CN114017077B - 油缸式棚架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及巷道支护技术领域，公开了一种油缸式棚架，包括顶梁、两个肩梁、两个支撑柱和小腿；顶梁用于支护巷道的顶板，顶梁的顶面为向上拱起的弧面。其中一个肩梁的一端与顶梁的一端可转动连接，另一个肩梁的一端与顶梁的另一端可转动连接；支撑柱包括上支腿、下支腿和悬挂油缸；上支腿的一端套设在下支腿外侧；悬挂油缸设置在上支腿的内部，悬挂油缸的一端与上支腿连接，悬挂油缸的另一端与下支腿连接；上支腿的上端与两个肩梁远离顶梁的一端可转动连接；每个支撑柱远离肩梁的一端均连接有一个小腿，小腿的一端设置有接地脚；本发明提供很小的支撑力时便可取得极大的工作阻力，具有结构简单、轻巧、空间占用小的优点，易于搬运和安装。

Description

油缸式棚架

技术领域

本发明涉及巷道支护技术领域，具体为一种油缸式棚架。

背景技术

现有矩形巷道机械化掘进一般都采用一边掘进一边用锚杆支护的方式进行，但是锚杆支护技术由于其工序复杂，巷道条件多变，目前没有成熟的自动化解决方案，需要人工支护，这些工作人员都处于极端恶劣的工作环境中。根据国家卫健委统计，截止2018年底，全国累计报告职业病例超过97万，居世界首位，其中大部分都集中在矿井从业劳动者中。矿井中，尤其是矿井掘进工作面环境恶劣，粉尘、热害、噪声和有毒有害气体组成“四害”，严重威胁劳动者健康，导致各类职业病的发生，尘肺病，耳聋，皮肤病，风湿病，神经系统疾病等，每年因职业病而死亡人数已远超事故死亡人数。另外，现有锚杆支护方式支护缓慢，掘支不平衡问题突出，严重制约巷道掘进效率。

基于上述的技术难题，需要设计研发一款高度自动化的巷道支护装置，但是目前使用的巷道支护棚架无法与巷道支护装置配合使用，满足不了巷道支护装置的自动化作业要求。而且，目前使用的支护棚架需要提供相当大的支撑力才能够满足使用要求，这样就导致了支撑支护装置体型和重量均比较大，搬运和安装困难，从而造成施工效率较低。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：目前使用的巷道支护棚架无法与巷道支护装置配合使用，而且需要提供相当大的支撑力才能够满足使用要求，导致支撑支护装置体型和重量均比较大，搬运和安装困难。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种油缸式棚架，包括顶梁、两个肩梁、两个支撑柱和小腿。所述顶梁用于支护巷道的顶板，所述顶梁的顶面为向上拱起的弧面。其中一个所述肩梁的一端与所述顶梁的一端可转动连接，另一个所述肩梁的一端与所述顶梁的另一端可转动连接。所述支撑柱包括上支腿、下支腿和悬挂油缸；所述上支腿的一端套设在所述下支腿外侧；所述悬挂油缸设置在所述上支腿的内部，所述悬挂油缸的一端与所述上支腿连接，所述悬挂油缸的另一端与所述下支腿连接；所述上支腿的上端与两个肩梁远离所述顶梁的一端可转动连接。每个支撑柱远离肩梁的一端均连接有一个可转动的小腿，所述小腿远离所述支撑柱的一端设置有接地脚，所述接地脚上设置有防滑脚钉。

本发明在使用时巷道顶板来压会产生自增力效应，降低了油缸式棚架对工作阻力的要求，即当油缸式棚架提供很小的支撑力时，便可取得极大的工作阻力。本发明具有结构简单、轻巧、空间占用小的优点，易于搬运和安装。此外，支撑柱采用悬挂油缸来驱动上支腿与下支腿相对滑动，结构设计巧妙，制造成本低，而且也具有较长的使用寿命。

在一些实施例中，所述顶梁包括梁体和固定在所述梁体上方的弹性垫，所述梁体的两端分别与两个所述肩梁可转动连接；所述弹性垫背离梁体的一面为向上拱起的弧面。

在一些实施例中，所述悬挂油缸包括气缸缸体、活塞杆和活塞。所述气缸缸体的一端设置有用于与上支腿连接的第一连接部。所述活塞杆的其中一个端面上开设有油池孔，所述活塞杆的内部还设置有通油油道；所述活塞杆开设有油池孔的一端插入气缸缸体内部并可在气缸缸体内滑动，位于气缸缸体内部的活塞杆杆体上设置有环形油道；所述通油油道的一端与环形油道连通，通油油道的另一端经回油油道与油池孔的底部连通，所述回油油道内设置有第二单向阀；位于所述气缸缸体外侧的活塞杆杆体上开设有与油池孔连通的充气孔，所述充气孔内设置有充气接头；所述活塞杆远离所述第一连接部的一端与所述下支腿连接。所述活塞设置在气缸缸体内并与活塞杆固定；所述活塞的外壁上设置有油液存储腔和主密封安装槽，所述活塞杆上设置有使油液存储腔与环形油道连通的进油油道；所述活塞的端面上设置有与油液存储腔连通的排气孔，所述排气孔内设置有第三单向阀。

在一些实施例中，位于气缸缸体外侧的活塞杆杆体上设置有注油孔，所述注油孔的一端与所述通油油道连通，所述注油孔内设置有注油装置；所述注油装置包括第一单向阀和注油接头，所述注油接头安装在所述注油孔内，所述第一单向阀设置在注油接头靠近通油油道的一端。

在一些实施例中，所述通油油道为圆柱孔，通油油道的长度方向与活塞杆的长度方向一致，所述通油油道的一端贯穿活塞杆并通过第一堵头封堵；所述活塞的外壁开设有两个环绕活塞一周的导向套安装槽，所述导向套安装槽分别位于活塞外壁的两端，所述主密封安装槽位于两个导向套安装槽之间；所述活塞的外壁上还设置有润滑脂吸附环，所述润滑脂吸附环设置在所述主密封安装槽与其中一个导向套安装槽之间。

