選擇采煤機螺旋滾筒的要素分析

王晉級, 劉義, 耿廣佩, 許波

(徐州中礦匯弘礦山設(shè)備有限公司， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，采煤機截割滾筒進(jìn)入“鎬型截齒”時代。鎬型截齒滾筒的優(yōu)點是截割能力強，能克服斷層、堅硬夾石、陷落柱等阻力，提高了煤礦開采效率，減輕了人工勞動強度。鎬型截割滾筒的缺點之一是裝煤效果比刀型截割滾筒相對較差，未能裝入溜槽的堆煤影響工作面刮板運輸機推移，返空刀裝煤又降低了采煤機工作效率；缺點之二是破巖能力提高了，葉片尾部的磨損也增大了，其壽命不能與工作面生產(chǎn)周期匹配。隨著滾筒截割能力的不斷提高，用戶對于滾筒的裝煤效果、耐磨性能也有了更高的要求，如何選擇最合適的采煤機滾筒是廣大用戶面臨的問題。

1 采煤機螺旋滾筒選擇的基本要素

基本要素分為煤層地質(zhì)賦存要素、設(shè)備配套要素和滾筒自身要素3個方面。

1.1 煤層地質(zhì)賦存要素

地質(zhì)賦存要素決定滾筒的截割能力，即滾筒能割多高、能割多硬的介質(zhì)，這也就決定了滾筒的直徑和類型。按照煤層厚度，滾筒可以分為薄煤層滾筒(直徑0.6～1.3 m)、中厚煤層滾筒(直徑1.3～2 m)、厚煤層滾筒(直徑2 m以上)；按照截割介質(zhì)硬度及其含量，滾筒可以分為割煤滾筒、破巖滾筒、半煤巖滾筒，割煤滾筒適應(yīng)夾矸硬度f≤5、夾矸含量≤5%，破巖滾筒適應(yīng)巖石硬度f≥7、巖石含量>10%，半煤巖滾筒適應(yīng)夾矸硬度f<7、夾矸含量≤10%。不同地質(zhì)條件選擇不同形式的滾筒。

1.2 設(shè)備配套要素

與液壓支架配合涉及到最大采高、最小采高、推移步距及端面距。最大采高是滾筒必須滿足的液壓支架所能達(dá)到的工作面最大采煤高度，最小采高是指液壓支架能通過工作面的最小高度，滾筒升起時能滿足最大采高，滾筒落下時能滿足最小采高[1]；推移步距的大小決定滾筒的截深和滾筒寬度，根據(jù)不同的推移步距可選擇630/800 mm截深(常用截深)的滾筒；端面距是指滾筒與頂梁之間的最小距離，以防止?jié)L筒割頂梁。

與刮板運輸機配合涉及裝煤高度、下切深度、裝煤距離、鏟間距等。裝煤高度即為下切深度與溜槽槽幫高度之和，葉片高度一般應(yīng)大于裝煤高度；裝煤距離為葉片尾部到溜槽煤壁側(cè)槽幫內(nèi)測的長度，螺旋葉片的軸向輸煤距離應(yīng)大于裝煤距離；鏟間距即滾筒靠輸送機側(cè)的截齒與輸送機鏟板之間的最小距離，該距離必須足夠大以防止截齒割鏟板； 與采煤機配套涉及截割功率、滾筒轉(zhuǎn)速，搖臂過煤空間、采煤機牽引速度、安裝連接尺寸等。截割功率滿足截割介質(zhì)需要的能量；滾筒轉(zhuǎn)速滿足截割沖量與裝煤效果，一般滾筒直徑小需要轉(zhuǎn)速高，滾筒直徑大則需要低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速高低與裝煤效果應(yīng)有一個平衡點；搖臂過煤空間就是煤通過搖臂下到達(dá)溜槽內(nèi)的過煤通道，通道越大裝煤效果越好，沒有足夠過煤空間的采煤機，其裝煤效果一定不理想；采煤機牽引速度同樣影響裝煤效果，據(jù)實驗統(tǒng)計，牽引速度在5～7m/min時裝煤效果較好；安裝連接尺寸則決定滾筒的筒體大小與連接方式。

1.3 滾筒自身要素

滾筒自身要素涉及到齒座與截齒選型、葉片螺旋升角與葉片頭數(shù)、截齒排列、滾筒結(jié)構(gòu)、滾筒耐磨處理等。

齒座與截齒配置見表1。對于割煤滾筒，齒座截齒可以選擇177系列、200系列齒座，截齒177系列齒座配80系列截齒，200系列齒座配90系列截齒；對于破巖滾筒，齒座可選擇225系列、175系列，為225系列齒座配套90、170系列截齒，175系列齒座配套90系列截齒，同時可根據(jù)巖石硬度及含量選擇齒套旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)形式，極硬巖石選不旋轉(zhuǎn)齒套的齒座；對于半煤巖滾筒，齒座可選200系列、175系列、BS38系列齒座， 200系列齒座配套90系列截齒，175系列齒座配套90系列截齒，BS38系列齒座配套135系列截齒。

