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備有限公司， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

自20世紀90年代以來，采煤機截割滾筒進入“鎬型截齒”時代。鎬型截齒滾筒的優點是截割能力強，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賦存要素、設備配套要素和滾筒自身要素3個方面。

1.1 煤層地質賦存要素

地質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，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，割煤滾筒適應夾矸硬度f≤5、夾矸含量≤5%，破巖滾筒適應巖石硬度f≥7、巖石含量>10%，半煤巖滾筒適應夾矸硬度f<7、夾矸含量≤10%。不同地質條件選擇不同形式的滾筒。

1.2 設備配套要素

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，以防止滾筒割頂梁。

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，葉片高度一般應大于裝煤高度；裝煤距離為葉片尾部到溜槽煤壁側槽幫內測的長度，螺旋葉片的軸向輸煤距離應大于裝煤距離；鏟間距即滾筒靠輸送機側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需要的能量；滾筒轉速滿足截割沖量與裝煤效果，一般滾筒直徑小需要轉速高，滾筒直徑大則需要低轉速，轉速高低與裝煤效果應有一個平衡點；搖臂過煤空間就是煤通過搖臂下到達溜槽內的過煤通道，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，據實驗統計，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、截齒排列、滾筒結構、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，同時可根據巖石硬度及含量選擇齒套旋轉和不旋轉形式，極硬巖石選不旋轉齒套的齒座；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的選擇與滾筒轉速、介質硬度、滾筒直徑有關，對于硬介質、滾筒轉速快，則葉片升角要小、葉片頭數要多；對于硬度不大的介質、滾筒轉速低，葉片頭數可以少。正常葉片升角范圍10°～20°，正常葉片頭數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，產生的粉塵小，且采煤機的振動小。因此，對不同的地質參數、不同設備配套參數，截割不同介質的滾筒應采取不同的截齒排列模式。

滾筒結構有整體式、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、葉片內側加裝煤流導槽，可以提高裝煤效果；大直徑滾筒端盤開設流煤通道為了減少端盤的磨損；設置葉片加強板是為了保護葉片齒座、提高裝煤效果。

滾筒耐磨設計是滾筒提高使用壽命的關鍵，耐磨材料的選擇和布置方式對提高耐磨性至關重要，葉片尾部加強板、端盤A齒前部均作耐磨設計，易發生磨損處也設置耐磨條、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準件批量生產，每一套滾筒都是根據用戶的條件單獨設計、單獨制作，因此在選擇滾筒時用戶必須提供相應的地質參數和設備配套參數參見表2，以便于設計人員能“量身定做”。

設計人員根據用戶提供的參數表，利用設計軟件及以往經驗，設計出相應的滾筒，并進行制造。

表2 采煤機滾筒設計參數信息

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致的，除了滾筒直徑與地質因素外，最常見的有三機配套不合理、滾筒轉速與葉片升角不匹配、司機操作不規范等。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。該問題應在設備選型配套時認真考慮予以避免，現場使用后難以解決[3]。

滾筒轉速與葉片升角的不匹配問題，根據經驗低轉速滾筒裝煤效果相對較好，高轉速滾筒因煤流沿滾筒切線飛出裝煤效果不理想，如何把握滾筒轉速與葉片升角的關系尚需進一步研究[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，造成截割時滾筒忽高忽低，影響裝煤效果。司機應根據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定，才能保證過煤通道穩定暢通。

解決裝煤問題的辦法：

1) 在三機配套設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速、大直徑、5～7 m/min的牽引速度。筆者對上海天地、上海創立、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速進行了統計分析，得出4種不同滾筒直徑在不同轉速范圍的機型臺數，如表3所示。

表3 滾筒直徑與配套轉速的機型數量統計

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

3) 正常工作時后滾筒應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 葉片尾部嚴重磨損

滾筒非正常磨損的主要原因：

1) 滾筒形式選擇不當。將割煤滾筒當破巖滾筒使用，磨損將加劇。

2) 操作(或配套)不當，滾筒與其他設備干涉。滾筒工作時與液壓支架前梁、溜槽鏟板等發生干涉，滾筒截割錨桿等其他硬質物體，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，滾筒反復在巖石中旋轉磨損，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備或硬質材料碰撞，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、原地反復旋轉磨損葉片，工作面運輸機運輸能力一定要大于采煤機截割能力；

3) 節理不發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“負角度齒座”以及特殊耐磨設計。

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。經過礦方與采煤機廠家多次研究，認為裝煤效果差的主要原因是滾筒轉速、葉片升角不能適應俯采工作面所致。隨后將滾筒轉速由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，滾筒轉速42 r/min。因使用直搖臂原因導致過煤通道不暢，過煤通道高度(溜槽上面到搖臂下面)100～200 mm，裝煤效果很差。后經礦方與采煤機廠家研究，認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效率。本文總結選擇滾筒應考慮的三個要素，即地質賦存要素、設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。