在一些实施例中，位于所述气缸缸体外侧的活塞杆杆体上开设有与油池孔连通的油位检测孔，所述油位检测孔通过第二堵头封堵；所述环形油道两侧的的活塞杆外壁上开设有环绕活塞杆一周的O型圈安装槽，所述O型圈安装槽内设置O型圈，所述O型圈位于所述活塞与所述活塞杆之间。

在一些实施例中，所述接地脚与所述小腿可转动连接，并且所述接地脚能够在重力作用下自由转动；所述小腿上设置有勾指，所述上支腿的底部设置有固定柱，所述勾指可钩在所述固定柱上。

在一些实施例中，所述小腿包括两个相互平行的翼板，两个所述翼板之间的距离不小于上支腿的宽度，所述的两个翼板之间通过连接件连接固定；所述翼板的一端开设槽口以形成所述的勾指，所述翼板的另一端开设有第二通孔；所述小腿靠近所述支撑柱的一端设置有第一空心铰接销，所述第一空心铰接销的两端分别设置在两个所述翼板的第二通孔内；所述支撑柱远离所述肩梁的一端设置在两个所述的翼板之间，并且所述支撑柱远离所述肩梁的一端与所述第一空心铰接销可转动连接。

在一些实施例中，所述上支腿通过第二空心铰接销与肩梁铰接，所述第二空心铰接销上设置有第三通孔；所述第一空心铰接销上设置有第一通孔，所述第一通孔的截面形状为非圆形。

在一些实施例中，所述接地脚包括底板和与底板固定的第二连接部；所述第二连接部通过第二销轴与小腿远离所述支撑柱的一端可转动连接。

附图说明

图1是一种巷道支护装置的整体结构图。

图2是巷道支护装置中棚架安装车的结构图。

图3是巷道支护装置中棚架拆卸车的结构图。

图4是巷道支护装置中安装臂的结构图。

图5是巷道支护装置中大臂的结构示意图。

图6是巷道支护装置中小臂的结构示意图。

图7是本发明实施例中油缸式棚架展开状态的结构图。

图8是本发明实施例中油缸式棚架收缩状态的结构图。

图9是本发明实施例中油缸式棚架的安装状态示意图。

图10是本发明实施例中油缸式棚架在安装状态的受力分析与在和分布示意图。

图11是本发明实施例中顶梁的一种结构示意图。

图12是本发明实施例中顶梁的另一种结构示意图。

图13是本发明实施例中支撑柱、小腿以及接地脚装配后的结构图。

图14是本发明实施例中小腿的结构图。

图15是本发明实施例中接地脚的结构。

图16是本发明实施例中悬挂油缸的内部结构图。

图17是图16中B处的局部放大视图。

图18是巷道支护装置中第一支架、第一滑道、第一丝杠、第一驱动装置的装配图。

图19是图7中A处的局部放大视图。

附图标记：1、棚架拆卸车；2、油缸式棚架；3、棚架安装车；4、第一支架；5、第一滑道；6、第一螺母滑块；7、第一驱动装置；701、第一减速器；702、第一电机；8、安装机构；9、限位块；10、拆卸机构；11、钻箱；12、支撑架；13、顶板；14、第二支架；1401、第一升降油缸；1402、连接板；1403、第二升降油缸；15、第二滑道；16、第二螺母滑块；17、第二丝杠；18、第二驱动装置；1801、第二减速器；1802、第二电机；19、滑台；20、大臂；2001、第二大臂；2002、第一大臂；21、大臂倾斜缸；22、第二撑杆；23、小臂倾斜缸；24、小臂；2401、第二小臂；2402、第一小臂；25、第一撑杆；26、大臂伸缩缸；27、小臂伸缩缸；28、顶梁；2801、弹性垫；2802、梁体；29、肩梁；30、上支腿；31、固定柱；32、下支腿；33、第二空心铰接销；34、第一空心铰接销；35、小腿；3501、翼板；3502、连接件；36、接地脚；3601、底板；3602、第二连接部；3603、防滑脚钉；37、勾指；38、第三通孔；39、第一通孔；40、悬挂油缸；41、槽口；42、第二通孔；43、气缸缸体；44、回油油道；45、导向套安装槽；46、油液存储腔；47、主密封安装槽；48、润滑脂吸附环；49、活塞；50、第二堵头；51、油位检测孔；52、活塞杆；53、第一堵头；54、注油接头；55、第一单向阀；56、通油油道；57、第二单向阀；58、充气接头；59、环形油道；60、O型圈安装槽；61、排气孔；62、第三单向阀；63、注油孔；64、第一丝杠；65、倒刺；66、进油油道；67、第二销轴；68、巷道岩壁；69、收缩状态的油缸式棚架；70、第一连接部；71、油池孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图7至图19所示，本实施例提供了一种油缸式棚架，包括顶梁28、两个肩梁29、两个支撑柱和小腿35。所述顶梁28用于支护巷道的顶板，因此顶梁28的长度与巷道的宽度相适应；其中一个肩梁29的一端与顶梁28的一端可转动连接，另一个肩梁29的一端与顶梁28的另一端可转动连接；所述支撑柱包括上支腿30、下支腿32和悬挂油缸40；所述上支腿30的一端套设在所述下支腿32外侧；所述悬挂油缸40设置在所述上支腿30的内部，所述悬挂油缸40的一端与上支腿30连接，所述悬挂油缸40的另一端与下支腿32连接；所述上支腿30的上端与肩梁29远离所述顶梁28的一端可转动连接；由悬挂油缸驱动下支腿沿着上支腿的长度方向滑动，由此实现支撑柱的伸缩，进而实现对油缸式棚架整体高度的调节；每个支撑柱远离肩梁的一端(即下支腿的下端)均连接有一个可转动的小腿，所述小腿远离所述支撑柱的一端设置有接地脚36。