表1 不同滾筒配置齒座、齒套、截齒表

葉片升角與葉片頭數(shù)的選擇與滾筒轉(zhuǎn)速、介質(zhì)硬度、滾筒直徑有關(guān)，對于硬介質(zhì)、滾筒轉(zhuǎn)速快，則葉片升角要小、葉片頭數(shù)要多；對于硬度不大的介質(zhì)、滾筒轉(zhuǎn)速低，葉片頭數(shù)可以少。正常葉片升角范圍10°～20°，正常葉片頭數(shù)2～4頭，一般直徑小于1.4 m，采用2頭滾筒。

合理的截齒排列，能使采煤機采出的塊煤率高，產(chǎn)生的粉塵小，且采煤機的振動小。因此，對不同的地質(zhì)參數(shù)、不同設(shè)備配套參數(shù)，截割不同介質(zhì)的滾筒應(yīng)采取不同的截齒排列模式。

滾筒結(jié)構(gòu)有整體式、分體式，一般滾筒都是整體式，分體式是為了解決大直徑滾筒井下運輸尺寸受限問題；筒體下端加裝裝載葉片、葉片內(nèi)側(cè)加裝煤流導(dǎo)槽，可以提高裝煤效果；大直徑滾筒端盤開設(shè)流煤通道為了減少端盤的磨損；設(shè)置葉片加強板是為了保護(hù)葉片齒座、提高裝煤效果。

滾筒耐磨設(shè)計是滾筒提高使用壽命的關(guān)鍵，耐磨材料的選擇和布置方式對提高耐磨性至關(guān)重要，葉片尾部加強板、端盤A齒前部均作耐磨設(shè)計，易發(fā)生磨損處也設(shè)置耐磨條、耐磨塊、耐磨堆焊。

2 滾筒選擇方法

由于采煤機螺旋滾筒不是標(biāo)準(zhǔn)件批量生產(chǎn)，每一套滾筒都是根據(jù)用戶的條件單獨設(shè)計、單獨制作，因此在選擇滾筒時用戶必須提供相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)和設(shè)備配套參數(shù)參見表2，以便于設(shè)計人員能“量身定做”。

設(shè)計人員根據(jù)用戶提供的參數(shù)表，利用設(shè)計軟件及以往經(jīng)驗，設(shè)計出相應(yīng)的滾筒，并進(jìn)行制造。

表2 采煤機滾筒設(shè)計參數(shù)信息

3 滾筒主要使用問題及解決措施

3.1 裝煤問題

裝煤效果不好是由很多因素導(dǎo)致的，除了滾筒直徑與地質(zhì)因素外，最常見的有三機配套不合理、滾筒轉(zhuǎn)速與葉片升角不匹配、司機操作不規(guī)范等。裝煤效果對比如圖1所示。

三機配套常見問題有裝煤距離過大、裝煤高度過大、搖臂過煤通道被搖臂堵塞不暢等。該問題應(yīng)在設(shè)備選型配套時認(rèn)真考慮予以避免，現(xiàn)場使用后難以解決[3]。

滾筒轉(zhuǎn)速與葉片升角的不匹配問題，根據(jù)經(jīng)驗低轉(zhuǎn)速滾筒裝煤效果相對較好，高轉(zhuǎn)速滾筒因煤流沿滾筒切線飛出裝煤效果不理想，如何把握滾筒轉(zhuǎn)速與葉片升角的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究[2]。

(a) 裝煤效果不理想

(b) 裝煤效果正常

采煤機司機操作不當(dāng)，造成截割時滾筒忽高忽低，影響裝煤效果。司機應(yīng)根據(jù)臥底量要求確定搖臂行星頭下面與溜槽上沿的距離，工作時保持該距離穩(wěn)定，才能保證過煤通道穩(wěn)定暢通。

解決裝煤問題的辦法：

1) 在三機配套設(shè)計時充分考慮裝煤效果，在條件允許時采用最小的鏟間距、最小的裝煤高度[4]；

2) 在保證滾筒截割能力的條件下盡量選擇低轉(zhuǎn)速、大直徑、5～7 m/min的牽引速度。筆者對上海天地、上海創(chuàng)立、西安煤機廠、三一重裝、江蘇中機等幾家采煤機制造廠滾筒直徑與轉(zhuǎn)速進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出4種不同滾筒直徑在不同轉(zhuǎn)速范圍的機型臺數(shù)，如表3所示。

