第1期(总第122期)2004年2月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.1F eb.文章编号:1672-6413(2004)01-0067-03采煤机螺旋滚筒的优化设计高建强(晋城煤业集团机电总厂,山西　晋城　048006)摘要:结合晋煤集团西区煤质状况,分析了影响采煤机滚筒使用效果的设计参数,对提高块率、装煤效果、结构强度提出了改进措施。

关键词:采煤机;螺旋滚筒;设计中图分类号:T D421.6 文献标识码:A收稿日期:2003-12-11作者简介:高建强(1965-),男,山西省阳城县人,工程师,1989年毕业于山西矿业学院,本科。

0　引言采煤机螺旋滚筒是一个带有螺旋叶片的圆柱体,截齿装在焊于螺旋叶片上的齿座套中,工作时滚筒转动并作径向移动,截割破碎煤炭,再由螺旋叶片把煤沿滚筒的轴线方向推运出来,装进工作面运输机。

对螺旋滚筒的优化设计的基本要求是:采出的块煤要多,产生的煤尘要少,即截割比能耗要低,截割阻力和牵引阻力要比较均衡地作用在滚筒上。

这些要求若能实现,采煤机的生产率就可以提高。

多年来,企业一直注重提高煤炭产品的块率。

晋煤集团机电总厂从1994年以来就不断地进行采煤机螺旋滚筒的技术改造,在提高开采块率方面取得了一定的成果。

2001年针对集团公司西区3#煤节理发育整体性差、煤质软脆易碎的特点,参照原电牵引采煤机 1800×32齿的螺旋滚筒结构,又一次进行了技术改造,通过减少截齿数、加大叶片高度和结构的合理改造,完成了 1800×24齿的高效高块率采煤机螺旋滚筒的优化设计,经成庄矿井下实际使用,在提高块率和改善装煤效果方面,取得了比较满意的效果。

1　螺旋滚筒优化设计的理论基础影响滚筒截割块率的因素很多,除煤质本身的性能特点外,主要受滚筒设计方面的截齿数量m 、截距t 和工作过程中切削厚度h 的影响,造成采煤的一次破碎。

另外,滚筒在装煤过程中,由于煤炭的相互挤压,容易造成二次破碎。

因此在螺旋滚筒的设计中,应从这两个方面进行考虑,通过优化设计,选择接近理想的参数,才能达到提高块率、提高装煤效果的目的。

1.1　截距的影响在切削厚度h 保持不变的条件下,截距t 对截割阻力Z 和截割比能耗H w 的影响见图1。

当增大截距t 时,由于切削断面增大,而相邻截槽的相互影响减弱,截割阻力Z 随着增大。

当截距增大到5h ～6h 后,相邻截槽的影响已减弱到可以忽略,截距再增大,截割阻力也增加得很小。

截割比能耗H w 在截距为1h ～1.4h 时最小,这个截距t op t 被认为是最佳截距。

当截距小于最佳截距时,由于切削断面太小,截割比能耗较高,且截距越小,截割比能耗越高;当截距大于最佳截距时,因相邻截槽的相互影响减弱,截割阻力增大,故截割比能耗反而增大,并趋于某个极限值。

