滾筒式露天采煤機截割滾筒設計

馬聯偉

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

滾筒式露天采煤機是露天煤礦采煤設備，該設備集破碎、采掘、裝載、合并穿爆等功能于一體，具有開采連續(xù)、工序單一、選采準確、機動靈活等優(yōu)點，可廣泛適用我國不同煤層賦存條件，并可減少二次破碎，降低采煤成本，是采用輪斗挖掘機、電鏟等主流裝備開采工藝的有效補充，對提高煤炭資源回收率具有重要意義。

目前世界上有20 余家公司生產滾筒式露天采煤機，其中著名的有德國Wirtgen 公司的SM 系列，Krupp 公司的KSM 系列，美國Huron 公司生產的Easi-Miner 系列，山特維克公司生產的VASM 系列，JOY 公司生產的CM 系列，其中Wirtgen 公司的SM3000X 型應用廣泛，目前在用約200 余臺；我國自20 世紀90年代初開始研制滾筒式露天采煤機，主要有哈爾濱煤礦機械研究所研制的CLG300 型和LMG2000 型、中信重型機械公司研制的CLG-5600 型、河北神風公司研制的LMG950 型、遼源金圣公司生產的LMG900A 型和峰峰集團天澤公司研制的LMG1150型。因國內缺乏露天截割滾筒設計研究，相關參數憑經驗和類比設計，導致國內露天采煤機的可靠性普遍較低[1-2]。

截割滾筒設計參數繁多，相互關系復雜，造成設計過程繁瑣，所以有必要進行相關參數的設計研究。國外對截割滾筒的設計研究起步較早，相繼形成了前蘇聯的“承壓核”理論和英國伊萬思的“最大拉應力”理論兩大理論體系，為截割滾筒設計奠定了理論基礎。此外，久易、山特維克等公司以及相關大學等成立了截割試驗中心，分析煤巖參數、滾筒截割參數二者之間的關系[3-4]。

從截割滾筒的結構和工作原理、截割參數計算、布齒設計、載荷計算等方面，提出滾筒式露天采煤機的截割滾筒設計方法。

1 結構及工作原理

滾筒式露天采煤機的截割滾筒是一種銑削式破煤機構，其工作原理與結構與井下連續(xù)采煤機的采煤方式相似。

滾筒式露天采煤機和井工連續(xù)采煤機的工作原理相似，均為驅動旋轉截齒自上而下銑削煤層，不同之處主要有2 點：①煤層賦存條件的差異性。井下煤層受地壓影響，煤層存在一定的壓酥帶，容易截割崩落式落煤；露天煤層因表面被完全或部分剝離，不易落煤；②開采自由面的差異性。開采工作中，滾筒式露天采煤機在拉溝作業(yè)時有2 個自由面，正常作業(yè)時有3 個或2個自由面；而井下連續(xù)采煤機在掏槽作業(yè)時有1 個自由面，下切作業(yè)時為2 個自由面，采垛作業(yè)時增加1 個自由面，因此，從自由面數量來講，井下連續(xù)采煤機開采難度較大。

滾筒式露天采煤機和井下連續(xù)采煤機的截割滾筒結構相似，兩者均采用橫軸式截割滾筒，截割滾筒式位于機身前端，可上下調高運行，切割煤層厚度大，切割硬度小，煤質粒度小，截割滾筒一般采用三段式結構，如圖1 所示。

圖1 滾筒式露天采煤機截割滾筒典型結構

2 截割參數計算

以某型露天采煤機設計指標為例，進行相關參數計算。已知：采高H=5 m，截寬B1=6 m，截深B2=0.8 m，專門開采平均f≈2 的煤，截割阻抗AX=360 N/mm，脆性系數B=2.1，密度γ=1.35 t/m3,滾筒直徑D=1.31 m。

2.1 生產能力

露天采煤機開采作業(yè)循環(huán)工序主要包括掏槽、下切、升刀3個工序，故一個作業(yè)循環(huán)時間為三者工序時間之和.

生產能力可由式（1）計算：

式中 t1——掏槽時間

t2——下切時間

t3——升刀時間

2.2 最大牽引速度

露天采煤機最大牽引速度主要依據下切工序作業(yè)時間和滾筒中心經過的弧長S 計算。如圖2 所示，依據幾何關系，弧長S 為：

式中 H1——截割臂回轉中心距底板的高度

L1——截割臂回轉中心距滾筒中心的距離

最大牽引速度：

圖2 弧長S 與采高H 的關系

2.3 滾筒轉速

滾筒轉速是露天采煤機的主要運動參數之一，截齒速度與截齒消耗率正相關，一般設計截齒速度在3.5 m/s 以下。轉速主要按滾筒直徑選取，按式（4）[5]計算。

2.4 切削厚度

切削厚度是切削平面法向截齒軌跡順序之間的距離。計算切削阻力和比能耗的重要參數，最大切削厚度hmax按式（5）計算：

其中，m 為每條截線上的截齒數，采用棋盤式雙螺旋布齒時，m=1。

為減少齒座及齒套與煤壁的磨損、避免煤炭發(fā)生二次破碎、降低能耗，最大切屑厚度應小于截齒的徑向出刀量Lp，見式（6）。

其中，Lp可由截齒構造出刀量和截割角計算獲得；k 為二次破碎系數，切向截齒取1～1.2。

2.5 截線距

截線距指相鄰截線的距離，由式（7）確定最佳截線距[5]。

2.6 比能耗法確定截割功率

（1）確定被截割煤層的比能耗，見式（8）。

式中 A——基準煤截割阻抗，200 N/mm

HWB——基準煤比能耗，當牽引速度為3 m/min 時，該值取0.44 kW·h/t

（2）截割電機功率計算[6]

式中 K1——功率利用系數，2 臺驅動時取0.8

K2——功率水平系數，當采用自動牽引調速和電機過載系數2.6 倍以上時取1按上述計算公式，得到滾筒主要設計參數，見表1。

表1 滾筒主要設計參數

3 布齒設計

按以下原則進行布齒設計，繪制截齒排列圖，如圖3 所示。

圖3 截齒排列圖

（1）采用雙螺旋棋盤式對稱結構，截割時可形成對稱式截槽以減少側向力。

（2）端盤與筒體的螺旋線旋向相反，進一步抵消相互之間側向力。

（3）采用沿螺旋滾筒均布布齒方法，保證螺旋線封閉，載荷均衡。

4 載荷計算與設計驗證

基于載荷模擬計算方法[7]編制露采機滾筒載荷計算模擬程序，輸入邊界條件，求解滾筒所受載荷。

如圖4、表2 所示，滾筒受到的瞬時三向阻力為水平截割阻力Rx和豎直截割阻力Ry（側向力忽略不計），二者阻力均小于設計值，且載荷變異系數均較小。

圖4 滾筒受到的瞬時三向阻力曲線

表2 滾筒截煤時的載荷統計及設計參數校驗

如圖5、表2 所示，滾筒受到的瞬時旋轉阻力矩Mz，該值的變化均小于設計轉矩。

綜上，滾筒設計參數，經載荷Rx、Ry、Mz校核，滿足工況要求。

圖5 滾筒受到的瞬時旋轉阻力矩曲線

5 結語

針對滾筒式露天采煤機的工作機構設計，推導主要設計參數，提出布齒設計和載荷驗證方法，形成一套較完整、合理的露天采煤機滾筒設計方法，為滾筒式露天采煤機的研制提供設計參考。