雙滾筒采煤機結構對螺旋滾筒裝煤效果的影響研究

王晉級，王向琦，池成忠

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

0 引言

隨著現代工業化的發展，采煤機械也在逐步完善。雙滾筒采煤機在煤礦井下開采中占據了主導地位，螺旋滾筒作為雙滾筒采煤機落煤和裝煤的主要部件，相關專家對其進行了諸多研究，將螺旋滾筒結構的設計參數化，可為螺旋滾筒合理、高效的設計與制造提供依據。而在雙滾筒采煤機的設計過程中雖然會考慮到其結構對螺旋滾筒裝煤效果的影響，但并未將這些影響因素應用到螺旋滾筒的設計中，導致螺旋滾筒在實際使用過程中存在裝煤效果不穩定的現象。本文通過研究雙滾筒采煤機結構對螺旋滾筒裝煤效果的影響，對螺旋滾筒裝煤量進行校核，從而為優化螺旋滾筒設計參數提供參考。

1 雙滾筒采煤機結構分析

1.1 臥底量K

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

綜采工作面設備之間配套尺寸設計中，為了防止因底板起伏不平導致采煤機割煤時出現飄底，對雙滾筒采煤機設計了臥底量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，刮板運輸機放置在底板，雙滾筒采煤機安放在刮板運輸機上，并沿刮板運輸機的齒軌和鏟煤板移動割煤。雙滾筒采煤機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。但因地質構造的存在，大部分割煤過程中后螺旋滾筒都會存在螺旋滾筒割200 mm左右底板的現象，使搖臂下端面與機身、后螺旋滾筒、刮板運輸機槽幫上端面(槽幫高度S)所圍成的過煤空間減小，導致螺旋滾筒直接輸送煤量下降，嚴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

搖臂是采煤機截割部的傳動機構，將動力傳遞給滾筒，同時搖臂也可以擺動一定角度以調節滾筒的高度，使采煤機的實際開采高度適應工作面采高H的要求。

在設計采煤機截割傳動機構時，搖臂寬度是在保證傳動機構的尺寸條件下確定的，但較大的搖臂寬度同樣會導致過煤空間減小，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輸機鏟煤板之間的距離。鏟煤板的作用是在推移運輸機過程中鏟裝浮煤，同時作為平板滑靴的滑行軌道。在綜采工作面設備之間配套時為防止螺旋滾筒切割液壓支架以及鏟煤板而設計了鏟間距，一般Lc= 0.1 m～0.3 m，雙滾筒采煤機與刮板輸送機的配套斷面如圖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輸機槽幫內側距離。

鏟間距Lc與鏟板寬度Lb、運輸機槽幫寬度組成了螺旋葉片尾部到運輸機槽幫內側的距離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。

上述參數結構是雙滾筒采煤機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，結合雙滾筒采煤機結構的臥底量K、搖臂寬度以及鏟間距參數進行螺旋滾筒優化設計，對研究螺旋滾筒的裝煤效果有重要意義。

圖2 雙滾筒采煤機與刮板運輸機的配套斷面

2 螺旋滾筒結構

螺旋滾筒作為滾筒式采煤機的工作機構，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；螺旋葉片起導向作用，將螺旋滾筒割下的落煤引導并推向刮板運輸機。

圖3 螺旋滾筒結構

2.1 滾筒直徑D

滾筒直徑D是指螺旋滾筒圍繞其軸線轉動時，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應根據煤層厚度(或采高)來選擇。

在設計螺旋滾筒參數時，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的綜采工作面配套螺旋滾筒時，在保證采煤機臥底量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，截齒齒尖在徑向方向的總伸出量為Lp對應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，大量浮煤被迫循環碾壓破碎，導致煤粉產出率升高。

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，必將導致螺旋葉片寬度增大，螺旋葉片外緣受力變形加劇，易出現螺旋葉片焊縫開裂現象；同時，過多的煤會集中在螺旋葉片空間內，由于內、外層致密度不同，煤流的速度外層較快、內層較慢，而在割煤過程中會有源源不斷的煤補充到葉片空間內，致使內層煤無法及時流出成為了螺旋葉片空間內的“死煤”。

因此，在滿足筒體內部所安裝搖臂尺寸的條件下，應保持螺旋葉片外緣直徑與筒體外圓直徑的適當比例。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

雙滾筒采煤機螺旋滾筒在實際生產割煤過程中，部分區域進行割煤、部分區域進行直接輸送裝煤、部分區域進行拋射輸送裝煤，因此，在分析螺旋滾筒的工作時，以搖臂行星頭驅動盤回轉中心為坐標原點，將螺旋滾筒沿坐標軸劃分為四塊滾筒象限區域，如圖4所示。