图1　截距对截割阻力和截割比能耗的影响1.2　采煤比能耗与切削厚度的关系当截距为对应最佳截距时,截割比能耗与切削厚度的关系见图2中的曲线Ⅰ。

因为具体滚筒的截距是固定的,不可能随着切削厚度改变,因此其截割比能耗曲线Ⅱ只能在某一点上与曲线Ⅰ重合,在其它切削厚度时截割比能耗将大于曲线Ⅰ的对应值。

同时,当平均切削厚度增大时,由于循环煤增多,装煤比能耗(曲线Ⅲ)也相应增多。

曲线Ⅱ与曲线Ⅲ的叠加,即是滚筒采煤比能耗(曲线Ⅳ)。

采煤比能耗和极限切削厚度一般由滚筒的结构和参数所决定。

受截齿伸出长度和采煤机稳定性的限制,平均切削厚度小于极限切削厚度,采煤比能耗则大于理论的最佳值。

Ⅰ——最佳截距时的比能耗;Ⅱ——实际截距时的比能耗;Ⅲ——装煤比能耗;Ⅳ——滚筒采煤比能耗图2　滚筒采煤比能耗与切削厚度的关系2　优化设计的几点做法2.1　提高截割块率的措施针对采煤机螺旋滚筒,在要求提高采煤块率的设计时,主要应从截齿形状的选择、截齿的数量和截距三个方面加以考虑。

2.1.1　截齿的选择采煤机螺旋滚筒采用的截齿,基本可以分为两大类:扁截齿(又称径向截齿)和镐型截齿(又称切向截齿)。

扁截齿前面是平的,截刃是直的,虽然硬质合金片镶焊得比较牢固,但因截刃和侧刃不锋利,截割阻力较大,齿身受到的弯矩较大,采煤块率低,生成粉尘较多。

镐型截齿的优点是:齿身不易折断,齿座与叶片的连接长度较大,故强度好;内喷雾时截齿前面能得到有效的喷射,有利于灭尘;工作时截角较小,齿身受到的弯矩较小,有利于降低比能耗;形状简单,制作方便。

因此,我们选用镐型截齿。

经井下实际使用,在提高块率和降低粉尘方面取得了较好的效果。

2.1.2　减少采煤机滚筒的截齿数量并增大截距采煤机滚筒截齿由原来的32齿减少到24齿,端盘12齿,其截齿安装倾斜角度分别为45°齿5个,30°齿3个,15°齿1个,10°齿1个,0°齿1个,-5°齿1个。

3个螺旋叶片上每片4齿,12个齿中-5°齿2个,-10°齿10个。

叶片上截齿的负角度安装用来平衡滚筒割煤时的轴向力。

同时该方式可以造成滚筒在进给时截齿两侧的截割阻力不平衡,产生转动,截齿自转自锐,可以减少齿尖被磨偏而早期失效。

将叶片截距由原来的34mm 增大到40mm ,以提高滚筒原煤开采块率。

2.1.3　采煤机滚筒截齿布置采用一线一齿的方式采用该方式可增大单齿截割面积,提高滚筒截割块率。

为解决叶片齿与端盘在滚筒圆周方向上重叠而影响滚筒工作平衡性的问题,采用截齿在滚筒圆周上均布而叶片非均布,这种结构可使滚筒切向力(或转矩)波动系数降低,能最大限度地减少滚筒截齿数,减少截割过程中煤的一次破碎率。

2.2　提高装煤效果的优化措施装煤的基本过程是螺旋叶片将煤沿滚筒轴向推至输送机旁,然后利用螺旋叶片末端将煤抛到输送机内。

根据相关资料的分析,影响滚筒装煤效果的主要因素有滚筒转速、牵引速度、螺旋叶片升角、滚筒外径和筒体直径等。

参照电牵引采煤机滚筒结构,经论证后,将原滚筒筒体的直径 980m m 减小到 780m m ,从而增大螺旋叶片的过煤空间高度和过煤量,提高滚筒的装煤效果,减小了煤炭相互挤压造成的二次破碎。

根据理论公式,螺旋滚筒装煤量Q (t /h )为:Q =60 4(D 22-D 21)smn K 。

式中:D 1、D 2——分别为叶片直径和筒毂直径,m ; s ——螺距,m ; m ——螺旋头数; n ——滚筒转速,r /min ; ——散体煤容量,t /m 3; ——螺旋有效断面的充填系数; K ——考虑由螺旋实际装入输送机的煤量的系数。

