制动车22和第一制动车21通过一行走油缸4连接；所述第一制动车21连接一用于放置电磁阀阀体零件的液压操作台3；所述第二制动车22下方连接一用于托起液压油管以及控制线路的吊架5；

所述承载箱7通过第三制动车23和第四制动车24与上方的行走导轨1滑动相连；所述承载箱7转动连接一支撑臂10，所述支撑臂10位于所述承载箱7的下方；所述支撑臂10的内部设置一插接腔；所述插接腔内设置一对可伸缩的支撑插杆9；一对所述支撑插杆9对称设置；

所述承载箱7上设置一与所述承载箱7传动连接并用于驱动所述支撑插杆9旋转的所述液压马达6。

优选地，所述承载箱7包括一承载箱体73，所述承载箱体73上设置一承载箱上盖71；所述承载箱体73内设置一液压马达输出轴721和一齿轮传动机构72，液压马达输出轴721与液压马达6键连接；所述齿轮传动机构72的输入端与所述液压马达输出轴721配合，所述齿轮传动机构72的输出端与一起吊臂承载轴725配合；所述起吊臂承载轴725的上端转动安装在所述承载箱上盖71，下端固定连接所述支撑臂10。

优选地，所述支撑臂10包括一支撑臂箱体101，所述支撑臂箱体101为一两端敞开的筒状结构；所述支撑臂箱体101内固定一支撑臂伸缩油缸104；所述支撑臂伸缩油缸104伸入所述支撑插杆9内并通过销轴固定于所述支撑臂箱体101。

优选地，所述支撑插杆9包括一支撑插杆箱体91，所述支撑插杆箱体91上设置有固定挡板，所述支撑插杆箱体91端部的挡板插接腔内设置一活动挡板93；

所述活动挡板93包括一挡板931，所述挡板931靠近固定挡板的一侧面设置用于安装回转轴932的凹槽；所述凹槽的敞开段覆盖一回转轴盖板933；回转轴盖板933固定于所述挡板931；所述回转轴932的轴线垂直于挡板931的移动方向；所述回转轴932可沿所述挡板插接腔的内壁移动；

所述挡板931远离所述固定挡板的一侧面设置压缩弹簧94，所述压缩弹簧94连接一弹簧盖板95，所述弹簧盖板95固定于所述挡板插接腔的末端。

优选地，所述挡板931上固定一用于吸附支架顶梁111的电磁铁92；所述电磁铁92位于所述挡板931和固定挡板之间。

优选地，所述第一制动车21、第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的结构相同；

所述第一制动车21包括一制动车框架215，所述制动车框架215的上部设置有用于与行走导轨1配合连接的行走轮212；所述制动车框架215的上部设置刹车块211，所述刹车块211位于行走导轨1的两侧；每个所述刹车块211均通过一连接轴铰接一摇摆臂213；

位于行走导轨1两侧的摇摆臂213之间通过销轴连接一制动车油缸216；所述制动车油缸216上套设一制动弹簧214；所述制动弹簧214固定在位于行走导轨1两侧的摇摆臂213之间。

优选地，还包括：工控机、电磁铁控制器、电磁阀、可编程逻辑控制器、一对激光测距仪、若干线激光双目立体相机12、红外发射器102及红外接收器103；

所述工控机分别与电磁铁控制器、可编程逻辑控制器、线激光双目立体相机12、红外发射器102以及红外接收器103信号连接；

所述红外发射器102和红外接收器103均固定于所述支撑臂10的外侧面；

所述线激光双目立体相机12用于将周围的环境信息转化为三维点云数据，分别固定于所述支撑插杆9的下侧面和支撑臂10朝向巷道的两侧；

所述第一制动车21和第二制动车22上均设置一所述激光测距仪；

工控机将控制指令传输至用于控制电磁铁92得电和失电的电磁铁控制器、可编程逻辑控制器，由可编程逻辑控制器通过电磁阀控制行走油缸4、液压马达6、制动车油缸的动作，同时激光测距仪、线激光双目立体相机12、红外发射器102和红外接收器103分别反馈信息至工控机。

一种矿用智能化支架搬运装置的搬运方法，基于所述的矿用智能化支架搬运装置，包括以下步骤：

1）支撑臂10上的线激光双目立体相机12实时检测巷道的环境信息并将环境信息传输至工控机，之后行走油缸4根据工控机的指令调整移动以调整矿用智能化支架搬运装置在巷道中的位置，直到第四制动车24移动至搬运起始位置；

