雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋滾筒裝煤效果的影響研究

王晉級(jí)，王向琦，池成忠

(1.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.徐州中礦匯弘礦山設(shè)備有限公司，江蘇 徐州 221000；3.大同菲利普斯采礦機(jī)械制造有限公司，山西 大同 037010)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，采煤機(jī)械也在逐步完善。雙滾筒采煤機(jī)在煤礦井下開采中占據(jù)了主導(dǎo)地位，螺旋滾筒作為雙滾筒采煤機(jī)落煤和裝煤的主要部件，相關(guān)專家對(duì)其進(jìn)行了諸多研究，將螺旋滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)化，可為螺旋滾筒合理、高效的設(shè)計(jì)與制造提供依據(jù)。而在雙滾筒采煤機(jī)的設(shè)計(jì)過程中雖然會(huì)考慮到其結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋滾筒裝煤效果的影響，但并未將這些影響因素應(yīng)用到螺旋滾筒的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)致螺旋滾筒在實(shí)際使用過程中存在裝煤效果不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本文通過研究雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋滾筒裝煤效果的影響，對(duì)螺旋滾筒裝煤量進(jìn)行校核，從而為優(yōu)化螺旋滾筒設(shè)計(jì)參數(shù)提供參考。

1 雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)分析

1.1 臥底量K

雙滾筒采煤機(jī)主要特點(diǎn)之一是螺旋滾筒調(diào)高范圍大，煤層可一次采全高，并能適應(yīng)煤層厚度變化和底板起伏不平的條件。

綜采工作面設(shè)備之間配套尺寸設(shè)計(jì)中，為了防止因底板起伏不平導(dǎo)致采煤機(jī)割煤時(shí)出現(xiàn)飄底，對(duì)雙滾筒采煤機(jī)設(shè)計(jì)了臥底量K，一般K=0.1 m～0.3 m。后螺旋滾筒的過煤空間如圖1所示。圖1中，K為臥底量，Bc為搖臂寬度，S為槽幫寬度，H為工作面采高。

工作面在正常的開采過程中，刮板運(yùn)輸機(jī)放置在底板，雙滾筒采煤機(jī)安放在刮板運(yùn)輸機(jī)上，并沿刮板運(yùn)輸機(jī)的齒軌和鏟煤板移動(dòng)割煤。雙滾筒采煤機(jī)理想的割煤過程是后螺旋滾筒沿底板開采，前螺旋滾筒按工作面采高H切割頂煤。但因地質(zhì)構(gòu)造的存在，大部分割煤過程中后螺旋滾筒都會(huì)存在螺旋滾筒割200 mm左右底板的現(xiàn)象，使搖臂下端面與機(jī)身、后螺旋滾筒、刮板運(yùn)輸機(jī)槽幫上端面(槽幫高度S)所圍成的過煤空間減小，導(dǎo)致螺旋滾筒直接輸送煤量下降，嚴(yán)重影響了螺旋滾筒的裝煤效果。

圖1 后螺旋滾筒的過煤空間

1.2 搖臂寬度Bc

搖臂是采煤機(jī)截割部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳遞給滾筒，同時(shí)搖臂也可以擺動(dòng)一定角度以調(diào)節(jié)滾筒的高度，使采煤機(jī)的實(shí)際開采高度適應(yīng)工作面采高H的要求。

在設(shè)計(jì)采煤機(jī)截割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，搖臂寬度是在保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸條件下確定的，但較大的搖臂寬度同樣會(huì)導(dǎo)致過煤空間減小，影響螺旋滾筒的裝煤效果。

1.3 鏟間距Lc

鏟間距是指螺旋滾筒葉片尾部到運(yùn)輸機(jī)鏟煤板之間的距離。鏟煤板的作用是在推移運(yùn)輸機(jī)過程中鏟裝浮煤，同時(shí)作為平板滑靴的滑行軌道。在綜采工作面設(shè)備之間配套時(shí)為防止螺旋滾筒切割液壓支架以及鏟煤板而設(shè)計(jì)了鏟間距，一般Lc= 0.1 m～0.3 m，雙滾筒采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的配套斷面如圖2所示。圖2中，B1為滾筒寬度，B2為截割寬度，D為滾筒直徑，Lc為鏟間距，Lb為鏟板寬度，Lw為螺旋葉片尾部到運(yùn)輸機(jī)槽幫內(nèi)側(cè)距離。

