本發(fā)明屬于煤礦巷道掘進(jìn)工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

掘進(jìn)和回采是煤礦井下作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，而采掘技術(shù)和采掘裝備水平又直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全。對(duì)于高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)來(lái)說(shuō)，其不但是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。

為了滿足我國(guó)煤炭巨大的年產(chǎn)量和消耗量需求，必須提高綜采綜掘的工藝水平以及成套設(shè)備的自動(dòng)化程度。然而，目前煤礦采掘工作面的采掘比基本維持在1:3.1左右，說(shuō)明采掘比例失調(diào)，且綜掘發(fā)展遠(yuǎn)滯后于綜采發(fā)展。

通過(guò)對(duì)多個(gè)國(guó)內(nèi)煤礦進(jìn)行調(diào)研后得知，掘進(jìn)施工工藝中的掘進(jìn)、支護(hù)、錨固工藝不能最大限度的平行作業(yè)，成為了影響綜掘快速進(jìn)尺的主要原因之一。因此，掘支錨一體化將是未來(lái)巷道掘進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于掘支錨一體化設(shè)備的研究較少，大多停留在對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行改造階段，通過(guò)加裝支護(hù)和錨固設(shè)備，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)效率的提高，但仍然沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固工藝的平行作業(yè)，同時(shí)與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究更少。

因此，有必要建立一套全新的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置，其應(yīng)具備模擬實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固工藝的平行作業(yè)能力，且在模擬巷道掘進(jìn)過(guò)程時(shí)能夠進(jìn)行多種力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)力學(xué)試驗(yàn)中獲得的力學(xué)特性進(jìn)行研究，可為后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置及方法，實(shí)驗(yàn)裝置具備模擬實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固工藝的平行作業(yè)能力，且在模擬巷道掘進(jìn)過(guò)程時(shí)能夠進(jìn)行多種相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)和力學(xué)特性進(jìn)行研究，可為后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置，包括模擬巖層、模擬頂板加載機(jī)構(gòu)及掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)；所述掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)與模擬巖層進(jìn)行掘進(jìn)配合，所述模擬頂板加載機(jī)構(gòu)用于向掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)提供不同頂板狀態(tài)。

所述模擬巖層采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，模擬巖層的外形尺寸大于掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)的外形尺寸；所述模擬巖層位于掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)掘進(jìn)方向的前端；所述模擬巖層由混凝土、巖塊及煤渣按比例配制并澆注成型制成。

所述模擬頂板加載機(jī)構(gòu)包括籠式支撐框架、模擬頂板加載油缸、油缸安裝板及導(dǎo)軌；所述籠式支撐框架在掘進(jìn)方向上的兩個(gè)端面均為敞開式；所述導(dǎo)軌的數(shù)量為兩根，兩根導(dǎo)軌平行于掘進(jìn)方向，且兩根導(dǎo)軌分別安裝在籠式支撐框架的兩個(gè)側(cè)向端面上；所述油缸安裝板為扇形結(jié)構(gòu)，且橫跨安裝在兩根導(dǎo)軌之間，且油缸安裝板相對(duì)于導(dǎo)軌具有滑動(dòng)自由度；所述模擬頂板加載油缸安裝在油缸安裝板上，模擬頂板加載油缸數(shù)量若干，且在油缸安裝板上均布設(shè)置；在所述模擬頂板加載油缸上安裝有第一位移傳感器，通過(guò)第一位移傳感器測(cè)量模擬頂板加載油缸的活塞桿伸出量；在所述模擬頂板加載油缸的液壓回路上安裝有油壓傳感器。

所述掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)包括掘進(jìn)機(jī)、支護(hù)組件及錨桿鉆機(jī)；所述支護(hù)組件采用交替邁步式推移行進(jìn)結(jié)構(gòu)；所述掘進(jìn)機(jī)位于支護(hù)組件在掘進(jìn)方向上的前部，支護(hù)組件在掘進(jìn)方向上的后部設(shè)置有支撐臺(tái)，在支撐臺(tái)上安裝有運(yùn)輸機(jī)，在掘進(jìn)機(jī)下方安裝有鏟板，鏟板出料口與運(yùn)輸機(jī)進(jìn)料口相連；所述錨桿鉆機(jī)安裝在運(yùn)輸機(jī)兩側(cè)的支撐臺(tái)上。