圖4 螺旋滾筒的外旋形式及象限區域劃分

3.1 螺旋滾筒的旋轉方向形式

雙滾筒采煤機螺旋滾筒的旋轉方向分為兩種不同形式：一種是前、后螺旋滾筒同時向內旋轉的內旋；另一種是前、后螺旋滾筒同時向外旋轉的外旋。螺旋滾筒內旋的形式，采煤機的工作穩定性較好，但螺旋滾筒易將煤甩出打傷采煤機司機，且煤塵較大，影響采煤機司機的正常操作；螺旋滾筒外旋的形式，采煤機的工作穩定性較差，易振動，但裝煤效果好，煤塵少，相對于機身較重的采煤機，機器振動產生的影響不大。因此，大部分采煤機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，分析雙滾筒采煤機結構對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輸機；另一種是螺旋滾筒空刀清掃浮煤，將割煤過程中遺留在機道內的煤裝入運輸機。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，影響運輸機正常推移的情況下，才附加的裝煤方式。因此，本文僅針對螺旋滾筒的割煤過程研究雙滾筒采煤機結構對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

以雙滾筒采煤機向右前進的外旋割煤狀態為研究對象，在采煤機割煤過程中，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道內的浮煤裝入運輸機內。

后螺旋滾筒的裝煤主要是通過其過煤空間，將煤直接裝入到運輸機溜槽內；部分煤通過螺旋滾筒的旋轉帶入至第Ⅰ象限無搖臂遮擋處，進行拋射裝入到運輸機溜槽內。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拋射過程中，受搖臂遮擋無法完成拋射裝煤或因葉片設計角度大只向前進方向拋煤，形成后螺旋滾筒的前浮煤；當葉片排煤口旋轉至第Ⅱ象限，葉片空間內因剩余煤量較少拋射能力不足或因葉片設計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，切割產生的落煤主要沉積在第Ⅳ象限內，隨著落煤量的增加大量落煤落入煤壁與運輸機之間的機道內，當機道內充滿落煤后剩余落煤會流入運輸機溜槽內；部分煤通過螺旋滾筒的旋轉帶入至第Ⅱ象限無搖臂遮擋處，進行拋射裝入到運輸機溜槽內。在前螺旋滾筒攜帶煤旋轉拋射過程中，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，由于前螺旋滾筒產生的后浮煤以及落入機道內的落煤，最終都由后螺旋滾筒繼續輸送裝煤。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，采煤機機型、運輸機型號、液壓支架型號等配套設備的參數都已確定。此時將螺旋滾筒的設計參數代入，對螺旋滾筒割煤過程中的裝煤量進行校核。

4.3.1 計算單只滾筒設計容煤量Qs

根據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，計算出滾筒螺旋葉片環形空間內可容納煤的設計容煤量Qs，即：

(1)

4.3.2 計算前螺旋滾筒機道內遺留浮煤量Qf1和后浮煤量Qf2

設前螺旋滾筒在割煤過程中遺留在機道內的浮煤量為Qf1，該浮煤沿切割余留煤壁側呈梯形分布，在煤壁側浮煤高度與余留煤壁高度平齊，在運輸機一側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 計算后螺旋滾筒實際每轉一圈的過煤量QL

當滾筒轉速為n的采煤機以牽引速度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為采煤機割一刀煤的過煤量)，則后螺旋滾筒實際每轉一圈的過煤量QL為：

(4)

4.3.4 計算后螺旋滾筒過煤空間的直接輸送裝煤量q1

(5)

其中：Ly為螺旋葉片導程；N為螺旋葉片頭數。

4.3.5 計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的拋煤可裝入到運輸機溜槽內。由于螺旋葉片內的落煤沿螺旋葉片內、外徑的流速不同，內、外煤的致密度也不相同，導致葉片內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算，通過受力分析計算后螺旋滾筒的拋射裝煤量q2：

(6)

其中：L′為拋射裝入運輸機的煤在槽幫內的寬度；hm為拋射裝入運輸機的煤在槽幫內側的高度。

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，都會被后滾筒輸送裝煤，因此后滾筒產生的浮煤量成為雙滾筒采煤機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 結論

影響螺旋滾筒裝煤效果的因素較多，在螺旋滾筒參數化設計時，除螺旋滾筒本身的因素外，應當考慮到采煤機結構的臥底量、搖臂寬度以及鏟間距對裝煤效果的影響，通過對螺旋滾筒裝煤量的校核，優化螺旋滾筒設計參數，以確保達到螺旋滾筒設計所期望的裝煤效果。