鏟間距Lc與鏟板寬度Lb、運(yùn)輸機(jī)槽幫寬度組成了螺旋葉片尾部到運(yùn)輸機(jī)槽幫內(nèi)側(cè)的距離Lw，該距離決定了螺旋滾筒直接輸送能力的大小，距離越小輸送能力越大，反之則輸送能力越小。

上述參數(shù)結(jié)構(gòu)是雙滾筒采煤機(jī)在正常割煤過程中影響螺旋滾筒裝煤效果的主要因素，因此，結(jié)合雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的臥底量K、搖臂寬度以及鏟間距參數(shù)進(jìn)行螺旋滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)研究螺旋滾筒的裝煤效果有重要意義。

圖2 雙滾筒采煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)的配套斷面

2 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)

螺旋滾筒作為滾筒式采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，它由螺旋葉片、端盤、齒座、噴嘴組件及筒體組件等部分組成，如圖3所示。圖3中，By為螺旋葉片高度，Dg為筒體外圓直徑，Dy為螺旋葉片外緣直徑。噴嘴組件包括噴嘴座、噴嘴芯、密封圈、U型卡；筒體組件包括筒體、輪轂(連接盤)、端蓋、端圈等。葉片與端盤焊在筒體組件上；齒座焊接在葉片和端盤上，齒座上安裝齒靴及截齒；螺旋葉片起導(dǎo)向作用，將螺旋滾筒割下的落煤引導(dǎo)并推向刮板運(yùn)輸機(jī)。

圖3 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)

2.1 滾筒直徑D

滾筒直徑D是指螺旋滾筒圍繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其螺旋葉片上截齒齒尖所形成的軌跡圓柱面的直徑。滾筒直徑D應(yīng)根據(jù)煤層厚度(或采高)來選擇。

在設(shè)計(jì)螺旋滾筒參數(shù)時(shí)，滾筒直徑D越大，在臥底量K值不變的情況下，搖臂下的過煤空間越大，螺旋滾筒的裝煤效果越好。因此在已選雙滾筒采煤機(jī)的綜采工作面配套螺旋滾筒時(shí)，在保證采煤機(jī)臥底量K、搖臂額定載荷、螺旋滾筒截齒齒尖線速度以及工作面采高H的條件下，盡量選取滾筒直徑較大的螺旋滾筒。

2.2 螺旋葉片外緣直徑Dy

螺旋葉片外緣直徑是指螺旋滾筒葉片上的齒座帶有截齒時(shí)，截齒齒尖在徑向方向的總伸出量為Lp對(duì)應(yīng)的螺旋葉片最大直徑，即Dy=D-Lp。

2.3 筒體外圓直徑Dg

筒體外圓直徑越大，則滾筒螺旋葉片的容煤空間愈小，裝煤量越少、浮煤越多。由于輸送量較低，大量浮煤被迫循環(huán)碾壓破碎，導(dǎo)致煤粉產(chǎn)出率升高。

筒體外圓直徑越小，則滾筒螺旋葉片的容煤空間愈大，裝煤量越多、浮煤越少。但較小的筒體外圓直徑，必將導(dǎo)致螺旋葉片寬度增大，螺旋葉片外緣受力變形加劇，易出現(xiàn)螺旋葉片焊縫開裂現(xiàn)象；同時(shí)，過多的煤會(huì)集中在螺旋葉片空間內(nèi)，由于內(nèi)、外層致密度不同，煤流的速度外層較快、內(nèi)層較慢，而在割煤過程中會(huì)有源源不斷的煤補(bǔ)充到葉片空間內(nèi)，致使內(nèi)層煤無法及時(shí)流出成為了螺旋葉片空間內(nèi)的“死煤”。

因此，在滿足筒體內(nèi)部所安裝搖臂尺寸的條件下，應(yīng)保持螺旋葉片外緣直徑與筒體外圓直徑的適當(dāng)比例。常用的滾筒筒體外圓直徑Dg=(0.4～0.6)Dy。

3 螺旋滾筒的工作方式

雙滾筒采煤機(jī)螺旋滾筒在實(shí)際生產(chǎn)割煤過程中，部分區(qū)域進(jìn)行割煤、部分區(qū)域進(jìn)行直接輸送裝煤、部分區(qū)域進(jìn)行拋射輸送裝煤，因此，在分析螺旋滾筒的工作時(shí)，以搖臂行星頭驅(qū)動(dòng)盤回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，將螺旋滾筒沿坐標(biāo)軸劃分為四塊滾筒象限區(qū)域，如圖4所示。