所述支護(hù)組件分為主支護(hù)組件和副支護(hù)組件，副支護(hù)組件位于主支護(hù)組件內(nèi)側(cè)，所述掘進(jìn)機(jī)、支撐臺(tái)、運(yùn)輸機(jī)及鏟板均安裝在主支護(hù)組件上；所述主支護(hù)組件包括主支護(hù)底座、主支護(hù)立柱、主支護(hù)頂梁及主支護(hù)縱梁，所述主支護(hù)立柱包括主支護(hù)立柱基座、主支護(hù)立柱油缸及主支護(hù)轉(zhuǎn)接座；所述主支護(hù)立柱基座固裝在主支護(hù)底座上，主支護(hù)立柱油缸固裝在主支護(hù)立柱基座上，主支護(hù)轉(zhuǎn)接座固裝在主支護(hù)立柱油缸上；所述主支護(hù)立柱以兩個(gè)為一組，主支護(hù)頂梁橫跨安裝在位于同一組內(nèi)的兩個(gè)主支護(hù)立柱之間，主支護(hù)頂梁與主支護(hù)轉(zhuǎn)接座相鉸接，且相鄰組內(nèi)的主支護(hù)轉(zhuǎn)接座之間、主支護(hù)立柱基座之間均通過(guò)主支護(hù)縱梁固定連接在一起；所述主支護(hù)轉(zhuǎn)接座在掘進(jìn)方向上開設(shè)有貫通的預(yù)留孔；所述副支護(hù)組件包括副支護(hù)底座、副支護(hù)立柱、副支護(hù)頂梁及副支護(hù)縱梁，所述副支護(hù)立柱包括副支護(hù)立柱基座、副支護(hù)立柱油缸及副支護(hù)轉(zhuǎn)接座；所述副支護(hù)立柱基座固裝在副支護(hù)底座上，副支護(hù)立柱油缸固裝在副支護(hù)立柱基座上，副支護(hù)轉(zhuǎn)接座固裝在副支護(hù)立柱油缸上；所述副支護(hù)立柱以兩個(gè)為一組，副支護(hù)頂梁橫跨安裝在位于同一組內(nèi)的兩個(gè)副支護(hù)立柱之間，副支護(hù)頂梁與副支護(hù)轉(zhuǎn)接座相鉸接，且相鄰組內(nèi)的副支護(hù)轉(zhuǎn)接座之間、副支護(hù)立柱基座之間均通過(guò)副支護(hù)縱梁固定連接在一起；所述副支護(hù)轉(zhuǎn)接座之間的副支護(hù)縱梁穿過(guò)主支護(hù)轉(zhuǎn)接座的預(yù)留孔，且預(yù)留孔的孔徑尺寸大于副支護(hù)縱梁的外徑尺寸；在所述主支護(hù)轉(zhuǎn)接座與副支護(hù)轉(zhuǎn)接座連接有推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸。

所述主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁均為拱形梁結(jié)構(gòu)，在主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁頂部均安裝有若干均布的阻尼塊，在阻尼塊與主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁之間加裝有壓力傳感器；所述阻尼塊與模擬頂板加載油缸配合使用；在所述主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁的外表面均貼覆有應(yīng)變片；在所述主支護(hù)立柱油缸及副支護(hù)立柱油缸上均安裝有第二位移傳感器，通過(guò)第二位移傳感器測(cè)量主支護(hù)立柱油缸及副支護(hù)立柱油缸的活塞桿伸出量；在所述主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁上均安裝有三向加速度傳感器。

所述掘進(jìn)機(jī)包括截割頭、截割臂、回轉(zhuǎn)臺(tái)、滑臺(tái)及掘進(jìn)機(jī)底座；所述滑臺(tái)設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)底座上，滑臺(tái)相對(duì)于掘進(jìn)機(jī)底座具有直線移動(dòng)自由度，在滑臺(tái)與掘進(jìn)機(jī)底座之間連接有滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸；所述回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置在滑臺(tái)上，回轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于滑臺(tái)具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在回轉(zhuǎn)臺(tái)與滑臺(tái)連接有回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸；所述截割臂下端鉸接在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述截割頭位于截割臂上端，在截割臂中部與回轉(zhuǎn)臺(tái)之間連接有截割臂升降驅(qū)動(dòng)油缸。

采用所述的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，具體為功能性實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

