卓立新

(河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063004)

采煤機(jī)螺旋滾筒的主要作用是完成綜采五大工藝過(guò)程(落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)頂板和處理采空區(qū))中的落煤和裝煤任務(wù)，它的功率消耗占采煤機(jī)裝機(jī)功率的80%～90%，是采煤機(jī)的關(guān)鍵部件。對(duì)其進(jìn)行受力與應(yīng)用分析具有十分重要的意義。對(duì)螺旋滾筒的基本要求是截煤比能耗低，即采出的煤塊度大，粉塵少，裝煤效果好，截割阻力要比較均衡地作用在滾筒上，以提高采煤機(jī)工作平穩(wěn)性。

圖1 采煤機(jī)螺旋滾筒

圖1是采煤機(jī)螺旋滾筒圖。螺旋葉片(單頭或多頭)以某個(gè)升角和滾筒體相接(焊接或直接鑄在滾筒體上)，齒座則按某種規(guī)律焊在螺旋葉片上，截齒安裝固定在齒座中。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)并作徑向移動(dòng)時(shí)，截齒就截割破碎煤壁，螺旋葉片又把碎煤沿滾筒的軸線方向推運(yùn)出來(lái)，并在靠采空區(qū)的一側(cè)把它裝進(jìn)工作面輸送機(jī)。

1．截齒受力分析與截齒配置

對(duì)采煤機(jī)螺旋滾筒受力與應(yīng)用進(jìn)行分析，先要對(duì)截齒進(jìn)行力學(xué)分析，經(jīng)研究和試驗(yàn)證明，截齒截割煤巖的載荷具有平穩(wěn)隨機(jī)函數(shù)的性質(zhì)，截割力和推進(jìn)力的分布按密度Γ(函數(shù))分布，側(cè)向力屬于正態(tài)分布。因此，截割力、推進(jìn)力、側(cè)向力的數(shù)學(xué)期望值(均值)、方差、相關(guān)系數(shù)和變差系數(shù)都可按概率論進(jìn)行分析和表達(dá)。

1．1 單個(gè)截齒上的切割力

單個(gè)截齒為銳齒時(shí)的切割力FZ銳為:

FZ銳=10A[(0．35b+0．3)/(b+Bh0．5)]K/cosθ

截齒磨鈍后的切割力FZ鈍為:

FZ鈍=FZ銳t[(1+0．6Bf)(Sih－0．5)/(B－0．6)]/t0

式中:A——截割阻抗，N/mm;

b——截齒切削寬度，cm;

h——截齒切削深度，cm;

B——煤巖脆性程度指數(shù);

θ——截齒安裝角，(°);

t——設(shè)計(jì)截距;

t0——最佳截距;

f——截割阻力系數(shù)，一般為0．38～0．42，切削深度大時(shí)取大值;

Si——截齒尖磨損斷面在截割平面上的投影面積;

K——影響系數(shù)，K=K1K2，其中，K1為截齒截角的影響系數(shù)，K2為截齒配置方式的影響系數(shù)。

1．2 單個(gè)截齒上的徑向力

單個(gè)截齒為銳齒時(shí)的徑向力FY銳為:

FY銳=(0．45B FZ鈍)/(B－0．6)

截齒磨鈍后的徑向力FY鈍為:

FY鈍=FY銳[9/(αK+2)+1+(8Si+b+3)Si]/[h0．5(b+3)(Si+0．1 b)]

式中:αK——截齒截煤時(shí)的實(shí)際后角，(°)。

截齒所受側(cè)向力FX是指截齒兩個(gè)側(cè)面上作用力的代數(shù)差，側(cè)向力FX為:

FX=K0FZ鈍h[a1/(h+b1)+c1]/b

式中:K0——前刃面形狀的影響系數(shù);

a1、b1、c1——取決于切削圖形狀的影響系數(shù)。

1．3 截齒配置

采煤機(jī)螺旋滾筒上截齒的排列規(guī)律稱為截齒配置。截齒的配置應(yīng)利于采出的塊煤多，產(chǎn)生的煤塵少;截割阻力和牽引阻力要比較均衡地作用在滾筒上，以提高采煤機(jī)的工作平穩(wěn)性，減小載荷。

為了保證滾筒截荷比較平穩(wěn)，截齒應(yīng)該均勻地分布在滾筒周圍。采煤機(jī)螺旋滾筒的截齒配置一般都屬于順序式配置和棋盤(pán)(交錯(cuò))式配置，混合式配置應(yīng)用較少。

順序式配置時(shí)，截齒是一個(gè)緊挨著一個(gè)進(jìn)行截煤的。每個(gè)截齒(端盤(pán)截齒除外)都受到朝煤壁方向作用的側(cè)向力FX。這種配置方式適用于硬煤，應(yīng)用得較普遍。其截齒配置圖和切屑斷面圖如圖2所示。

圖2 順序式配置時(shí)的截齒配置圖和切屑斷面圖

棋盤(pán)(交錯(cuò))式配置時(shí)，截齒是按一個(gè)跳一個(gè)次序進(jìn)行截煤的，因切屑斷面接近對(duì)稱，截齒所受側(cè)向力基本上能夠保持平衡;又因切屑斷面比較大，截割比能耗較低，一般適用于脆性煤。圖3為有代表性的棋盤(pán)(交錯(cuò))式配置時(shí)的截齒配置圖和切屑斷面圖的一種。