2）液压马达6驱动支撑臂10进行转向，同时由工控机接收红外发射器10.2和红外接收器10.3的脉冲信息以获取计算支撑臂10的转动角度，并且通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12实时反馈支撑臂10末端的巷道三维环境信息，最终使得支撑臂10与行走导轨1相垂直；

3）通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12反馈的深度数据，由工控机控制支撑臂伸缩油缸104驱动支撑插杆9伸长到待移动支架的正下方；

4）待支撑插杆9伸长到设定长度后，工控机控制由电磁阀驱动的支架支撑油缸112回缩，在回缩过程中，支撑插杆9的活动挡板931实现对支架顶梁111的自动夹紧，在支架底座113回缩至脱离巷道的底部时，由工控机控制电磁铁92得电以吸附待搬运支架的支架顶梁111；

5）通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12反馈的深度数据，由工控机控制支撑臂伸缩油缸104驱动支撑插杆9回缩到搬运状态；

6）液压马达6驱动支撑臂10进行转向，在转向过程中，工控机接收红外发射器10.2和红外接收器103的脉冲信息以获取支撑臂10的转动角度，并且通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12实时反馈支撑臂10末端的巷道三维环境信息，最终使得支撑臂10进行垂直转向，实现支撑臂10与行走导轨1相平行；

7）工控机控制电磁阀使得第一制动车21的制动车油缸216收缩，并通过摇摆臂213带动刹车块211与行走导轨1分离，之后由电磁阀控制行走油缸4伸长以带动第一制动车21向超前支护段的前方移动，同时第一制动车21的位移量由激光测距仪测量并反馈给工控机，待行走油缸4伸长到位后，由工控机控制制动车油缸216使得第一制动车21的刹车块211与行走导轨1再次接触，以实现此时第一制动车21夹紧于行走导轨1；

8）由工控机控制电磁阀使得第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的制动车油缸收缩，并通过第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的摇摆臂带动对应的刹车块与行走导轨1分离，之后由电磁阀控制行走油缸4收缩以带动第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24向左移动；此过程中第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的位移量均由激光测距仪测量并反馈至工控机；

待行走油缸4收缩到位之后，由工控机控制电磁阀使得第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24分别与行走导轨1再次接触，以实现第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24夹紧于行走导轨1；

9）重复步骤7和步骤8，由工控机计算整个过程中该装置的累计位移量，并且通过设置在支撑臂10两侧的线激光双目立体相机12实时检测巷道的环境信息，以此来判断第四制动车24是否到达超前支护段的前方；

10）待第四制动车24到达支超前支护段的前方后，由液压马达6驱动支撑臂10进行转向，在转向过程中，由工控机接收红外发射器102和红外接收器103的脉冲信息以计算支撑臂10的转动角度，并且通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12实时反馈支撑臂10末端的巷道三维环境信息，最终使得支撑臂10进行垂直转向，此时支撑臂10与行走导轨1垂直；

11）通过工控机控制支撑臂伸缩油缸104伸长，待到达安装位置之后，使得电磁铁92失电，并且同样由工控机控制电磁阀驱动支架支撑油缸112伸长，直至该组待移动支架11抵住巷道顶部和巷道底部；

12）通过工控机对各电磁阀进行协调控制，使得整个矿用智能化支架搬运装置由液压马达6、所有制动车油缸以及行走油缸4移动到起始搬运位置与起始状态，之后再根据采煤工作面推移情况对后续支架进行搬运、前移。

与现有技术相比，本发明的优点为：

（1）本发明中第一制动车、第二制动车、第三制动车、第四制动车分别与上方行走导轨滑动；承载箱与第三制动车、第四制动车连接；承载箱的下方转动连接有支撑臂，以第一制动车、第二制动车之间连接的行走油缸作为整个搬运装置前移的驱动力，利用可旋转的支撑臂将同一位置处的待移动的两架垛式单元式支架托举、并转动方向后，再通过悬吊在行走导轨上的承载箱，来带动待移动的单元式支架向巷道超前支护段的最前端移动。进而让操作人员安全、省力、快速地将支架搬运到指定地点，有效缩短单元式支架的搬运时间，提升作业效率；

（2）该装置可将巷道同一位置处的待移动的两架垛式单元式支架同时搬运，因此极大地提高了搬运效率，同时支撑插杆末端的电磁铁可实现搬运过程中对垛式单元式支架单元进行牢固吸附；；