步驟一：將模擬巖層置于掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)掘進(jìn)方向的前端，同時(shí)調(diào)整掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)與模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置；

步驟二：調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)內(nèi)油缸安裝板在導(dǎo)軌上的位置，使每個(gè)模擬頂板加載油缸與主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁上的阻尼塊一一對(duì)應(yīng)，再調(diào)整油液壓力及模擬頂板加載油缸的活塞桿伸出量，以模擬出不同的頂板狀態(tài)；

步驟三：分別控制主支護(hù)組件和副支護(hù)組件內(nèi)的主支護(hù)立柱油缸和副支護(hù)立柱油缸動(dòng)作，使模擬頂板加載油缸的活塞桿與阻尼塊頂靠接觸，實(shí)現(xiàn)支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的支撐；

步驟四：?jiǎn)?dòng)掘進(jìn)機(jī)，對(duì)截割頭及截割臂的空間位置進(jìn)行調(diào)整，按照設(shè)計(jì)路線對(duì)模擬巖層進(jìn)行截割，并通過(guò)鏟板和運(yùn)輸機(jī)將截割下的巖層碎塊輸送排出；

步驟五：當(dāng)完成模擬巖層的一層截割后，控制主支護(hù)立柱油缸的活塞桿收起，使主支護(hù)頂梁上的阻尼塊與模擬頂板加載油缸的活塞桿相分離，同時(shí)使主支護(hù)底座完全抬離地面，此時(shí)推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作，并向前推動(dòng)主支護(hù)組件及其上掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)及鏟板，直到向前推移了一個(gè)步距；然后控制主支護(hù)立柱油缸的活塞桿伸出，重新使主支護(hù)底座支撐到地面上；

步驟六：控制副支護(hù)立柱油缸的活塞桿收起，使副支護(hù)頂梁上的阻尼塊與模擬頂板加載油缸的活塞桿相分離，同時(shí)使副支護(hù)底座完全抬離地面，此時(shí)推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作，并向前拉動(dòng)副支護(hù)組件，直到向前推移了一個(gè)步距；然后控制副支護(hù)立柱油缸的活塞桿伸出，重新使副支護(hù)底座支撐到地面上；

步驟七：重復(fù)步驟二至步驟六，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)的連續(xù)向前掘進(jìn)，直到錨桿鉆機(jī)移動(dòng)到模擬巖層的巷道內(nèi)，再進(jìn)行錨固作業(yè)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

采用所述的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，具體為靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

步驟一：調(diào)整掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)與模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置；

步驟二：調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)內(nèi)油缸安裝板在導(dǎo)軌上的位置，使每個(gè)模擬頂板加載油缸與主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁上的阻尼塊一一對(duì)應(yīng)，再調(diào)整油液壓力及模擬頂板加載油缸的活塞桿伸出量，以模擬出不同的頂板狀態(tài)；

步驟三：控制主支護(hù)組件內(nèi)的主支護(hù)立柱油缸動(dòng)作，使模擬頂板加載油缸的活塞桿與阻尼塊頂靠接觸，實(shí)現(xiàn)主支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的支撐；

步驟四：控制模擬頂板加載油缸對(duì)主支護(hù)頂梁進(jìn)行加載，加載壓力按照設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，并通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器及應(yīng)變片分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而所采集的數(shù)據(jù)再統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析；

步驟五：控制模擬頂板加載油缸卸荷，控制主支護(hù)立柱油缸的活塞桿收起，使主支護(hù)頂梁上的阻尼塊與模擬頂板加載油缸的活塞桿相分離；

步驟六：控制副支護(hù)組件內(nèi)的副支護(hù)立柱油缸動(dòng)作，使模擬頂板加載油缸的活塞桿與阻尼塊頂靠接觸，實(shí)現(xiàn)副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的支撐；

步驟七：控制模擬頂板加載油缸對(duì)副支護(hù)頂梁進(jìn)行加載，加載壓力按照設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，并通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器及應(yīng)變片分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而所采集的數(shù)據(jù)再統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析；

步驟八：控制模擬頂板加載油缸卸荷，控制副支護(hù)立柱油缸的活塞桿收起，使副支護(hù)頂梁上的阻尼塊與模擬頂板加載油缸的活塞桿相分離；

步驟九：同步執(zhí)行步驟三和步驟六，實(shí)現(xiàn)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的共同支撐；