本发明在使用时巷道顶板来压会产生自增力效应，降低了油缸式棚架对工作阻力的要求，即当油缸式棚架提供很小的支撑力时，便可取得极大的工作阻力。本发明具有结构简单、轻巧、空间占用小的优点，易于搬运和安装。此外，支撑柱采用悬挂油缸来驱动上支腿与下支腿相对滑动，结构设计巧妙，制造成本低，而且也具有较长的使用寿命。

顶梁与肩梁之间、肩梁与支撑柱之间以及支撑柱与小腿之间均通过销轴铰接，并且在转动时顶梁、肩梁、支撑柱始终处于同一平面内。油缸式棚架在收缩时，两个肩梁向油缸式棚架的中部方向转动，两个肩梁的下端以及两个支撑柱相互靠近，由此实现油缸式棚架宽度尺寸的整体缩小；同时支撑柱收缩变短，小腿向上旋转实现折叠，从而使油缸式棚架的整体高度变小。油缸式棚架的撑开过程与其收缩过程相反，不再赘述。

作为优选的实施方式，所述顶梁28的顶面为向上拱起的弧面，并且顶梁28的顶面的曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。当巷道为矩形时，可以认为巷道顶板曲率半径为无限大，只要顶梁曲率半径为有限值，便小于巷道顶板曲率半径；当巷道顶板为有限曲率半径时，其顶梁曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。在使用时顶梁的顶面朝上，在支撑柱的推动下顶梁经过一定的弹性变形后整体接顶，这样就使顶梁与顶板的接触载荷呈现弓形分布。

作为对本实施例的进一步改进，所述顶梁28包括梁体2802和固定在梁体2802上方的弹性垫2801，梁体2802与弹性垫2801之间可以粘接固定或者利用螺栓固定，所述梁体2802的两端分别与两个肩梁29铰接；所述弹性垫背离梁体的一面为向上拱起的弧面。其中所述的梁体可以采用直梁，也可以采用曲梁。参见图11所示，此时所述梁体为直梁，弹性垫的中部至弹性垫的两端的方向上，弹性垫的厚度逐渐减小。参见图12所示，此时梁体为向上拱起的曲梁，所述弹性垫各个位置的厚度相等。

油缸式棚架在使用时，其梁体通过弹性垫与巷道顶板接触，弹性垫在支撑柱的推动下发生弹性形变并与巷道顶板充分接触，此时弹性垫对巷道的支撑载荷分布如图10所示，形成弓形载荷分布。弓形载荷分布与巷道支护需求载荷大致吻合，所以此载荷分布会对巷道产生更好的支护效果，并改变普通顶梁支撑力集中于支撑柱的状态，避免损伤巷道顶板；另外梁体上部与巷道顶部接触面设置弹性垫可以使顶梁与巷道柔性接触，很大程度上避免将巷道顶板中的局部凸起压溃，起到巷道顶板保护效果。

所述悬挂油缸40包括气缸缸体43、活塞杆52和活塞49。所述气缸缸体43的一端设置有用于与上支腿连接的第一连接部70，气缸缸体的一端通过第一连接部70与上支腿铰接。所述活塞杆52的其中一个端面上开设有油池孔71，所述油池孔71位于活塞杆的中心位置，油池孔的轴线与活塞杆的轴线重合，所述活塞杆的内部还设置有通油油道56；所述活塞杆开设有油池孔的一端插入气缸缸体内部并可在气缸缸体内滑动，位于气缸缸体内部的活塞杆杆体上设置有环形油道59，环形油道59环绕活塞杆的外壁一周；所述通油油道56的一端与环形油道59连通，在具体实施时可以通过在活塞杆上打孔来使环形油道与通油油道56连通。通油油道的另一端经回油油道44与油池孔的底部连通，所述回油油道内设置有一个第二单向阀57；位于气缸缸体外侧的活塞杆杆体上开设有与油池孔连通的充气孔，所述充气孔内设置有充气接头58；所述活塞杆远离第一连接部的一端与下支腿连接。所述活塞安装在气缸缸体内并与活塞杆固定；所述活塞的外壁上开设有油液存储腔46和主密封安装槽47，油液存储腔和主密封安装槽均环绕活塞的外壁一周，所述活塞杆上开设有使油液存储腔与环形油道连通的进油油道66；所述活塞的端面上设置有与油液存储腔连通的排气孔61，所述排气孔61内设置有第三单向阀62。

上述悬挂油缸的工作原理为：通过在悬挂油缸内设置油池孔和回路，利用悬挂油缸工作时内部的压力变化，形成自动补液回路，使油液存储腔内的气体排出，从而延长气缸使用寿命。其中所述的自动补液是指：在油液存储腔内由于损耗或者油液溶解气体释放等原因出现气泡，随着悬挂油缸工作的伸长，悬挂油缸内压力的降低，气泡会自动膨胀并通过设置于活塞上端的带有第三单向阀62的排气孔排出；当悬挂油缸压缩时，随着压力的增加，悬挂油缸内部压力会将油池孔内油液通过带有第二单向阀57的回油油道压入油液存储腔内，将油液存储腔内的气泡压缩变小，如此循环下去就可将油液存储腔内的气泡排出，实现自动补液功能。

设置有油池孔的活塞杆不仅可以作为油液存储的一个空间，而且能够增加悬挂油缸内部高压气体体积，进而进一步增加悬挂油缸有效支撑力的行程范围。由于油液存储腔内始终存有油液，所以主密封安装槽内设置的主密封始终处于浸入油液的状态，所以其性能、寿命都能达到很高的要求，实现悬挂油缸的高压工作。

