礦井采煤機滾筒截齒優(yōu)化布置的實驗研究

郭仕棟

（山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

隨著我國煤礦開采趨勢的變化，采煤機截割性能標準發(fā)生了很大變化。 以往開采較少的薄煤層、煤矸石煤層現在開采較多，對采煤機滾筒的可靠性、切削效率、破巖性能和結構形式的要求都相應有所提高。 采煤機滾筒是切割和輸送煤炭的主要部件，它消耗了整個采煤機80%～90%的功率[1]。它的結構和參數是否合理直接影響到采煤機的生產率、能耗和使用壽命。 因此，需要對滾筒進行研究，尋找具有不同結構的新型滾筒。 目前國內使用的采煤機滾筒截齒直徑基本相同，截齒的載荷條件較好，但截割性能不佳，截割比消耗高。 煤的特性（抗壓力而不是抗張力）沒有得到有效利用[2]。因此，如何利用煤炭的特性來開發(fā)一個強大而有效的滾筒是一個亟待認真研究的課題。

1 新型采煤機滾筒試驗臺布置設計

不同專業(yè)技術人員對采煤機滾筒的研究是從不同角度展開的，但都局限于現有滾筒的設計準則和國家安全規(guī)范的要求。 根據相關研究成果，采用模擬分析的方法研究截齒載荷的分布規(guī)律，得出截齒載荷的最大值服從正態(tài)分布，這種研究方法為研究截齒載荷分布規(guī)律提供了理論指導。 部分研究人員也分析了葉片螺旋角與切割效果之間的關系，利用線性回歸法得到了切割公式[3]。 在此基礎上，采煤機滾筒的截齒螺旋角的設計以最小波動系數為目標函數，研究了不同截齒排列方式下截齒滾筒的波動特性，為選擇滿足不同要求的滾筒提供了理論依據。

基于原有研究的基礎之上本次主要研究了截齒排列與滾筒轉速、運輸速度之間的關系，得到了不同截齒排列的滾筒的運輸速度；分析了滾筒的結構參數和運動參數與切削性能指標（切削效率、切削用量、塊度）之間的關系，為滾筒的設計提供了理論依據。 從以上所述，現有的滾筒截齒的排布方式都是依照現有滾筒截齒的設計風格，沒有發(fā)展出任何新的強大和高效的滾筒[4]。 為此，采用一種新的結構形式研制了一種新型滾筒，并在煤巖切割試驗臺上進行了切割試驗。 煤巖切割試驗臺如圖1 所示。

圖1 煤巖切削試驗臺設計

2 新型采煤機滾筒截齒優(yōu)化設計

為了利用煤在切削過程中的抗壓不抗拉特性，研制了一種新型結構滾筒的截齒排布方式，并考慮了滾筒軸向力的平衡。 滾筒結構包括滾筒輪轂、螺旋葉片、面環(huán)、截齒塊和截齒。 螺旋葉片直徑可變，面環(huán)截齒直徑最小，最大直徑截齒位于滾筒輪轂中間位置。 滾筒兩端直徑相等，最大直徑是最小直徑的1.1～1.3 倍，整個滾筒結構呈滾刀式，截齒最大直徑的傾角為0°，其他截齒為5°～15°，以最大直徑的位置為邊界，工作面環(huán)側截齒傾斜到煤壁，其他截齒傾斜到采空區(qū)。 端環(huán)截齒沿圓周線均勻分布，端環(huán)截齒傾角為5°～45°[5]。新滾筒和現有滾筒的比較如圖2 所示。

圖2 新滾筒截齒排布對比

3 工程實驗研究結果分析

3.1 實驗前模型建立

根據實際工程工況條件，采煤機滾筒的動態(tài)分析通常是用單錐截齒模型進行的，簡化模型如圖3 所示。 單錐截齒更利于模型簡化，但該簡化模型無法考慮采煤機滾筒上各錐齒之間對煤的相互影響。 有鑒于此，本文準備建立具有多個錐形截齒和螺旋葉片的采煤機滾筒模型。 與圖3 中的單個錐形截齒和煤巖模型相比，新型采煤機滾筒不僅改進了多個錐形截齒、固定底座和螺旋刀片，而且還考慮了多種因素。 因此，采煤機滾筒模型更加接近到實際工作環(huán)境，它比單位模型更可靠[6]。此外，采煤機滾筒的運行參數如3.2 節(jié)所示。 至此，模擬所需的參數已經完成，接下來需要在煤巖切削試驗臺中進行一些其他工程實驗操作。

圖3 單錐截齒切削模型

3.2 工程實驗分析

為了比較新型滾筒和現有滾筒的切割性能，在煤巖切削試驗臺上進行了切割試驗。 試驗中，模擬煤壁抗壓強度為1.97 MPa，滾筒轉速為125 r/min，平均牽引速度為0.65 m/min，葉片螺旋角為25 °，截齒排列順序，滾筒為雙向布置的啟動螺旋葉片，截割線間距為30 mm，截割網為210 mm。 試驗滾筒和截齒的狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 工程試驗后滾筒和截齒的狀態(tài)

不同滾筒的切削扭矩如圖5 所示。 為了研究不同結構滾筒的切削性能，對切削扭矩進行了統(tǒng)計分析，如表1 所示。 新型滾筒的切削扭矩和標準差大于表1 中的現有滾筒，表明新型滾筒的負荷波動較大。 為了比較兩種滾筒的截割比耗和塊煤百分比，對截割煤進行稱重和截割顆粒分級，結果如圖6 所示。 根據理論公式計算截割比耗并計算滾筒的切割比消耗，結果如表2 所示。 比較滾筒的塊煤百分比，結果如表3 所示。

圖5 不同滾筒切削扭矩對比

表1 切削扭矩的統(tǒng)計分析

圖6 滾筒切削煤炭顆粒的等級

表2 切割滾筒的特殊消耗量統(tǒng)計

表3 滾筒切削煤炭顆粒的累積百分比統(tǒng)計

4 結語

本次研究實驗一方面研究了滾筒截齒的排布位置對煤炭開采的影響；另一方面，還討論了在不同巖石分布下切割巖石時作用在采煤機滾筒截齒上的扭矩。 同時也嘗試找到采煤機滾筒截齒排布得相對合理位置，以盡量減少振動和切割力。 根據煤炭的特點，還研制了一種新型結構形式的滾筒，該種滾筒具有抗壓性能好、抗拉性能差的特點。 通過在煤巖切削試驗臺上進行切割試驗，獲得了一些有實際應用價值的結果。 新型滾筒的塊煤率比現有滾筒的塊煤率提高了3%，而切割比消耗基本相同。 因此，新型滾筒的結構優(yōu)于現有滾筒，有利于提高采煤機的截割性能和煤礦企業(yè)的經濟效益。 研究成果為礦井采煤機的新型結構零部件的設計優(yōu)化提供了依據。