圖4 螺旋滾筒的外旋形式及象限區(qū)域劃分

3.1 螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)方向形式

雙滾筒采煤機(jī)螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)方向分為兩種不同形式：一種是前、后螺旋滾筒同時(shí)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的內(nèi)旋；另一種是前、后螺旋滾筒同時(shí)向外旋轉(zhuǎn)的外旋。螺旋滾筒內(nèi)旋的形式，采煤機(jī)的工作穩(wěn)定性較好，但螺旋滾筒易將煤甩出打傷采煤機(jī)司機(jī)，且煤塵較大，影響采煤機(jī)司機(jī)的正常操作；螺旋滾筒外旋的形式，采煤機(jī)的工作穩(wěn)定性較差，易振動(dòng)，但裝煤效果好，煤塵少，相對(duì)于機(jī)身較重的采煤機(jī)，機(jī)器振動(dòng)產(chǎn)生的影響不大。因此，大部分采煤機(jī)都采用螺旋滾筒外旋的形式。則本文將以螺旋滾筒外旋的形式，分析雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋滾筒裝煤效果的影響。

3.2 螺旋滾筒的裝煤方式

雙滾筒采煤機(jī)螺旋滾筒的裝煤方式有兩種：一種是螺旋滾筒在切割煤壁的過程中將落煤裝入運(yùn)輸機(jī)；另一種是螺旋滾筒空刀清掃浮煤，將割煤過程中遺留在機(jī)道內(nèi)的煤裝入運(yùn)輸機(jī)。螺旋滾筒空刀清掃浮煤過程是由于其在割煤過程中遺留浮煤較多，影響運(yùn)輸機(jī)正常推移的情況下，才附加的裝煤方式。因此，本文僅針對(duì)螺旋滾筒的割煤過程研究雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋滾筒裝煤效果的影響。

4 螺旋滾筒割煤過程的裝煤分析

4.1 后螺旋滾筒裝煤分析

以雙滾筒采煤機(jī)向右前進(jìn)的外旋割煤狀態(tài)為研究對(duì)象，在采煤機(jī)割煤過程中，后螺旋滾筒切割前螺旋滾筒余留煤壁，并將前螺旋滾筒遺留在機(jī)道內(nèi)的浮煤裝入運(yùn)輸機(jī)內(nèi)。

后螺旋滾筒的裝煤主要是通過其過煤空間，將煤直接裝入到運(yùn)輸機(jī)溜槽內(nèi)；部分煤通過螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)帶入至第Ⅰ象限無搖臂遮擋處，進(jìn)行拋射裝入到運(yùn)輸機(jī)溜槽內(nèi)。因此，過煤空間的大小決定后螺旋滾筒在割煤過程中裝煤效果的難易程度。

后螺旋滾筒在攜帶煤旋轉(zhuǎn)拋射過程中，受搖臂遮擋無法完成拋射裝煤或因葉片設(shè)計(jì)角度大只向前進(jìn)方向拋煤，形成后螺旋滾筒的前浮煤；當(dāng)葉片排煤口旋轉(zhuǎn)至第Ⅱ象限，葉片空間內(nèi)因剩余煤量較少拋射能力不足或因葉片設(shè)計(jì)升角太小只向后方拋煤，形成后螺旋滾筒的后浮煤。

4.2 前螺旋滾筒裝煤效果分析

在雙滾筒采煤機(jī)割煤過程中，前螺旋滾筒以滾筒直徑D為高度沿頂切割煤壁，切割產(chǎn)生的落煤主要沉積在第Ⅳ象限內(nèi)，隨著落煤量的增加大量落煤落入煤壁與運(yùn)輸機(jī)之間的機(jī)道內(nèi)，當(dāng)機(jī)道內(nèi)充滿落煤后剩余落煤會(huì)流入運(yùn)輸機(jī)溜槽內(nèi)；部分煤通過螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)帶入至第Ⅱ象限無搖臂遮擋處，進(jìn)行拋射裝入到運(yùn)輸機(jī)溜槽內(nèi)。在前螺旋滾筒攜帶煤旋轉(zhuǎn)拋射過程中，受搖臂遮擋無法完成拋射裝煤，形成為前螺旋滾筒的后浮煤，由于前螺旋滾筒產(chǎn)生的后浮煤以及落入機(jī)道內(nèi)的落煤，最終都由后螺旋滾筒繼續(xù)輸送裝煤。因此，在割煤過程中前螺旋滾筒的裝煤較為容易，且無法體現(xiàn)出螺旋滾筒的裝煤效果。