作为优选的实施方式，所述通油油道可以为圆柱孔，通油油道的长度方向与活塞杆的长度方向一致，所述通油油道的一端贯穿活塞杆并通过第一堵头53封堵，在此情况下所述通油油道可以通过钻孔的方式得到。为了实现悬挂油缸内的油液补给，位于气缸缸体外侧的活塞杆杆体上设置有注油孔63，所述注油孔63的一端与通油油道连通，所述注油孔63内设置有用于向通油油道内注油的注油装置。为了便于加工制造，所述注油孔和回油油道均设计为圆柱孔，所述注油孔的直径不小于回油油道的直径，并且注油孔的轴线与回油油道的轴线共线。所述注油装置包括第一单向阀55和注油接头54，所述注油接头安装在所述注油孔内，所述第一单向阀设置在注油接头靠近通油油道的一端。

所述活塞的外壁开设有两个环绕活塞一周的导向套安装槽45，所述导向套安装槽分别位于活塞外壁的两端，所述主密封安装槽位于两个导向套安装槽之间。所述活塞的外壁上还设置有润滑脂吸附环48，所述润滑脂吸附环设置在主密封安装槽与其中一个导向套安装槽之间。该悬挂油缸在组装时，预先将润滑脂吸附环用油脂浸润，这样悬挂油缸工作时，润滑脂吸附环上的油脂可以对气缸缸体进行润滑。

位于所述气缸缸体外侧的活塞杆杆体上开设有与油池孔连通的油位检测孔51，所述油位检测孔通过第二堵头50封堵。所述环形油道两侧的的活塞杆外壁上开设有环绕活塞杆一周的O型圈安装槽60，所述O型圈安装槽60内设置O型圈，所述O型圈位于活塞与所述活塞杆之间，通过在O型圈安装槽60内设置O型圈来进一步保证环形油道两侧的密封效果。

上述悬挂油缸使用前需要完成以下的准备工作：1、首先通过注油接头以及第一单向阀向悬挂油缸内注入油脂，同时打开油位检测孔，观察油池孔内液面到达指定位置之后，停止注油并利用第二堵头将油位检测孔封堵；2、将充气接头58与高压气源连接并充气，使悬挂油缸内部气压达到一定值；3、保持该悬挂油缸竖直并静置足够时间后，通过检测台或者测试装置进行检测，确保悬挂油缸无泄漏。该悬挂油缸在搬运和使用的过程中尽量保持其处于接近竖直的状态。

该悬挂油缸通过特殊结构与回路设计，使其具备自动补液的功能，可以使其使用性能和寿命与液压缸相媲美。高压气缸气体和润滑油处于一个腔体内，通过空心的活塞杆进一步增加高压气体存储空间，从而增加了其有效支撑的活动行程，相比普通的液压油缸和高压蓄能器组成系统更加节省空间。此外，如需进一步增加有效支撑的行程，只需在气缸缸体外接一个简单的高压气室便可实现。该悬挂油缸可以在一些特殊的空间受限场合代替液压缸，从而免去与液压缸配套的泵站阀组等一系列设备，成本低，具有良好的经济效益和实用功能。

为了使小腿在折叠之后能够保持该状态，可以在小腿35上设置勾指37，并且在上支腿30的底部设置固定柱31，所述勾指37可钩在固定柱上。当小腿从图7中的状态向上旋转至图8中的状态时，小腿上的勾指勾住上支腿底部的固定住，实现小腿的折叠，使油缸式棚架处于收缩状态。所述接地脚36与小腿可转动连接，并且接地脚能够在重力作用下自由转动，这样在小腿转动至上方时接地脚垂在小腿一侧，使接地脚基本处于竖直位置，节约占用的空间。

在一些实施例中，所述小腿包括两个相互平行的翼板3501，两个翼板3501之间的距离不小于上支腿的宽度以保证上支腿可以收纳在两个翼板之间，所述的两个翼板之间通过连接件3502连接固定。在加工时可以在翼板的一端开设槽口41以形成所述的勾指37，所述翼板3501的另一端开设有第二通孔42；所述小腿靠近支撑柱的一端设置有第一空心铰接销，所述第一空心铰接销的两端分别固定在两个翼板的第二通孔内；所述支撑柱远离肩梁的一端设置在两个翼板之间，并且支撑柱远离肩梁的一端与第一空心铰接销转动连接。为了便于将小腿勾在固定柱上，所述槽口可以设计为V形，即从所述槽口的口部至槽口的底部，所述槽口的宽度逐渐减小。所述连接件可以为设置在两个翼板之间的平板，所述平板以及两个翼板可以通过整块金属板折弯成型。

在一些实施例中，所述接地脚36包括底板3601和与底板3601固定的第二连接部3602，所述第二连接部3602通过第二销轴67与小腿远离支撑柱的一端可转动连接。为了进一步改善接地脚与地面之间的接触性能，所述底板背离第二连接部的一面设计为圆弧面，所述底板背离第二连接部的一面上还设置有多个防滑脚钉3603，所述的防滑脚钉可以为设置在底板底面上的半球形凸块。本实施例中的油缸式棚架在巷道内支护时，接地脚的底板与巷道地面接触，以此来增大与巷道之间的接触面积，避免接触面被压碎，提供更好的支撑效果。

为了更好地利用巷道岩壁68对上肢腿的摩擦力，可以在上支腿与巷道侧帮接触的面上设置倒刺65，使上肢腿向上与向下的摩擦系数不同。在一些实施例中，所述上支腿通过第二空心铰接销与肩梁铰接，所述第二空心铰接销上设置有第三通孔38。所述下支腿通过第一空心铰接销与小腿铰接，所述第一空心铰接销上设置有第一通孔39，所述第一通孔的截面形状为非圆形。所述小腿与第一空心铰接销固定连接，第一空心铰接销在转动时小腿随第一空心铰接销同步转动。所述第一空心铰接销以及第二空心铰接销均与顶梁、肩梁、支撑柱所在的平面垂直。