圖3 有代表性的棋盤(pán)(交錯(cuò))式配置時(shí)的截齒配置圖和切屑斷面圖

至于其它變化的截齒配置都?xì)w入混合式配置，從使用情況看一般不盡如意，或者是不可取的。

因端盤(pán)截齒的工作條件接近半封閉截割，故端盤(pán)截齒安裝得較密，即截距縮小，每條截線上安裝的截齒數(shù)增多。端盤(pán)上的截齒一般有2～4組，均勻地分布在端盤(pán)的周圍。煤質(zhì)堅(jiān)硬時(shí)截齒和分組數(shù)可以多些。每組截齒中，截齒的傾角應(yīng)順著滾筒轉(zhuǎn)向從小到大依次排列，以使各截齒受力均勻。一般每組有5～7條截線，其中0°齒一個(gè)，向煤壁傾斜的截齒2～6個(gè)，最大傾角可達(dá)40°，以防止端盤(pán)接觸煤壁;向采空區(qū)傾斜的負(fù)傾角截齒一個(gè)，傾角一般為－20°～－30°，以平衡掉一部分滾筒朝采空區(qū)作用的軸向力。

2．螺旋滾筒受力分析及其設(shè)計(jì)

2．1 螺旋滾筒受力分析

螺旋滾筒所受載荷如圖4所示。當(dāng)滾筒以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)，并以牽引速度υ徑向移動(dòng)時(shí)，以前滾筒為例，對(duì)每一個(gè)截齒受到的截割阻力FZi、FYi、FXi(i=1，2，3，…，n)向滾筒x、y、z坐標(biāo)投影為三向分力fXi、fYi、fZi，對(duì)前滾筒而言，所受的三向分力分別為:垂直阻力FZ=ΣfZi，牽引阻力FY=ΣfYi，軸向阻力FX=ΣfXi。

滾筒截割阻力矩M(N．m)為:

M=(D/2)ΣFZi

式中:D——滾筒直徑，m。

滾筒截割所消耗的功率P(kW)為:

P=Mn/974。

式中:n——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

滾筒截割的比能耗HW(kWh．/m3)為:

HW=P/(60BH v)

式中:H——采煤機(jī)的采高，m;

v——滾筒線速度，m/s。

圖4 螺旋滾筒受力簡(jiǎn)圖

每一截齒最大切削深度h為:

h=1000υ/(Mn)。

通過(guò)分析可以看出，雙滾筒采煤機(jī)兩個(gè)滾筒轉(zhuǎn)向應(yīng)該是相反的。這可以使采煤機(jī)受到的截割阻力自相平衡，減輕采煤機(jī)在垂直導(dǎo)軌方向產(chǎn)生振動(dòng)。這也是單滾筒采煤機(jī)漸趨減少的原因之一。

2．2 螺旋滾筒的設(shè)計(jì)

滾筒的轉(zhuǎn)向可以分兩種方式:反向?qū)L(圖4)和正向?qū)L。采用反向?qū)L時(shí)，前滾筒順轉(zhuǎn)，煤塵較少，碎煤不易拋出傷人。中厚煤層一般常用。采用正向?qū)L時(shí)，由于煤流不被搖臂擋住，裝煤口尺寸大，因而在薄煤層中應(yīng)用較多。特別是在爬底板采煤機(jī)中，滾筒直徑和裝煤口尺寸受到限制時(shí)，為提高裝煤能力，必須采用反向?qū)L。

為了降低截割能量的消耗和減少煤塵，應(yīng)該適當(dāng)降低滾筒的轉(zhuǎn)速ω，增大切削速度。但切削速度也不能過(guò)大，否則齒座會(huì)擠入煤中，使切削狀況惡化，截割功率增加。為保持切削深度h的適當(dāng)，還要注意滾筒的轉(zhuǎn)速ω與采煤機(jī)的牽引速度υ相適應(yīng)。在確定轉(zhuǎn)速ω時(shí)，以切削深度h不超出截齒伸出齒座的徑向長(zhǎng)度為原則。一般認(rèn)為以不超出截齒伸出齒座長(zhǎng)度的70%為宜。

在確定滾筒轉(zhuǎn)速ω時(shí)，必須考慮截齒的截割速度。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，截齒的截割速度不宜超過(guò)5m/s，因?yàn)樗俣仍礁撸a(chǎn)生煤塵就多，截割能量消耗就大，對(duì)于大直徑滾筒更應(yīng)該注意這點(diǎn)。

對(duì)于薄煤層小直徑滾筒，由于葉片容煤空間小，突出的是裝煤?jiǎn)栴}，滾筒轉(zhuǎn)速ω可以高些。

滾筒直徑根據(jù)煤層厚度確定，保證采煤機(jī)在一個(gè)行程中采掉全部采高。筒轂直徑在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度允許的條件下應(yīng)盡可能縮小。在確定切屑厚度和截距時(shí)，可根據(jù)牽引速度、截齒強(qiáng)度、采煤機(jī)功率、滾筒轉(zhuǎn)速等綜合考慮，以保證有較大的切屑斷面。又使相鄰截槽在截割過(guò)程中相互影響。螺旋葉片升角和滾筒轉(zhuǎn)速可借鑒成功機(jī)型來(lái)選取。滾筒截齒配置應(yīng)多考慮用棋盤(pán)(交錯(cuò))式配置，以保證采出的塊煤較多，滾筒軸向力小。

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