采煤機(jī)螺旋滾筒故障分析及優(yōu)化

張復(fù)旺

（汾西集團(tuán)高陽(yáng)煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

采煤機(jī)螺旋滾筒的安全運(yùn)行是井下采煤作業(yè)正常生產(chǎn)的重要保障，由于采煤機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，影響因素較多，采煤過(guò)程中巖石及落煤的破壞，使得采煤機(jī)上的滾筒往往是最易發(fā)生故障的部件，滾筒如果發(fā)生故障，綜采的裝煤和落煤就無(wú)法繼續(xù)正常進(jìn)行，需要盡快安排維修人員進(jìn)行搶修。滾筒失效，需要從井下升到地面進(jìn)行維修，完成之后還得運(yùn)回井下，極大地耽誤了正常生產(chǎn)的時(shí)間，增加了維修成本和經(jīng)濟(jì)支出。所以對(duì)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行全面的故障分析和改進(jìn)具有重要意義。

1 滾筒故障位置及原因分析

通過(guò)對(duì)以往采煤機(jī)滾筒故障的統(tǒng)計(jì)分析，不難發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的主要位置是尾部葉片和齒座，所以需要對(duì)這兩個(gè)部件位置進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1.1 齒座失效

齒座失效主要分為兩方面，一方面是內(nèi)孔的磨損，另一方面是齒座外圍的磨損，尤其是緊接端盤的齒座最易發(fā)生磨損失效。一旦齒座發(fā)生磨損故障，截齒就無(wú)法安裝在齒座上，滾筒也就無(wú)法正常作業(yè)。造成內(nèi)孔磨損的主要原因是截齒所受的載荷力超過(guò)了安全載荷，載荷越大，摩擦力也就越大，磨損程度也就變得嚴(yán)重；齒座外壁的磨損故障主要是齒座經(jīng)常與煤壁發(fā)生作用，煤壁比較堅(jiān)硬，就會(huì)造成齒座外壁磨損[1]。

對(duì)于最易發(fā)生磨損的應(yīng)靠近端盤齒座，主要是因?yàn)闈L筒端盤一直被煤巖包裹著，所以此處的端盤截齒受到的煤壁作用力更大，齒座內(nèi)孔發(fā)生磨損失效的概率也就較大；而且端盤角度截齒如果出現(xiàn)嚴(yán)重磨損且未采取措施，就會(huì)引起齒座外壁與煤壁發(fā)生磨損，使得外壁出現(xiàn)磨損故障。

如圖1所示，滾筒端盤成棱臺(tái)形結(jié)構(gòu)，葉片與端盤結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)兩種截齒無(wú)法有效截割的盲區(qū)。當(dāng)滾筒上的截齒截割的是堅(jiān)硬煤層時(shí)，截割面就會(huì)不平整出現(xiàn)截割棱條，受到的煤壁反作用力就會(huì)增大，截齒內(nèi)孔磨損加重；截齒經(jīng)過(guò)棱條時(shí)，棱條和齒座的摩擦也會(huì)加大，從而加劇了外壁的磨損[2]。

圖1 端盤與葉片的截割過(guò)渡區(qū)

1.2 底端齒座與葉片故障

滾筒在采煤與裝煤的過(guò)程中，磨損程度最大的就是底端齒座和尾部葉片，阻礙了滾筒的正常工作；底端齒座磨損將會(huì)降低對(duì)煤塊的截割直徑，使得葉片磨損故障隱患大幅增加。

磨損必然是由較大的作用力造成的，尾部葉片的作用力主要是滾筒在割煤和裝煤過(guò)程中所產(chǎn)生的摩擦力。裝煤時(shí)，煤被滾筒周邊葉片通過(guò)旋轉(zhuǎn)助推裝入滾筒中間空槽內(nèi)，此時(shí)葉片與煤巖壁的摩擦力最為突出，造成了葉片較大磨損[3]。所有葉片都會(huì)受到磨損，底端磨損嚴(yán)重是由于底端葉片受到煤壁阻力較大，煤塊被槽壁阻擋，所以對(duì)底端葉片的反作用力也更大，三者之間力的關(guān)系如圖2所示。

圖2 碎煤與葉片的相互作用關(guān)系

對(duì)尾部葉片進(jìn)行受力分析，當(dāng)滾筒截割煤塊為粒徑較小的散煤時(shí)，利用“散體力學(xué)”來(lái)分析作用力。底端葉片向前旋轉(zhuǎn)時(shí)，中間空槽的相對(duì)間隙會(huì)越來(lái)越小，煤體與空槽之間產(chǎn)生相對(duì)滑移。底端葉片受力如式（1）所示：

式中：ξ是煤巖系數(shù)根據(jù)煤巖性質(zhì)而定，通常小于1；l是煤的累積長(zhǎng)度；ρ為密度；h是平均厚度。分析力的表達(dá)式可知高度和密度是影響作用力的兩個(gè)重要因素，當(dāng)截割巖石時(shí)，巖石密度一般比煤體密度更大，使得葉片磨損加?。划?dāng)煤的堆積長(zhǎng)度累積時(shí)，作用力也會(huì)變大。有時(shí)遇到高夾矸率煤層時(shí)，截割不理想，就會(huì)使得破碎不完全，留下小塊矸石夾雜在煤體中。這些塊狀巖石會(huì)被截齒尖夾在中間松散、破碎，降低巖石與巖片之間的摩擦力，保護(hù)葉片；當(dāng)?shù)锥她X座發(fā)生磨損故障時(shí)就無(wú)法有效對(duì)夾在中間的巖石進(jìn)行松散，破碎。破碎過(guò)程也會(huì)對(duì)底部葉片產(chǎn)生較大震動(dòng)和破壞，加速了葉片的磨損，縮短了滾筒的使用壽命[4]。