油缸式棚架安装完成后的效果图如图9所示。根据油缸式棚架支撑状态和过程，对其进行受力分析，其中安装过程受力分析如图10右侧所示，设小腿与竖直方向夹角设为α，肩梁与竖直方向夹角设为β。

为了便于计算，忽略巷道岩壁68的摩擦力以及各铰接点分布位置的影响，将所有力进行平移与集中，并全部按照竖直方向与水平方向进行受力分解与合成。

设支腿支撑力为F₁，巷道岩壁68对上肢腿向下的摩擦系数为μ₁摩擦阻力为F_μ1

上肢腿向上驱动力为：

F_上＝F₁-F_μ1

上肢腿侧帮正压力为：

F_压＝F_上·tgβ+F₁·tgα＝F₁(tgβ+tgα)-F_μ1

巷道岩壁68对上肢腿的摩擦阻力：

F_μ1＝F_压·μ₁＝[F₁(tgβ+tgα)-F_μ1]μ₁

整理得：

F_μ1＝F₁(tgβ+tgα)/(1+1/μ₁)

顶梁的初始支撑力：

F_初＝F₁-F_μ1＝[1-(tgβ+tgα)/(1+1/μ₁)]F₁

当顶板来压时，油缸式棚架受力分析如图10左侧所示，此时设顶板压力的一半(油缸式棚架两边对称设计)为F₂，其与油缸式棚架支撑力F₁在摩擦力的作用下取得新的平衡，设巷道岩壁对上肢腿向上的摩擦系数为μ₂，摩擦力为F_μ2，此时：

F₁＝F₂-F_μ2

此时，F₂通过分解为肩梁对巷道岩壁作用力F₂₀，由于肩梁上下两铰接点受力分解角度相同，作用力与反作用力相同，所以其中对巷道岩壁正压力F₂₁为：

F₂₁＝F₂·tgβ

此时，油缸式棚架支撑力F₁的各向分力与初撑时一样，但是由于顶板来压，上肢腿有向下运动趋势，巷道岩壁对上肢腿的摩擦力向上，为了更好地利用巷道岩壁对上肢腿的摩擦力可以在上肢腿接触面设置倒刺，使其向上与向下的摩擦系数不同，如图9所示，则此时巷道岩壁对上肢腿的摩擦力：

F_μ2＝(F₁₃+F₂₁)·μ₂＝(F₁·tgα+F₂·tgβ)·μ₂

另外

F₁＝F₂-(F₁·tgα+F₂·tgβ)·μ₂

求解即得：

F₁＝F₂(1-μ₂·tgβ)/(1+μ₂·tgα)

从式中可以看出，上肢腿与巷道岩壁的摩擦力F_μ2会随着顶板来压F₂的增大而增大，产生自增力效应，当β与α取适当值时，F₁远小于F₂，即当油缸式棚架提供很小的支撑力时，便可取得极大的工作阻力。比如取β＝40°，α＝10°，μ₂＝1(经验值)时，F₁≈0.29F₂.当β≥45°时，F₁理论值为0,即产生自锁死效应，无论F₂多大，F₁都不需要增加。

为了实现本实施例中油缸式棚架的自动支护，参见图1至图6所示，本申请还提供了一种巷道支护装置，包括上述的油缸式棚架2、棚架安装车3和棚架拆卸车1。所述油缸式棚架2可进行撑开和缩放，所述油缸式棚架2在撑开后用于巷道岩壁68的支护。所述棚架安装车3上可放置一个或者多个所述油缸式棚架2，棚架安装车3可以为掘进机组；所述棚架安装车3上设置有安装机构8，所述安装机构8用于抓取放置在所述棚架安装车3上的油缸式棚架2并将油缸式棚架2支护在巷道内。所述棚架拆卸车1上设置有拆卸机构10，所述拆卸机构10用于将巷道内处于支护状态的油缸式棚架拆除并放置在所述棚架拆卸车1上；所述棚架拆卸车1可将其上放置的油缸式棚架运送至所述棚架安装车3上。放置在所述棚架安装车3和所述棚架拆卸车1上的油缸式棚架2均处于缩放状态，所述棚架拆卸车1以及放置在所述棚架拆卸车1上的油缸式棚架2可从支护在巷道内的油缸式棚架下方通过。

该巷道支护装置的使用过程如下：

①、在棚架安装车上预存储一定数量的油缸式棚架，随后控制棚架安装车在巷道内移动，棚架安装车移动至指定位置并且将其上放置的油缸式棚架一并搬运至该位置。

②、棚架安装车上的安装机构抓取一个放置在棚架安装车上的油缸式棚架，接着安装机构将该油缸式棚架撑开，使油缸式棚架支护在巷道内。

③、棚架安装车沿着巷道掘进，每隔一段距离取下一个油缸式棚架对巷道进行支护，直至棚架安装车上放置的油缸式棚架用尽或者支护至目标位置。

④、待棚架安装车上放置的油缸式棚架用尽之后，棚架安装车停机，巷道内通风降尘之后工作人员进入巷道工作面并进行锚杆支护。

⑤、工作人员锚杆支护完毕之后，由棚架拆卸车上的拆卸机构将巷道内支护的油缸式棚架收缩拆卸，并将拆下的油缸式棚架放置在棚架拆卸车上，直至棚架拆卸车上放满油缸式棚架；

⑥、接着控制棚架拆卸车向棚架安装车移动，在此过程中棚架拆卸车上放置的油缸式棚架处于收缩状态，从而使棚架拆卸车以及其上放置的油缸式棚架可以从撑开的油缸式棚架下方通过；待棚架拆卸车移动至棚架安装车后方的适当位置时，棚架拆卸车将其上放置的油缸式棚架转运至棚架安装车上；

⑦、之后可以重复步骤②，开始下一个作业周期，由此便实现了油缸式棚架的连续自动支护。

巷道支护装置可以提高油缸式棚架支护作业的自动化程度，实现自动化随掘随支，有利于提高巷道掘进工作效率。此外，避免了工作人员长时间处于巷道工作面内，降低了工作人员患职业病的风险，提高了作业的安全性。