4.3 螺旋滾筒割煤過程中的裝煤量校核

在已正常開采的綜采工作面，采煤機(jī)機(jī)型、運(yùn)輸機(jī)型號(hào)、液壓支架型號(hào)等配套設(shè)備的參數(shù)都已確定。此時(shí)將螺旋滾筒的設(shè)計(jì)參數(shù)代入，對(duì)螺旋滾筒割煤過程中的裝煤量進(jìn)行校核。

4.3.1 計(jì)算單只滾筒設(shè)計(jì)容煤量Qs

根據(jù)螺旋滾筒的螺旋葉片外緣直徑Dy、筒體外圓直徑Dg、螺旋葉片高度By以及葉片體積Vy，計(jì)算出滾筒螺旋葉片環(huán)形空間內(nèi)可容納煤的設(shè)計(jì)容煤量Qs，即：

(1)

4.3.2 計(jì)算前螺旋滾筒機(jī)道內(nèi)遺留浮煤量Qf1和后浮煤量Qf2

設(shè)前螺旋滾筒在割煤過程中遺留在機(jī)道內(nèi)的浮煤量為Qf1，該浮煤沿切割余留煤壁側(cè)呈梯形分布，在煤壁側(cè)浮煤高度與余留煤壁高度平齊，在運(yùn)輸機(jī)一側(cè)高度與槽幫高度平齊，其浮煤量為：

Qf1=0.7L(H-D+S)(B1-B2+Lc+Lb).

(2)

其中：L為工作面長度。

(3)

其中：α為螺旋葉片升角；Q前為前螺旋滾筒割一刀煤的過煤量。

4.3.3 計(jì)算后螺旋滾筒實(shí)際每轉(zhuǎn)一圈的過煤量QL

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為n的采煤機(jī)以牽引速度v前行，其后螺旋滾筒割一刀煤的過煤量為Q后，且Q后=Q-Q前+Qf1+Qf2(Q為采煤機(jī)割一刀煤的過煤量)，則后螺旋滾筒實(shí)際每轉(zhuǎn)一圈的過煤量QL為：

(4)

4.3.4 計(jì)算后螺旋滾筒過煤空間的直接輸送裝煤量q1

(5)

其中：Ly為螺旋葉片導(dǎo)程；N為螺旋葉片頭數(shù)。

4.3.5 計(jì)算后螺旋滾筒的拋射裝煤量q2

后螺旋滾筒在第Ⅰ象限旋轉(zhuǎn)拋煤過程中，沿螺旋滾筒軸線方向的拋射距離大于Lw的拋煤可裝入到運(yùn)輸機(jī)溜槽內(nèi)。由于螺旋葉片內(nèi)的落煤沿螺旋葉片內(nèi)、外徑的流速不同，內(nèi)、外煤的致密度也不相同，導(dǎo)致葉片內(nèi)煤的拋射情況不一致。因此，綜合考慮以2/3葉片寬度處的拋煤計(jì)算，通過受力分析計(jì)算后螺旋滾筒的拋射裝煤量q2：

(6)

其中：L′為拋射裝入運(yùn)輸機(jī)的煤在槽幫內(nèi)的寬度；hm為拋射裝入運(yùn)輸機(jī)的煤在槽幫內(nèi)側(cè)的高度。

4.3.6 裝煤率k

由于在割煤過程中前滾筒的浮煤以及后滾筒的前浮煤，都會(huì)被后滾筒輸送裝煤，因此后滾筒產(chǎn)生的浮煤量成為雙滾筒采煤機(jī)割煤過程中的最終浮煤量，則該螺旋滾筒的裝煤量為：

Q′=q1+q2+Q前-Qf1-Qf2

.

(7)

裝煤率k為：

(8)

5 結(jié)論

影響螺旋滾筒裝煤效果的因素較多，在螺旋滾筒參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，除螺旋滾筒本身的因素外，應(yīng)當(dāng)考慮到采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的臥底量、搖臂寬度以及鏟間距對(duì)裝煤效果的影響，通過對(duì)螺旋滾筒裝煤量的校核，優(yōu)化螺旋滾筒設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保達(dá)到螺旋滾筒設(shè)計(jì)所期望的裝煤效果。