经计算,理论上可增加滚筒装煤量约15.4%。

优化设计前后滚筒的部分技术参数见表1。

2.3　提高结构强度和延长使用寿命的优化措施・68・机械工程与自动化 2004年第1期　为了保证产品质量,达到部颁标准,制造中完善了工艺措施和工艺装备,采取的措施主要有以下几点: (1)CO 2气体保护焊具有热量集中、熔池深、焊接强度高的特点。

要求螺旋滚筒上的主要承载焊缝必须采用CO 2气体保护焊。

(2)螺旋叶片、滚筒端盘采用专用胎具压制而成。

为了增加强度,端盘与筒体焊接处应加焊加强筋板。

(3)对截齿、齿座、齿靴等外购件在使用前必须严格检验,把好质量关。

为了延长截齿的使用寿命,用于除尘的内喷雾喷嘴位置设计应正对每个齿尖,以达到冷却截齿的目的。

(4)齿座组焊在专用的胎具上进行,并及时利用样板截齿检测齿座的焊接位置。

焊接时要求对齿座焊缝周围的母体预热至200℃左右以减少焊接应力。

(5)装载叶片的出口端应堆焊90#高铬耐磨焊条,要求硬度达到HRC50左右以增加耐磨性。

(6)滚筒焊接完成后,及时利用TZ-21型振动时效装置进行时效处理,以消除或减少焊接应力。

表1　优化设计前后滚筒部分参数对照表项 目优化设计前参数优化设计后参数滚筒截齿外径(mm)18001800筒体外径(mm)980780齿数(个)3224叶片截齿截距(mm)34403　工业性试验结果经过以上技术改造后,于2002年1月在成庄矿井下综采一队2311工作面进行了安装与试验,滚筒工业试验数据汇总见表2。

经工业试验证明,对于成庄矿煤质较软易碎的煤层,该设计的滚筒的切削厚度、单齿切削面积是比较合理的。

在工业试验期间,24齿高块率滚筒比原32齿滚筒工作面出煤块率提高了0.97%。

从试验情况看,滚筒装煤效果明显好转,截割过程中采煤机运行平稳,并未发生振动现象,叶片磨损情况也正常。

截齿消耗略有提高,其原因是由于截齿变少,单齿受到的冲击、负荷较大。

表2　滚筒工业试验数据汇总对比表项 目原32齿滚筒24齿滚筒出煤块率(%)64.6265.59截齿效果(个/万吨)9.329.88装煤效果(mm )(1)493545喷雾效果差好采煤机运行平稳性良好良好叶片磨损情况正常正常牵引速度(m/s ) 3.0 3.0滚筒转速(r/min )37.64337.643截割功率(kW )90.882.9注:(1)采煤机采过后,测量刮板机煤壁侧溜槽上平面与余留煤上平面之间的平均高度差。

4　结论(1)本次优化后的螺旋滚筒主要特点是截齿少、单齿截割面积大,经工业生产试验证明达到了预期的效果。

但也存在着弱点,一方面是由于截齿少,单齿负荷较大;另一方面是由于其截距较大,当叶片上的截齿有一个损坏而没有及时安装新的截齿时,容易将齿套磨损,所以在使用过程中应及时检查截齿是否完好。

(2)在确定采煤机螺旋滚筒的参数时,应根据所开采的煤层地质条件、煤质特性,有针对性地采取优化措施,提高螺旋滚筒的生产使用性能,充分发挥采煤机综合性能。

Optimization Design of Helix Roller in Coal -cutting MachineGAO Jian -qiang(Jinch eng Coal In dustry Group,Jinchen g 048006,China)Abstract :Combining w it h the situatio n o f the w est ren distr ict of Jincheng Co al M ine,this paper analysed the influence o f t he design paramet ers of t he helix r oller in coal-cutting machine on practical effect,then put fo rw ar d so me impro ving measures.Key words :coa l -cutting machine ;helix r o ller ;design・69・　2004年第1期 高建强:采煤机螺旋滚筒的优化设计。