所述棚架安装车上还设置有棚架运输机构，所述棚架运输机构包括第一支架4、第一滑道5、第一螺母滑块6、第一丝杠64和第一驱动装置7。所述第一支架为相互平行的两个并分别安装在棚架安装车宽度方向上的两侧，第一支架的底部与棚架安装车固定连接，第一支架主要作为第一滑道的安装载体；每个第一支架的顶部均安装一个第一滑道，所述第一滑道沿棚架安装车的长度方向延伸，即第一滑道的长度方向与棚架安装车的行进方向一致。所述第一滑道用于放置油缸式棚架，并且油缸式棚架放到第一滑道上之后，油缸式棚架还可以在外力的作用下沿着第一滑道的长度方向滑动。所述第一滑道远离第一驱动装置的一端设置有限位块9，放置在棚架安装车上的油缸式棚架具体是放置在限位块与第一螺母滑块之间的第一滑道上。此外，两个第一滑道之间的距离不大于顶梁的长度，保证可将处于收缩状态的油缸式棚架69放置在两个第一滑轨上。所述第一螺母滑块可滑动地设在所述第一滑道内，且第一螺母滑块的至少部分位于第一滑道外侧；所述第一丝杠64沿第一滑道的长度方向可转动地设在第一滑道内，在具体实施时为了实现第一丝杠64与第一滑道之间的可转动连接，第一丝杠的两端可以通过轴承座与第一滑道固定，所述第一丝杠与所述第一螺母滑块螺纹配合；所述第一驱动装置设在第一滑道的一端并与第一丝杠相连，所述第一驱动装置用于驱动第一丝杠转动并带动第一螺母滑块沿所述第一滑道滑动，第一螺母滑块在第一滑道上移动时其位于第一滑道外侧的部分可以推动放置在第一滑道上的油缸式棚架移动。

所述安装机构包括两个安装臂，安装机构的两个安装臂分别安装在棚架安装车的两侧；所述安装臂与所述油缸式棚架可拆卸地相连，所述安装机构的安装臂用于抓取第一滑道上放置的油缸式棚架并将所述油缸式棚架支护在巷道内。

所述棚架拆卸车上还设置有棚架转运机构，所述棚架转运机构包括第二支架14、第二滑道15、第二螺母滑块16、第二丝杠17和第二驱动装置18。所述第二支架可升降地与所述棚架拆卸车相连；所述第二滑道与所述第二支架相连并沿所述棚架拆卸车的长度方向延伸，所述第二滑道为两个，两个所述第二滑道沿所述棚架拆卸车的宽度方向间隔布置；所述第二滑道用于放置油缸式棚架，并且油缸式棚架放到第二滑道上之后，油缸式棚架还可以在外力的作用下沿着第二滑道的长度方向滑动。此外，两个第二滑道之间的距离不大于顶梁的长度，保证可将处于收缩状态的油缸式棚架69放置在两个第二滑轨上。所述第二螺母滑块可滑动地设在所述第二滑道内，且所述第二螺母滑块的至少部分位于所述第二滑道外侧；所述第二丝杠沿所述第二滑道的长度方向可转动地设在所述第二滑道内，所述第二丝杠与所述第二螺母滑块螺纹配合；所述第二驱动装置设在第二滑道的一端并与第二丝杠相连，所述第二驱动装置用于驱动第二丝杠转动并带动第二螺母滑块沿所述第二滑道滑动，第二螺母滑块在第二滑道上移动时其位于第二滑道外侧的部分可以推动放置在第二滑道上的油缸式棚架移动。

所述拆卸机构包括两个安装臂，拆卸机构的两个安装臂分别安装在棚架拆卸车的两侧；所述安装臂与所述油缸式棚架可拆卸地相连，所述拆卸机构的安装臂用于将所述油缸式棚架从巷道内拆卸下来并将拆卸下来的油缸式棚架放在所述棚架转运机构上。

所述第一驱动装置7包括第一电机702和第一减速器701，所述第一电机通过所述第一减速器与所述第一丝杠的一端传动连接。所述第二驱动装置18包括第二电机1802和第二减速器1801，所述第二电机1802通过所述第二减速器1801与所述第二丝杠17的一端传动连接。

棚架安装车上的安装臂和棚架拆卸车上的安装臂结构相同，所述安装臂均包括滑台19、大臂20、小臂24、大臂倾斜缸21和小臂倾斜缸23。所述滑台与棚架安装车或者棚架拆卸车固定；所述大臂可伸缩，所述大臂的第一端与所述棚架安装车或棚架拆卸车铰接。所述小臂可伸缩，所述小臂的第一端与所述大臂的第二端铰接，所述小臂24上设有第一撑杆25和第二撑杆22，所述第一撑杆和第二撑杆适于与所述油缸式棚架可拆卸地相连。所述大臂倾斜缸的第一端与所述棚架安装车或棚架拆卸车铰接，所述大臂倾斜油缸的第二端与所述大臂铰接。所述小臂倾斜油缸的第一端与所述大臂铰接，所述小臂倾斜油缸的第二端与所述小臂铰接。所述滑台可驱动大臂以及大臂倾斜缸沿着棚架安装车或者棚架拆卸车的长度方向移动，所述大臂倾斜缸可驱动大臂在一平面内摆动。

为了实现大臂和小臂的伸缩，所述安装臂还包括大臂伸缩缸26和小臂伸缩缸27。所述大臂20包括第一大臂2002和第二大臂2001，所述第一大臂可滑动地设在所述第二大臂内，所述大臂伸缩缸设在所述大臂内，且所述大臂伸缩缸的第一端与所述第一大臂相连，所述大臂伸缩缸的第二端与所述第二大臂相连，通过大臂伸缩杠的伸缩来控制大臂的伸缩。所述小臂24包括第一小臂2402和第二小臂2401，所述第一小臂可滑动地设在所述第二小臂内，所述小臂伸缩缸设在所述小臂内，且所述小臂伸缩缸的第一端与所述第一小臂相连，所述小臂伸缩缸的第二端与所述第二小臂相连，通过小臂伸缩杠的伸缩来控制小臂的伸缩。