表3 滾筒直徑與配套轉(zhuǎn)速的機型數(shù)量統(tǒng)計

從表3中可以看出，Φ1250多數(shù)采煤機滾筒轉(zhuǎn)速配置在40～60 r/min，Φ1400多數(shù)采煤機滾筒轉(zhuǎn)速在35～55 r/min，Φ1600多數(shù)采煤機滾筒轉(zhuǎn)速在30～55 r/min，Φ1800多數(shù)采煤機滾筒轉(zhuǎn)速在30～40 r/min[2]。

3) 正常工作時后滾筒應(yīng)以最小的臥底量割煤，且忌滾筒下切過大、忽高忽低影響過煤通道。

3.2 磨損問題

正常滾筒葉片尾部如圖2所示，嚴(yán)重磨損葉片尾部如圖3所示。

圖2 正常的葉片尾部

圖3 葉片尾部嚴(yán)重磨損

滾筒非正常磨損的主要原因：

1) 滾筒形式選擇不當(dāng)。將割煤滾筒當(dāng)破巖滾筒使用，磨損將加劇。

2) 操作(或配套)不當(dāng)，滾筒與其他設(shè)備干涉。滾筒工作時與液壓支架前梁、溜槽鏟板等發(fā)生干涉，滾筒截割錨桿等其他硬質(zhì)物體，這種情況將造成耐磨塊打碎、齒座撕裂等。

3) 超量截割。截割量大、裝載能力小，滾筒反復(fù)在巖石中旋轉(zhuǎn)磨損，將加劇磨損。

提高耐磨效果的措施：

1) 操作時滾筒忌與其它設(shè)備或硬質(zhì)材料碰撞，不得與支架、溜槽“打架”，不得用滾筒切割錨桿；

2) 硬巖工作面滾筒忌低速牽引、原地反復(fù)旋轉(zhuǎn)磨損葉片，工作面運輸機運輸能力一定要大于采煤機截割能力；

3) 節(jié)理不發(fā)育的巖石必須放振動炮松動，不得強行截割；

4) 葉片尾部使用專利技術(shù)“負(fù)角度齒座”以及特殊耐磨設(shè)計。

4 典型案例分析

案例一：淮北某礦放頂煤工作面面長150 m，走向長1 500 m，采高2.5 m，中間有10～30 m全巖，整個工作面有10°～20°俯采，使用MG600/1410-AWD矮型彎搖臂采煤機，使用TY(Z)Z 1800/630/4F(配套225系列齒座)破巖滾筒，正常裝煤距離730～830 mm，裝煤高度320 mm。因工作面條件原因，裝煤效果很差。經(jīng)過礦方與采煤機廠家多次研究，認(rèn)為裝煤效果差的主要原因是滾筒轉(zhuǎn)速、葉片升角不能適應(yīng)俯采工作面所致。隨后將滾筒轉(zhuǎn)速由48.4 r/min降為32 r/min，裝煤效果明顯改善。后來又將四葉片滾筒改為三葉片滾筒，基本解決了大傾角俯采裝煤困難問題。

案例二：貴州某礦工作面長160 m，走向350 m，采高2.2 m，有6°～8°俯采，有10～20 m全巖，配置采煤機為MG300/730-WD矮型直搖臂采煤機，使用TY(Z)Z 1600/630/3F(配套200系列齒座)半煤巖滾筒，裝煤距離520～620 mm，裝煤高度285 mm，滾筒轉(zhuǎn)速42 r/min。因使用直搖臂原因?qū)е逻^煤通道不暢，過煤通道高度(溜槽上面到搖臂下面)100～200 mm，裝煤效果很差。后經(jīng)礦方與采煤機廠家研究，認(rèn)為直搖臂是問題的主要原因。在不更換采煤搖臂的情況下更換采煤機滾筒解決問題。后將滾筒改為TY(Z)Z 1700/630/2F(配套200系列齒座)，提高了過煤通道，二葉片增加了滾筒推煤能力，基本解決了裝煤問題。

5 結(jié)論

滾筒是采煤機的重要工作部件，其工作性能直接影響采煤機的生產(chǎn)效率。本文總結(jié)選擇滾筒應(yīng)考慮的三個要素，即地質(zhì)賦存要素、設(shè)備配套要素和滾筒自身要素，并提供了滾筒的選擇方法以及典型的案例分析，可為避免選型錯誤、正確選擇最合適的滾筒提供了參考。