步驟十：控制模擬頂板加載油缸對(duì)主支護(hù)頂梁和副支護(hù)頂梁進(jìn)行同步加載，加載壓力按照設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，并通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器及應(yīng)變片分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而所采集的數(shù)據(jù)再統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析；

步驟十一：控制模擬頂板加載油缸卸荷，控制主支護(hù)立柱油缸和副支護(hù)立柱油缸的活塞桿同步收起，使主支護(hù)頂梁和副支護(hù)頂梁上的阻尼塊與模擬頂板加載油缸的活塞桿相分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

采用所述的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，具體為模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

步驟一：準(zhǔn)備一臺(tái)模態(tài)分析儀和一把力錘，而力錘將作為激勵(lì)源；

步驟二：調(diào)整掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)與模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置；

步驟三：調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)內(nèi)油缸安裝板在導(dǎo)軌上的位置，使每個(gè)模擬頂板加載油缸與主支護(hù)頂梁及副支護(hù)頂梁上的阻尼塊一一對(duì)應(yīng)，再調(diào)整油液壓力及模擬頂板加載油缸的活塞桿伸出量，以模擬出不同的頂板狀態(tài)；

步驟四：此時(shí)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)處于未支護(hù)和未掘進(jìn)的自由狀態(tài)，然后利用力錘分別對(duì)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件施加激勵(lì)，并通過(guò)三向加速度傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)侥B(tài)分析儀中進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)在自由狀態(tài)下的固有模態(tài)測(cè)量；

步驟五：控制主支護(hù)組件和副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行支撐，使掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)處于支撐狀態(tài)，然后利用力錘分別對(duì)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件施加激勵(lì)，并通過(guò)三向加速度傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)侥B(tài)分析儀中進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)在支撐狀態(tài)下的固有模態(tài)測(cè)量；

步驟六：主支護(hù)組件和副支護(hù)組件保持對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的支撐狀態(tài)，然后啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)，對(duì)截割頭及截割臂的空間位置進(jìn)行調(diào)整，并按照設(shè)計(jì)路線走行截割軌跡，再利用力錘分別對(duì)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件施加激勵(lì)，并通過(guò)三向加速度傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)侥B(tài)分析儀中進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)在掘進(jìn)狀態(tài)下的固有模態(tài)測(cè)量；

步驟六：先控制掘進(jìn)機(jī)停機(jī)，再控制模擬頂板加載油缸卸荷，然后撤銷主支護(hù)組件和副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的支撐，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置，能夠模擬出不同的頂板狀態(tài)，能夠?qū)δM頂板進(jìn)行支撐，能夠?qū)δM巖層進(jìn)行掘進(jìn)，并在模擬巖層的巷道內(nèi)進(jìn)行錨固作業(yè)，而且具備了模擬實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固工藝的平行作業(yè)能力。通過(guò)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)功能性實(shí)驗(yàn)、靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)和力學(xué)特性進(jìn)行研究，可為后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的模擬頂板加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的主支護(hù)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的副支護(hù)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1—模擬巖層，2—模擬頂板加載機(jī)構(gòu)，3—掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)，4—籠式支撐框架，5—模擬頂板加載油缸，6—油缸安裝板，7—導(dǎo)軌，8—第一位移傳感器，9—掘進(jìn)機(jī)，10—支護(hù)組件，11—錨桿鉆機(jī)，12—支撐臺(tái)，13—運(yùn)輸機(jī)，14—鏟板，15—主支護(hù)底座，16—主支護(hù)頂梁，17—主支護(hù)縱梁，18—主支護(hù)立柱基座，19—主支護(hù)立柱油缸，20—主支護(hù)轉(zhuǎn)接座，21—預(yù)留孔，22—副支護(hù)底座，23—副支護(hù)頂梁，24—副支護(hù)縱梁，25—副支護(hù)立柱基座，26—副支護(hù)立柱油缸，27—副支護(hù)轉(zhuǎn)接座，28—阻尼塊，29—壓力傳感器，30—應(yīng)變片，31—第二位移傳感器，32—三向加速度傳感器，33—推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸，34—截割頭，35—截割臂，36—回轉(zhuǎn)臺(tái)，37—滑臺(tái)，38—掘進(jìn)機(jī)底座，39—滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸，40—回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸，41—截割臂升降驅(qū)動(dòng)油缸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1～6所示，一種掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置，包括模擬巖層1、模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2及掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3；所述掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3與模擬巖層1進(jìn)行掘進(jìn)配合，所述模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2用于向掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3提供不同頂板狀態(tài)。