所述第一撑杆25和第二撑杆22分别固定在小臂的两端，所述第一撑杆可插入第一空心铰接销上的第一通孔内，所述第二撑杆可插入第二空心交接销上的第三通孔内。在安装臂上的第一撑杆插入第一通孔、第二撑杆插入第三通孔内后，即实现了对油缸式棚架的抓取，此时安装臂即可驱动油缸式棚架收缩或者展开。所述第一撑杆的截面形状为非圆形(例如矩形或者正多边形或者椭圆形)，且第一撑杆的截面形状与第一通孔的截面形状相匹配。作为优选的实施方式，第一空心铰接销上的第一通孔的截面以及第一撑杆的截面均为正方形。所述第一撑杆可绕自身的轴线转动，所述第一撑杆插入第一空心铰接销的第一通孔内之后，通过转动第一撑杆可驱动小腿转动。在具体实施时，所述第一撑杆可以是与第一小臂转动连接的方钢或者方管，第二小臂可以是焊接在第二小臂上的圆钢。

为了实现第二支架的升降，所述第二支架14可以包括连接板1402、两个第一升降油缸1401和两个第二升降油缸1403。所述连接板1402的一端与所述棚架拆卸车1可转动地相连，所述连接板1402的另一端与所述第二滑道铰接。每个第一升降油缸的一端与棚架拆卸车铰接，所述第一升降油缸的另一端与第二滑道的第一端铰接。每个第二升降油缸的一端与棚架拆卸车铰接，所述第二升降油缸的另一端与第二滑道的第二端铰接。在第一升降油缸和第二升降油缸的调节下可以实现第二支架的升降。

棚架安装车上的第一驱动装置启动之后驱动第一丝杠转动，进而第一螺母滑块沿着第一滑道的长度方向运动，在此过程中第一螺母滑块位于第一滑块外侧的部分将推动第一滑道上的油缸式棚架移动，这样就可以保证油缸式棚架之间紧密接触并且整齐排列，而且其中一个油缸式棚架与限位块相接触。在棚架运输机构上与限位块接触的油缸式棚架被安装机构取走之后，第一驱动装置再次启动，由第一螺母滑块推动第一滑道上的所有油缸式棚架向前移动一个架位，实现油缸式棚架的自动进给和定位。

棚架安装车对油缸式棚架的安装工序如下：

a.控制棚架安装车，将棚架安装车推移至巷道的指定位置；

b.控制棚架安装车的两个安装臂，将安装臂上的第一撑杆和第二撑杆分别插入油缸式棚架(该油缸式棚架放置在棚架安装车上并处于收缩状态)的第一空心铰接销和第二空心铰接销内，实现对油缸式棚架的抓取；

c.控制棚架安装车的两个安装臂将已经抓取的油缸式棚架对称的向上举起，使油缸式棚架的顶梁与巷道顶板压紧；

d.控制棚架安装车的两个安装臂将油缸式棚架两侧支撑柱中的上支腿靠紧巷道侧帮；

e.控制棚架安装车的两个安装臂中各自的小臂伸缩，使支撑柱收缩至合适位置，使油缸式棚架的勾指从固定柱上脱离；

f.控制小臂上的第一撑杆进行转动动作，带动小腿向下旋转至适当位置；

g.控制棚架安装车上的小臂伸长至适当位置，使接地脚接地；

h.控制棚架安装车上的小臂进一步伸长，带动油缸式棚架左右左右两个支撑柱进一步伸长，使油缸式棚架进行适量预张紧，从而使油缸式棚架上肢腿克服侧帮摩擦力，进一步压紧顶梁，并使整个油缸式棚架处于张紧状态，以提供最佳支撑效果。

油缸式棚架的拆卸过程与其安装过程相反，利用棚架拆卸车上的拆卸机构将油缸式棚架从巷道内拆除。拆卸机构将油缸式棚架从巷道内拆除后，拆卸下来的油缸式棚架处于收缩状态，随后油缸式棚架放在第二滑道上的指定位置，然后第二驱动装置驱动第二丝杠转动，利用第二螺母滑块将第二滑道上的油缸式棚架向前推一段距离，这样就可以连续的将多个拆下来的油缸式棚架放在该指定位置。在第二滑道上放置了一定数量的油缸式棚架之后，棚架拆卸车运动至棚架安装车后方的适当位置，然后第二支架抬升使棚架拆卸车上的第二滑道高于棚架安装车上的第一滑道，随后启动第二驱动装置，第二螺母滑块将第二滑轨上的油缸式棚架推至第一滑道上，至此完成将油缸式棚架从棚架拆卸车转移至棚架安装车的过程。棚架拆卸车可再次退回至相应位置，继续进行油缸式棚架的拆卸工作。

在一些实施例中，所述支架拆卸车还包括钻架，所述钻架可转动地设在棚架拆卸车上。其中，钻架用于给钻杆或者锚杆提供导向作用，锚杆支护一般先打钻孔，再在钻孔内进行锚杆支护，可转动设置可以实现不同角度的锚杆支护作业。在具体实施时，所述钻架包括支撑架12、顶板13和钻箱11；所述支撑架为两个并且分别固定在第二车体的两侧；所述顶板上设有定位孔，所述顶板与所述支撑架的上端相连，所述顶板可沿所述支撑架的长度方向移动；支护时，顶板顶到巷道的壁面上；所述钻箱与支撑架的下端相连，所述钻箱用于连接钻杆或者锚杆。本实施例中，拆卸机构的安装臂可以固定在钻架的一侧。