（3）该装置且占用空间小，适用于包括煤矿在内的各种矿山、隧道等相对狭小的空间使用，适用性强；

（4）本发明加入了行走油缸，而行走油缸采用井下的采煤工作面上有现成的乳化液泵站进行驱动，因此可实现搬运装置在巷道中利用已有的乳化液泵站进行液压步进自行前移，且步进前移距离可以通过激光测距仪实时测量；

（5）本发明为搬运以及转向提供动力的运动控制均采用闭环反馈控制，操作人员通过工控机对装置发出开始支架搬运的命令后，该装置即可利用红外发射器、红外接收器、线激光双目立体相机、激光测距仪等传感器实现对垛式支架的全自动搬运。

附图说明

图1为本发明一实施例的矿用智能化支架搬运装置的工作过程示意图。

图2为图1的正视图。

图3为图1的右视图。

图4为图1的左视图。

图5为图1中第一制动车的结构示意图。

图6为图1中承载箱、支撑臂和支撑插杆的连接关系示意图。

图7为图6的爆炸视图。

图8为图7中活动挡板的爆炸视图。

图9为图6的全剖视图。

图10为图1中承载箱箱体的结构示意图。

图11至图19均为图1中支架搬运过程的示意图。

图20为图5中制动车的剖视图。

图21为图1中垛式单元式支架的结构示意图。

其中，1-工字钢轨道，2-制动车组，3-液压操作台，4-行走油缸，5-吊架，6-液压马达，7-承载箱，8-已搬运支架，9-支撑插杆，10-支撑臂，11-待搬运支架，12-线激光双目立体相机，21-第一制动车，211-刹车块，212-行走轮，213-摇摆臂，214-制动弹簧，215-制动车框架，216-制动油缸，22-第二制动车，23-第三制动车，24-第四制动车，71-承载箱上盖，72-齿轮传动机构，721-液压马达输出轴，722-驱动齿轮，723-推力球轴承，724-调心滚子轴承，725-起吊臂承载轴，726-调心滚子轴承，727-从动齿轮，728-推力滚子轴承，73-承载箱体，731-遮挡板，91-支撑插杆箱体，92-电磁铁，93-活动挡板，931-挡板，932-回转轴，933-回转轴盖板，934-深沟球轴承，94-压缩弹簧，95-弹簧盖板，101-支撑臂箱体，102-红外发射器，103-红外接收器，104-支撑臂伸缩油缸，111-支架顶梁，112-支架支撑油缸，113-支架底座。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1~4所示，一种矿用智能化支架搬运装置，包括第一制动车21、第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24、行走导轨1、承载箱7、支撑臂10和一对可伸缩的支撑插杆9。

行走导轨1上滑动连接沿行走导轨1的长度方向依次分布的第一制动车21、第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24；第三制动车23通过一拉杆与第二制动车22连接；第二制动车22和第一制动车21通过一行走油缸4连接；第一制动车21连接一液压操作台；第二制动车22下方连接一用于托起液压油管以及控制线路的吊架5。该矿用智能化支架搬运装置使用时，将行走导轨1布置在每组两架单元式支架的中间，其中，已搬运支架8为支撑插杆9托举的支架，待搬运支架11为巷道内排列的支架。在本实施例中，该行走油缸4为现有技术中两端均带伸缩杆的行走油缸。

承载箱7通过第三制动车23和第四制动车24与上方的行走导轨1滑动相连；承载箱7转动连接一支撑臂10，支撑臂10位于承载箱7的下方；支撑臂10的内部设置一插接腔；插接腔内设置一对可伸缩的支撑插杆9；一对支撑插杆9对称设置；承载箱7上设置一与承载箱7传动连接并用于驱动支撑插杆9旋转的液压马达6。

如图6~7所示，承载箱7包括一承载箱体73，承载箱体73上设置一承载箱上盖71；承载箱体73内设置一液压马达输出轴721和一齿轮传动机构72，液压马达输出轴721与液压马达6键连接；齿轮传动机构72的输入端与液压马达输出轴721配合，齿轮传动机构72的输出端与一起吊臂承载轴725配合；起吊臂承载轴725的上端转动安装在承载箱上盖71，下端固定连接支撑臂10。