所述模擬巖層1采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，模擬巖層1的外形尺寸大于掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3的外形尺寸；所述模擬巖層1位于掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3掘進(jìn)方向的前端；所述模擬巖層1由混凝土、巖塊及煤渣按比例配制并澆注成型制成。

所述模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2包括籠式支撐框架4、模擬頂板加載油缸5、油缸安裝板6及導(dǎo)軌7；所述籠式支撐框架4在掘進(jìn)方向上的兩個(gè)端面均為敞開式；所述導(dǎo)軌7的數(shù)量為兩根，兩根導(dǎo)軌7平行于掘進(jìn)方向，且兩根導(dǎo)軌7分別安裝在籠式支撐框架4的兩個(gè)側(cè)向端面上；所述油缸安裝板6為扇形結(jié)構(gòu)，且橫跨安裝在兩根導(dǎo)軌7之間，且油缸安裝板6相對(duì)于導(dǎo)軌7具有滑動(dòng)自由度；所述模擬頂板加載油缸5安裝在油缸安裝板6上，模擬頂板加載油缸5數(shù)量若干，且在油缸安裝板6上均布設(shè)置；在所述模擬頂板加載油缸5上安裝有第一位移傳感器8，通過(guò)第一位移傳感器8測(cè)量模擬頂板加載油缸5的活塞桿伸出量；在所述模擬頂板加載油缸5的液壓回路上安裝有油壓傳感器。

所述掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3包括掘進(jìn)機(jī)9、支護(hù)組件10及錨桿鉆機(jī)11；所述支護(hù)組件10采用交替邁步式推移行進(jìn)結(jié)構(gòu)；所述掘進(jìn)機(jī)9位于支護(hù)組件10在掘進(jìn)方向上的前部，支護(hù)組件10在掘進(jìn)方向上的后部設(shè)置有支撐臺(tái)12，在支撐臺(tái)12上安裝有運(yùn)輸機(jī)13，在掘進(jìn)機(jī)9下方安裝有鏟板14，鏟板14出料口與運(yùn)輸機(jī)13進(jìn)料口相連；所述錨桿鉆機(jī)11安裝在運(yùn)輸機(jī)13兩側(cè)的支撐臺(tái)12上。

所述支護(hù)組件10分為主支護(hù)組件和副支護(hù)組件，副支護(hù)組件位于主支護(hù)組件內(nèi)側(cè)，所述掘進(jìn)機(jī)9、支撐臺(tái)12、運(yùn)輸機(jī)13及鏟板14均安裝在主支護(hù)組件上；所述主支護(hù)組件包括主支護(hù)底座15、主支護(hù)立柱、主支護(hù)頂梁16及主支護(hù)縱梁17，所述主支護(hù)立柱包括主支護(hù)立柱基座18、主支護(hù)立柱油缸19及主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20；所述主支護(hù)立柱基座18固裝在主支護(hù)底座15上，主支護(hù)立柱油缸19固裝在主支護(hù)立柱基座18上，主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20固裝在主支護(hù)立柱油缸19上；所述主支護(hù)立柱以兩個(gè)為一組，主支護(hù)頂梁16橫跨安裝在位于同一組內(nèi)的兩個(gè)主支護(hù)立柱之間，主支護(hù)頂梁16與主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20相鉸接，且相鄰組內(nèi)的主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20之間、主支護(hù)立柱基座18之間均通過(guò)主支護(hù)縱梁17固定連接在一起；所述主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20在掘進(jìn)方向上開設(shè)有貫通的預(yù)留孔21；所述副支護(hù)組件包括副支護(hù)底座22、副支護(hù)立柱、副支護(hù)頂梁23及副支護(hù)縱梁24，所述副支護(hù)立柱包括副支護(hù)立柱基座25、副支護(hù)立柱油缸26及副支護(hù)轉(zhuǎn)接座27；所述副支護(hù)立柱基座25固裝在副支護(hù)底座22上，副支護(hù)立柱油缸26固裝在副支護(hù)立柱基座25上，副支護(hù)轉(zhuǎn)接座27固裝在副支護(hù)立柱油缸26上；所述副支護(hù)立柱以兩個(gè)為一組，副支護(hù)頂梁23橫跨安裝在位于同一組內(nèi)的兩個(gè)副支護(hù)立柱之間，副支護(hù)頂梁23與副支護(hù)轉(zhuǎn)接座27相鉸接，且相鄰組內(nèi)的副支護(hù)轉(zhuǎn)接座27之間、副支護(hù)立柱基座25之間均通過(guò)副支護(hù)縱梁24固定連接在一起；所述副支護(hù)轉(zhuǎn)接座27之間的副支護(hù)縱梁24穿過(guò)主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20的預(yù)留孔21，且預(yù)留孔21的孔徑尺寸大于副支護(hù)縱梁24的外徑尺寸；在所述主支護(hù)轉(zhuǎn)接座20與副支護(hù)轉(zhuǎn)接座27連接有推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸33。