综上所述，本申请所提供的巷道支护装置具有以下优点：

一、可以实现随掘随支，自动支护，实现工作面掘进时的自动化和无人化，避免人员在掘进机组工作时充满粉尘与噪音的环境中进行支护工作，避免职业病的产生。

二、可以提高掘进时的支护工作效率，彻底解决巷道掘进中采掘、支护工作进度不匹配问题，极大的提高巷道掘进效率。

三、实现随掘随支，有效缩短空顶距离(掘进段无支护距离)，最大程度上降低冒顶等巷道灾害的发生，极大的降低安全隐患。

四、本申请中采用的油缸式棚架，不仅对巷道顶部进行了支护，同时对巷道侧帮也进行了支护，最大程度避免片帮，以及由此可能造成的事故。

五、本申请中采用的油缸式棚架设计巧妙，对顶部来压会产生自增力工作阻力，降低了油缸式棚架对工作阻力的要求，结构简单，轻巧，空间占用小，对于矿井巷道空间利用高效。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种油缸式棚架，其特征在于，包括：

顶梁，所述顶梁用于支护巷道的顶板，所述顶梁的顶面为向上拱起的弧面；

两个肩梁，其中一个所述肩梁的一端与所述顶梁的一端可转动连接，另一个所述肩梁的一端与所述顶梁的另一端可转动连接；

两个支撑柱，所述支撑柱包括上支腿、下支腿和悬挂油缸；所述上支腿的一端套设在所述下支腿外侧；所述悬挂油缸设置在所述上支腿的内部，所述悬挂油缸的一端与所述上支腿连接，所述悬挂油缸的另一端与所述下支腿连接；所述上支腿的上端与肩梁远离所述顶梁的一端可转动连接；

小腿，每个所述支撑柱远离肩梁的一端均连接有一个可转动的小腿，所述小腿远离所述支撑柱的一端设置有接地脚，所述接地脚上设置有防滑脚钉；

所述顶梁包括梁体和固定在所述梁体上方的弹性垫，所述梁体的两端分别与两个所述肩梁可转动连接；所述弹性垫背离梁体的一面为向上拱起的弧面，所述顶梁的顶面的曲率半径小于所述巷道的顶板的曲率半径；

所述接地脚与所述小腿可转动连接，并且所述接地脚能够在重力作用下自由转动；所述小腿上设置有勾指，所述上支腿的底部设置有固定柱，所述勾指可钩在所述固定柱上；

所述小腿包括两个相互平行的翼板，两个所述翼板之间的距离不小于上支腿的宽度，所述的两个翼板之间通过连接件连接固定；所述翼板的一端开设槽口以形成所述的勾指，所述翼板的另一端开设有第二通孔；所述小腿靠近所述支撑柱的一端设置有第一空心铰接销，所述第一空心铰接销的两端分别设置在两个所述翼板的第二通孔内；所述支撑柱远离所述肩梁的一端设置在两个所述的翼板之间，并且所述支撑柱远离所述肩梁的一端与所述第一空心铰接销可转动连接；

所述上支腿通过第二空心铰接销与肩梁铰接，所述第二空心铰接销上设置有第三通孔；所述第一空心铰接销上设置有第一通孔，所述第一通孔的截面形状为非圆形。

2.根据权利要求1所述的油缸式棚架，其特征在于，所述悬挂油缸包括：

气缸缸体，所述气缸缸体的一端设置有用于与上支腿连接的第一连接部；

活塞杆，所述活塞杆的其中一个端面上开设有油池孔，所述活塞杆的内部还设置有通油油道；所述活塞杆开设有油池孔的一端插入气缸缸体内部并可在气缸缸体内滑动，位于气缸缸体内部的活塞杆杆体上设置有环形油道；所述通油油道的一端与环形油道连通，通油油道的另一端经回油油道与油池孔的底部连通，所述回油油道内设置有第二单向阀；位于所述气缸缸体外侧的活塞杆杆体上开设有与油池孔连通的充气孔，所述充气孔内设置有充气接头；所述活塞杆远离所述第一连接部的一端与所述下支腿连接；

活塞，所述活塞设置在气缸缸体内并与活塞杆固定；所述活塞的外壁上设置有油液存储腔和主密封安装槽，所述活塞杆上设置有使油液存储腔与环形油道连通的进油油道；所述活塞的端面上设置有与油液存储腔连通的排气孔，所述排气孔内设置有第三单向阀。

3.根据权利要求2所述的油缸式棚架，其特征在于，位于气缸缸体外侧的活塞杆杆体上设置有注油孔，所述注油孔的一端与所述通油油道连通，所述注油孔内设置有注油装置；所述注油装置包括第一单向阀和注油接头，所述注油接头安装在所述注油孔内，所述第一单向阀设置在注油接头靠近通油油道的一端。

4.根据权利要求3所述的油缸式棚架，其特征在于，所述通油油道为圆柱孔，通油油道的长度方向与活塞杆的长度方向一致，所述通油油道的一端贯穿活塞杆并通过第一堵头封堵；所述活塞的外壁开设有两个环绕活塞一周的导向套安装槽，所述导向套安装槽分别位于活塞外壁的两端，所述主密封安装槽位于两个导向套安装槽之间；所述活塞的外壁上还设置有润滑脂吸附环，所述润滑脂吸附环设置在所述主密封安装槽与其中一个导向套安装槽之间。

5.根据权利要求4所述的油缸式棚架，其特征在于，位于所述气缸缸体外侧的活塞杆杆体上开设有与油池孔连通的油位检测孔，所述油位检测孔通过第二堵头封堵；所述环形油道两侧的活塞杆外壁上开设有环绕活塞杆一周的O型圈安装槽，所述O型圈安装槽内设置O型圈，所述O型圈位于所述活塞与所述活塞杆之间。

6.根据权利要求1所述的油缸式棚架，其特征在于，所述接地脚包括底板和与底板固定的第二连接部；所述第二连接部通过第二销轴与小腿远离所述支撑柱的一端可转动连接。

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