具体的，液压马达6通过花键直接连接液压马达输出轴721，该液压马达输出轴721的末端分别放置了推力球轴承723和调心球轴承724，并且通过驱动齿轮722将液压马达6的输出力矩传递给从动齿轮727，从动齿轮727固定在起吊臂承载轴725上，该起吊臂承载轴725两端分别放置了调心滚子轴承726以及推力滚子轴承728，起吊臂承载轴725的末端为d形轴，该处使用轴端挡圈连接固定着支撑臂10，可直接驱动支撑臂10转动。

齿轮传动机构72包括形成齿轮传动机构72输入端的驱动齿轮722、驱动齿轮722啮合的从动齿轮727，从动齿轮727形成齿轮传动机构72输出端。如图9所示。齿轮传动机构72也可以为圆柱齿轮减速器。

进一步地，如图10所示，承载箱体73的下方环形布置若干薄板731，该薄板731可遮挡由红外发射器102发往红外接收器103的红外线，且在支撑臂10转动的过程中，该红外发射器102和红外接收器103可以向工控机发送若干脉冲信号，可用于计算支撑臂（10）的回转角度。

支撑臂10包括一支撑臂箱体101，支撑臂箱体101为一两端敞开的筒状结构；支撑臂箱体101内固定一支撑臂伸缩油缸104；支撑臂伸缩油缸104伸入支撑插杆9内并通过销轴固定于支撑臂箱体101，如图7和图9所示。

支撑插杆9包括一支撑插杆箱体91，支撑插杆箱体91上设置有固定挡板，支撑插杆箱体91端部的挡板插接腔内设置一活动挡板93；如图7~图9所示。

具体的，活动挡板93包括一挡板931，挡板931靠近固定挡板的一侧面设置用于安装回转轴932的凹槽；凹槽的敞开段覆盖一回转轴盖板933；回转轴盖板933固定于挡板931；回转轴932的轴线垂直于挡板931的移动方向；回转轴932可沿挡板插接腔的内壁移动；挡板931远离固定挡板的一侧面设置压缩弹簧94，压缩弹簧94连接一弹簧盖板95，弹簧盖板95固定于挡板插接腔的末端。

在本实施例中，回转轴932两端分别加工了两平面，可直接与挡板931上的凹槽紧紧贴合，并且由回转轴盖板933通过螺栓连接固定在挡板931上；深沟球轴承934分别布置在回转轴932的末端，回转轴932可在支撑插杆箱体91末端的四个凹槽中自由滑动；深沟球轴承934可使得回转轴932沿挡板931的插接腔内壁上的槽移动。

进一步地：挡板931上固定一用于吸附支架顶梁111的电磁铁92；电磁铁92位于挡板931和固定挡板之间。

第一制动车21、第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的结构相同。

以第一制动车21为例，第一制动车21包括一制动车框架215，制动车框架215的上部设置有用于与行走导轨1配合连接的行走轮212；制动车框架215的上部设置刹车块211，刹车块211位于行走导轨1的两侧；每个刹车块均通过一连接轴211铰接一摇摆臂213，位于行走导轨1两侧的摇摆臂213之间通过一制动车油缸216；制动车油缸216上套设一制动弹簧214；制动弹簧214固定在位于行走导轨1两侧的摇摆臂213之间，图5和图20所示。

具体的，所述行走轮212挂在行走导轨1上，所述刹车块211对称布置在行走导轨1两侧，且可由制动弹簧214通过摇摆臂213驱动刹车块211夹紧行走导轨1，从而实现第一制动车21与行走导轨1的稳固连接；并且当制动车油缸216收缩时，可以使得摇摆臂213克服制动弹簧214的阻力而运动，从而使得刹车块211与行走导轨1脱离，此时第一制动车21可在行走导轨1上自由滑动。

在本实施例中，该矿用智能化支架搬运装置还包括：工控机、电磁铁控制器、电磁阀、可编程逻辑控制器、一对激光测距仪、若干线激光双目立体相机12、红外发射器102及红外接收器103。

工控机分别与电磁铁控制器、可编程逻辑控制器、线激光双目立体相机12、红外发射器102以及红外接收器103信号连接；红外发射器102和红外接收器103均固定于支撑臂10的外侧面；线激光双目立体相机12用于将周围的环境信息转化为三维点云数据，分别固定于支撑插杆9的下侧面和支撑臂10朝向巷道的两侧；第一制动车21和第二制动车22上均设置一激光测距仪，可实时测量第一制动车21和第二制动车22两制动车之间的距离，以此来反馈矿用智能化支架搬运装置整体的步进位移量。