所述主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23均為拱形梁結(jié)構(gòu)，在主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23頂部均安裝有若干均布的阻尼塊28，在阻尼塊28與主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23之間加裝有壓力傳感器29；所述阻尼塊28與模擬頂板加載油缸5配合使用；在所述主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23的外表面均貼覆有應(yīng)變片30；在所述主支護(hù)立柱油缸19及副支護(hù)立柱油缸26上均安裝有第二位移傳感器31，通過(guò)第二位移傳感器31測(cè)量主支護(hù)立柱油缸19及副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿伸出量；在所述主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23上均安裝有三向加速度傳感器32。

通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器29、應(yīng)變片30、三向加速度傳感器32、第一位移傳感器8及第二位移傳感器31分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而各個(gè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)會(huì)統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析。

所述支護(hù)組件10采用交替邁步式推移行進(jìn)的工作原理為：首先控制主支護(hù)組件的主支護(hù)立柱油缸19的活塞桿收起，直到主支護(hù)組件的主支護(hù)底座15完全抬離地面，此時(shí)推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸33動(dòng)作，并向前推動(dòng)主支護(hù)組件，當(dāng)達(dá)到一定距離后，再控制主支護(hù)立柱油缸19的活塞桿伸出，重新使主支護(hù)底座15支撐到地面上，此時(shí)主支護(hù)組件完成邁步。接下來(lái)，首先控制副支護(hù)組件的副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿收起，直到副支護(hù)組件的副支護(hù)底座22完全抬離地面，此時(shí)推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸33動(dòng)作，并向前拉動(dòng)副支護(hù)組件，當(dāng)達(dá)到一定距離后，再控制副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿伸出，重新使副支護(hù)底座22支撐到地面上，此時(shí)副支護(hù)組件完成邁步。如此往復(fù)，就可實(shí)現(xiàn)支護(hù)組件10的交替邁步式推移行進(jìn)了。

所述模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的工作原理為：首先根據(jù)需要調(diào)整油缸安裝板6在導(dǎo)軌7上的位置，并根據(jù)需要選定模擬頂板加載油缸5的安裝數(shù)量和安裝間距，使模擬頂板加載油缸5與主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28一一對(duì)應(yīng)，此時(shí)只需通過(guò)控制油液壓力及模擬頂板加載油缸5的伸出量，就可模擬出不同的頂板狀態(tài)。

所述掘進(jìn)機(jī)9包括截割頭34、截割臂35、回轉(zhuǎn)臺(tái)36、滑臺(tái)37及掘進(jìn)機(jī)底座38；所述滑臺(tái)37設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)底座38上，滑臺(tái)37相對(duì)于掘進(jìn)機(jī)底座38具有直線移動(dòng)自由度，在滑臺(tái)37與掘進(jìn)機(jī)底座38之間連接有滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸39；所述回轉(zhuǎn)臺(tái)36設(shè)置在滑臺(tái)37上，回轉(zhuǎn)臺(tái)36相對(duì)于滑臺(tái)37具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在回轉(zhuǎn)臺(tái)36與滑臺(tái)37連接有回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸40；所述截割臂35下端鉸接在回轉(zhuǎn)臺(tái)36上，所述截割頭34位于截割臂35上端，在截割臂35中部與回轉(zhuǎn)臺(tái)36之間連接有截割臂升降驅(qū)動(dòng)油缸41。