2 優(yōu)化方法

2.1 優(yōu)化葉片參數(shù)

2.1.1 優(yōu)化截齒排列模型與葉片頭數(shù)

齒座內(nèi)孔的摩擦力主要來(lái)源于與內(nèi)孔連接的滾筒上的受力，受力越大，磨損越大，而截割時(shí)滾筒受力又主要與截齒排列模式和葉片個(gè)數(shù)有關(guān)。為了研究這兩種因素對(duì)滾筒截割作用力影響的大小，我們采用控制變量法來(lái)研究，首先保持葉片個(gè)數(shù)一致，考查排列方式，然后控制排列方式一致，考查葉片個(gè)數(shù)對(duì)截割載荷的影響，對(duì)比分析二者的載荷曲線。

改進(jìn)前采用3頭順序式排列的Φ1 600 mm×630 mm滾筒，并以此為對(duì)照，保持滾筒大小、齒輪個(gè)數(shù)、角度相同，優(yōu)化為4頭棋盤式排列的滾筒。兩種對(duì)比組的具體排列如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前、后滾筒截齒排列

使用模擬的手段，輸入相同采煤機(jī)滾筒運(yùn)行參數(shù)，同樣的地質(zhì)條件參數(shù)，可得下圖所示的載荷仿真曲線。如圖4所示，可以清晰地看到，優(yōu)化后的滾筒各項(xiàng)參數(shù)都有明顯改觀，受力、功率都有所減小，且曲線更平穩(wěn)，波動(dòng)幅度不大，說(shuō)明滾筒的運(yùn)行更加平穩(wěn)。因此用4頭棋盤式替換3頭順序式時(shí)，滾筒所受作用力減小，摩擦力減小，磨損減小，減少了齒座內(nèi)孔的摩擦力，延長(zhǎng)了滾筒的使用壽命[5]。

圖4 改進(jìn)前后截割載荷和功率的對(duì)比

2.1.2 優(yōu)化葉片升角

滾筒裝載的體量主要受滾筒上葉片角度的影響。為了使?jié)L筒裝煤能力增強(qiáng)，所以從尾端到出煤處角度不斷增大，這樣在滾筒螺旋進(jìn)入的時(shí)候在推力的作用下可以有效減小煤塊的阻力，使得工作面的煤塊不會(huì)堆積，增加了葉片的使用壽命。

2.2 優(yōu)化端盤補(bǔ)塊

考慮到端盤齒座一直被煤塊包裹著，所受作用力較大，所以必須在齒座上附加截齒數(shù)量，使得截齒排列更加緊密。這樣就能增大截齒的截割能力，減小截割阻力，減少磨損。而且由于在過(guò)渡區(qū)會(huì)留下棱條，所以在過(guò)渡區(qū)要增加截齒數(shù)量，保證過(guò)渡區(qū)截割完整，無(wú)棱條。

因此，我們需配備端盤補(bǔ)塊，附加齒座增加截齒數(shù)量，保證截割充分，如圖5所示。

圖5 端盤補(bǔ)塊

增加了截齒數(shù)量之后，齒座受力就會(huì)減小，滾筒運(yùn)行時(shí)采煤效率和安全性也有所提升。中間空槽區(qū)增加截齒數(shù)量可以減少棱條數(shù)量直至無(wú)棱條，延緩了磨損程度，極大地增加了滾筒的截割能力與滾筒的使用時(shí)間。

2.3 葉片末端齒座的保護(hù)

尾部葉片的使用壽命與末端齒座有著緊密聯(lián)系，齒座磨損越小，葉片磨損也越小，所以必須采取措施防止齒座磨損。

為了使截齒截割能力突出，需要對(duì)截齒在齒座的安裝角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)角度都為0°，這樣齒座就不會(huì)與煤塊產(chǎn)生正面摩擦，減小了齒座的磨損面積；同時(shí)需要在容易磨損的位置處焊接耐磨鐵皮，達(dá)到局部保護(hù)的目的，減少磨損，增加使用壽命。

3 工程驗(yàn)證

北嶺煤礦2550綜采工作面煤層較軟，原有采煤機(jī)才開(kāi)采100 m之后，工作面突遇斷層，煤矸石硬度較大，對(duì)滾筒、齒座、截齒造成了嚴(yán)重磨損，使得滾筒采煤裝煤效率大幅下降，工作面一度停滯不前。

通過(guò)上面所述的三種優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)、端盤補(bǔ)塊、齒座分別進(jìn)行保護(hù)，防損優(yōu)化。設(shè)計(jì)4頭棋盤式排列的滾筒同時(shí)加裝保護(hù)裝置，優(yōu)化安裝角為0°。使其在該工作面開(kāi)始運(yùn)行，持續(xù)工作120個(gè)工作日后，發(fā)現(xiàn)葉片及齒座并無(wú)較大磨損故障且磨損程度輕微，滾筒運(yùn)行工作效率明顯提高，保證了生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，井下作業(yè)持續(xù)生產(chǎn)，工作面穩(wěn)步向前推進(jìn)，減少了故障損失發(fā)生概率，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）滾筒磨損部件主要集中在齒座內(nèi)孔、底端齒座和葉片，需對(duì)這三個(gè)部件進(jìn)行集中針對(duì)性的防護(hù)。

2）葉片磨損程度主要取決于齒座的磨損程度，所以對(duì)齒座的防損保護(hù)采取優(yōu)先防護(hù)。

3）4頭棋盤式排列的滾筒工作效率與性能優(yōu)于3頭順序式排列。

4）防損措施要綜合化，不能太過(guò)單一，通過(guò)多種手段綜合防護(hù)，更能延緩磨損，保障作業(yè)穩(wěn)定性。