工控机将控制指令传输至电磁铁控制器、可编程逻辑控制器，由可编程逻辑控制器通过电磁阀控制行走油缸4、液压马达6、制动车油缸的动作，同时激光测距仪、线激光双目立体相机12、红外发射器102和红外接收器103分别反馈信息至工控机。

该矿用智能化支架搬运装置进行搬运时，具体包括以下步骤，如图11~19所示：

（1）支撑臂10上的线激光双目立体相机12实时检测巷道的环境信息并将环境信息传输至工控机，之后行走油缸4根据工控机的指令调整移动以调整矿用智能化支架搬运装置在巷道中的位置，直到第四制动车24移动至搬运起始位置；

（2）液压马达6驱动支撑臂10进行转向，同时由工控机接收红外发射器10.2和红外接收器10.3的脉冲信息以获取计算支撑臂10的转动角度，并且通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12实时反馈支撑臂10末端的巷道三维环境信息，最终使得支撑臂10与行走导轨1相垂直；

（3）通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12反馈的深度数据，由工控机控制支撑臂伸缩油缸104驱动支撑插杆9伸长到待移动支架的正下方；

（4）待支撑插杆9伸长到设定长度后，工控机控制由电磁阀驱动的支架支撑油缸112回缩，在回缩过程中，支撑插杆9的活动挡板931实现对支架顶梁111的自动夹紧，在支架底座113回缩至脱离巷道的底部时，由工控机控制电磁铁92得电以吸附待搬运支架11的支架顶梁111，防止在搬运过程中已搬运支架8掉落或摇晃；如图21所示为单元式支架的结构。

（5）通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12反馈的深度数据，由工控机控制支撑臂伸缩油缸104驱动支撑插杆9回缩到搬运状态；

（6）液压马达6驱动支撑臂10进行转向，在转向过程中，工控机接收红外发射器10.2和红外接收器103的脉冲信息以获取支撑臂10的转动角度，并且通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12实时反馈支撑臂10末端的巷道三维环境信息，最终使得支撑臂10进行垂直转向，实现支撑臂10与行走导轨1相平行；

（7）工控机控制电磁阀使得第一制动车21的制动车油缸216收缩，并通过摇摆臂213带动刹车块211与行走导轨1分离，之后由电磁阀控制行走油缸4伸长以带动第一制动车21向超前支护段的前方移动，同时第一制动车21的位移量由激光测距仪测量并反馈给工控机，待行走油缸4伸长到位后，由工控机控制制动车油缸216使得第一制动车21的刹车块211与行走导轨1再次接触，以实现此时第一制动车21夹紧于行走导轨1；

（8）由工控机控制电磁阀使得第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的制动车油缸收缩，并通过第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24的摇摆臂带动对应的刹车块与行走导轨1分离，之后由电磁阀控制行走油缸4收缩以带动第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24向左移动；此过程中第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24整体的位移量可通过激光测距仪测量并反馈给工控机；

待行走油缸4收缩到位之后，由工控机控制电磁阀使得第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24分别与行走导轨1再次接触，以实现第二制动车22、第三制动车23和第四制动车24夹紧于行走导轨1；

（9）重复步骤7和步骤8，由工控机计算整个过程中装置的累计位移量，并且通过设置在支撑臂10两侧的线激光双目立体相机12实时检测巷道的环境信息，以此来判断第四制动车24是否到达超前支护段的前方；

（10）待第四制动车24到达支超前支护段的前方后，由液压马达6驱动支撑臂10进行转向，在转向过程中，由工控机接收红外发射器102和红外接收器103的脉冲信息以计算支撑臂10的转动角度，并且通过设置在支撑插杆9末端下方的线激光立体相机12实时反馈支撑臂10末端的巷道三维环境信息，最终使得支撑臂10进行垂直转向，此时支撑臂10与行走导轨1垂直；

（11）通过工控机控制支撑臂伸缩油缸104伸长，待到达安装位置之后，使得电磁铁92失电，并且同样由工控机控制电磁阀驱动支架支撑油缸112伸长，直至该组待移动支架11抵住巷道顶部和巷道底部；

（12）通过工控机对各电磁阀进行协调控制，使得整个矿用智能化支架搬运装置由液压马达6、所有制动车油缸以及行走油缸4移动到起始搬运位置与起始状态，之后再根据采煤工作面推移情况对后续支架进行搬运、前移。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。