通過(guò)控制截割臂升降驅(qū)動(dòng)油缸41伸縮，可對(duì)截割臂35的俯仰角度進(jìn)行調(diào)整；通過(guò)控制回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸40伸縮，可對(duì)截割臂35的水平擺轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整；通過(guò)控制滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸39伸縮，可對(duì)截割臂35的在掘進(jìn)方向上的前后位置進(jìn)行調(diào)整；綜合上述截割臂35的位置調(diào)整，就可調(diào)整截割頭34的空間位置；而截割頭34采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

采用所述的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，具體為功能性實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

步驟一：將模擬巖層1置于掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3掘進(jìn)方向的前端，同時(shí)調(diào)整掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3與模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的相對(duì)位置；

步驟二：調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2內(nèi)油缸安裝板6在導(dǎo)軌7上的位置，使每個(gè)模擬頂板加載油缸5與主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28一一對(duì)應(yīng)，再調(diào)整油液壓力及模擬頂板加載油缸5的活塞桿伸出量，以模擬出不同的頂板狀態(tài)；

步驟三：分別控制主支護(hù)組件和副支護(hù)組件內(nèi)的主支護(hù)立柱油缸19和副支護(hù)立柱油缸26動(dòng)作，使模擬頂板加載油缸5的活塞桿與阻尼塊28頂靠接觸，實(shí)現(xiàn)支護(hù)組件10對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的支撐；

步驟四：?jiǎn)?dòng)掘進(jìn)機(jī)9，對(duì)截割頭34及截割臂35的空間位置進(jìn)行調(diào)整，按照設(shè)計(jì)路線對(duì)模擬巖層1進(jìn)行截割，并通過(guò)鏟板14和運(yùn)輸機(jī)13將截割下的巖層碎塊輸送排出；

步驟五：當(dāng)完成模擬巖層1的一層截割后，控制主支護(hù)立柱油缸19的活塞桿收起，使主支護(hù)頂梁16上的阻尼塊28與模擬頂板加載油缸5的活塞桿相分離，同時(shí)使主支護(hù)底座15完全抬離地面，此時(shí)推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸33動(dòng)作，并向前推動(dòng)主支護(hù)組件及其上掘進(jìn)機(jī)9、運(yùn)輸機(jī)13及鏟板14，直到向前推移了一個(gè)步距；然后控制主支護(hù)立柱油缸19的活塞桿伸出，重新使主支護(hù)底座15支撐到地面上；

步驟六：控制副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿收起，使副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28與模擬頂板加載油缸5的活塞桿相分離，同時(shí)使副支護(hù)底座22完全抬離地面，此時(shí)推移行進(jìn)驅(qū)動(dòng)油缸33動(dòng)作，并向前拉動(dòng)副支護(hù)組件，直到向前推移了一個(gè)步距；然后控制副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿伸出，重新使副支護(hù)底座22支撐到地面上；

步驟七：重復(fù)步驟二至步驟六，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3的連續(xù)向前掘進(jìn)，直到錨桿鉆機(jī)11移動(dòng)到模擬巖層1的巷道內(nèi)，再進(jìn)行錨固作業(yè)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

通過(guò)上述功能性實(shí)驗(yàn)，能夠驗(yàn)證掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3能否實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)及錨固的平行作業(yè)，同時(shí)驗(yàn)證掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，并可針對(duì)掘進(jìn)機(jī)9的截割范圍與運(yùn)動(dòng)空間的合理性、雙截割臂運(yùn)動(dòng)干涉性、支護(hù)組件10的交替邁步式推移行進(jìn)方式可行性、錨桿鉆機(jī)11的運(yùn)動(dòng)空間合理性及運(yùn)動(dòng)干涉性等問(wèn)題開展相應(yīng)研究。

采用所述的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，具體為靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

步驟一：調(diào)整掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3與模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的相對(duì)位置；

步驟二：調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2內(nèi)油缸安裝板6在導(dǎo)軌7上的位置，使每個(gè)模擬頂板加載油缸5與主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28一一對(duì)應(yīng)，再調(diào)整油液壓力及模擬頂板加載油缸5的活塞桿伸出量，以模擬出不同的頂板狀態(tài)；

步驟三：控制主支護(hù)組件內(nèi)的主支護(hù)立柱油缸19動(dòng)作，使模擬頂板加載油缸5的活塞桿與阻尼塊28頂靠接觸，實(shí)現(xiàn)主支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的支撐；

步驟四：控制模擬頂板加載油缸5對(duì)主支護(hù)頂梁16進(jìn)行加載，加載壓力按照設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，并通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器29及應(yīng)變片30分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而所采集的數(shù)據(jù)再統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析；

步驟五：控制模擬頂板加載油缸5卸荷，控制主支護(hù)立柱油缸19的活塞桿收起，使主支護(hù)頂梁16上的阻尼塊28與模擬頂板加載油缸5的活塞桿相分離；

步驟六：控制副支護(hù)組件內(nèi)的副支護(hù)立柱油缸26動(dòng)作，使模擬頂板加載油缸5的活塞桿與阻尼塊28頂靠接觸，實(shí)現(xiàn)副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的支撐；

步驟七：控制模擬頂板加載油缸5對(duì)副支護(hù)頂梁23進(jìn)行加載，加載壓力按照設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，并通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器29及應(yīng)變片30分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而所采集的數(shù)據(jù)再統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析；

步驟八：控制模擬頂板加載油缸5卸荷，控制副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿收起，使副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28與模擬頂板加載油缸5的活塞桿相分離；

步驟九：同步執(zhí)行步驟三和步驟六，實(shí)現(xiàn)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的共同支撐；

步驟十：控制模擬頂板加載油缸5對(duì)主支護(hù)頂梁16和副支護(hù)頂梁23進(jìn)行同步加載，加載壓力按照設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，并通過(guò)油壓傳感器、壓力傳感器29及應(yīng)變片30分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而所采集的數(shù)據(jù)再統(tǒng)一傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析；

步驟十一：控制模擬頂板加載油缸5卸荷，控制主支護(hù)立柱油缸19和副支護(hù)立柱油缸26的活塞桿同步收起，使主支護(hù)頂梁16和副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28與模擬頂板加載油缸5的活塞桿相分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

通過(guò)上述靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠測(cè)試掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3的力學(xué)性能。

采用所述的掘支錨聯(lián)合機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，具體為模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟：

步驟一：準(zhǔn)備一臺(tái)模態(tài)分析儀和一把力錘，而力錘將作為激勵(lì)源；

步驟二：調(diào)整掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3與模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的相對(duì)位置；

步驟三：調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2內(nèi)油缸安裝板6在導(dǎo)軌7上的位置，使每個(gè)模擬頂板加載油缸5與主支護(hù)頂梁16及副支護(hù)頂梁23上的阻尼塊28一一對(duì)應(yīng)，再調(diào)整油液壓力及模擬頂板加載油缸5的活塞桿伸出量，以模擬出不同的頂板狀態(tài)；

步驟四：此時(shí)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3處于未支護(hù)和未掘進(jìn)的自由狀態(tài)，然后利用力錘分別對(duì)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件施加激勵(lì)，并通過(guò)三向加速度傳感器32采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)侥B(tài)分析儀中進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3在自由狀態(tài)下的固有模態(tài)測(cè)量；

步驟五：控制主支護(hù)組件和副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2進(jìn)行支撐，使掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3處于支撐狀態(tài)，然后利用力錘分別對(duì)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件施加激勵(lì)，并通過(guò)三向加速度傳感器32采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)侥B(tài)分析儀中進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3在支撐狀態(tài)下的固有模態(tài)測(cè)量；

步驟六：主支護(hù)組件和副支護(hù)組件保持對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的支撐狀態(tài)，然后啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)9，對(duì)截割頭34及截割臂35的空間位置進(jìn)行調(diào)整，并按照設(shè)計(jì)路線走行截割軌跡，再利用力錘分別對(duì)主支護(hù)組件和副支護(hù)組件施加激勵(lì)，并通過(guò)三向加速度傳感器32采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)再傳輸?shù)侥B(tài)分析儀中進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)掘支錨聯(lián)合機(jī)組模擬機(jī)3在掘進(jìn)狀態(tài)下的固有模態(tài)測(cè)量；

步驟六：先控制掘進(jìn)機(jī)9停機(jī)，再控制模擬頂板加載油缸5卸荷，然后撤銷主支護(hù)組件和副支護(hù)組件對(duì)調(diào)整模擬頂板加載機(jī)構(gòu)2的支撐，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均包含于本案的專利范圍中。