新型極薄煤層采煤機螺旋滾筒截齒排列優(yōu)化設計

王麗， 陳陸軍， 郭繼文， 李曉東

（1.卡特彼勒（鄭州）有限公司，鄭州 450103；2.鄭州四維集團，鄭州 450001）

0 引言

薄煤層在我國分布廣泛，1.3 m以下煤層占全部可采儲量的20%。薄煤層具有分布廣、煤質好的特點。尤其是在一些地方儲量占比大，如四川省占60%，山東省54%，黑龍江省占51%，貴州省占37%等。與中厚和厚煤層相比，薄煤層機械化開采存在著工作條件差、設備空間狹小、煤層變化復雜等缺點，造成了薄與極薄煤層機械化開采技術發(fā)展速度相對緩慢的問題［1-3］。

隨著中、厚煤層資源的減少，薄煤層的開采也越來越被煤炭生產企業(yè)看重。所以，研制適合我國實際國情的薄煤層采煤機，以適應不同的煤層結構，提高薄煤層采煤的工作效率是當務之急。本公司研制的全自動無人值守的新型極薄煤層采煤機MG100-145-PFD，是一個M型布置的全新的產品，使用全新的截割理念。其滾筒兼有截煤和裝煤的功能。如圖1所示。

圖1 MG100-145-PFD采煤機

新型極薄煤層采煤機MG100-145-PFD在工廠型式試驗的過程中出現(xiàn)了滾筒悶車的問題，為了解決這個問題，本文在分析了原始滾筒設計的基礎上，在保證拋煤效果的同時，根據(jù)采煤機截齒受力和最佳截線矩的理論重新優(yōu)化設計了滾筒的截齒布置形式，使采煤機滾筒截齒布置合理，受力更均勻。

1 問題分析

采煤機工廠型式試驗所模擬的煤壁為沙土、石子與水泥按照一定的比例混合而成的。如圖2所示，采煤機在截割假煤壁發(fā)生悶車時，滾筒狀態(tài)總是處于圖示位置（滾筒平衡鐵連線近似垂直地面）。在不同的牽引速度下均出現(xiàn)此現(xiàn)象。

圖2 滾筒悶車位置

通過對螺旋滾筒的結構進行分析得知：為達到要求的拋煤距離，滾筒螺旋線的設計是變螺距的，而且截齒的排布不均。因此，滾筒受力不平衡，造成了滾筒悶車（如圖3中圈示區(qū)域和陰影區(qū)域所示）。

滾筒在截割到圖3所示陰影的位置時，左側的截齒將要脫離煤壁，右側的截齒剛剛切入煤壁，起主要截割作用的截齒只有一條螺旋線上的4~6個截齒，此時截齒的進刀量最大，受到的截割阻力也最大，從而導致滾筒悶車，而在其他位置時參與截割的截齒都來自兩條螺旋線，滾筒不會發(fā)生悶車。

圖3 截齒排列

圖4 截齒割煤力學模型

2 截齒排列模式的優(yōu)化

2.1 截齒所受平均截割阻力的計算

截齒割煤力學模型如圖4所示。由于同時參與截割的齒數(shù)是變化的，煤層的物理機械性質也是隨機的，因此截齒給予煤層的截割力、截割力矩等動力學參數(shù)也是變化的。采用前蘇聯(lián)的破煤理論建立單個截齒所受平均截割力（kN）的數(shù)學模型為［4-9］：

截齒所受截割阻力Zcp為

式中：Z0為利齒截割所承受的截割阻力，kN；ycp-y0為截齒磨鈍時的牽引力增量，kN；f′為截割阻抗系數(shù)。Z0按下式計算：

將以上各參數(shù)帶入公式中化簡得到下式：

式中：δcm為煤的單向抗壓強度，MPa；Sa為截齒磨鈍后，磨損面在截割平面上的投影面積，m2；Koδ為礦體應力狀態(tài)體積因數(shù)。

2.2 螺旋滾筒上工作截齒所受的平均總截割阻力

螺旋滾筒上工作截齒所受的平均總截割阻力：

式中：KYOXB為被采落煤層厚度對工作機構形成的包絡角對平均截割力的影響系數(shù)；Kcc為考慮到由于超前機構使煤層弱化、工作機構轉向以及截割運動相對于層理的截割方向的系數(shù)；Nc為截齒組數(shù)；Zcpi為第i個截齒的平均截割力，kN；ni為同時工作的一組截齒的個數(shù)。

2.3 最佳截線距的確定

硬煤和韌性大的煤，截線距取小值；軟和脆的煤，應取較大值；在煤壁深部應取小值，接近煤壁表面取大值；且以截槽間無煤脊為準，則最佳截線距為［10-12］

圖5 截齒排列圖

2.4 優(yōu)化結果

通過對截齒受力和最佳截線距的計算分析，得到優(yōu)化后的截齒排列布置圖如圖5。

通過對改進的滾筒再一次進行試驗發(fā)現(xiàn)：新改進的滾筒在截割煤壁的過程中工作平穩(wěn)，拋煤效果理想，很好地解決了滾筒悶車問題，達到了很好的實際使用效果。

3 結論

通過對新型極薄煤層采煤機MG100-145-PFD在實驗的過程中出現(xiàn)的問題進行分析，分析了滾筒截齒的排列方式，找到了問題的原因。在保證拋煤效果的同時，根據(jù)采煤機截齒受力和最佳截線矩的理論重新優(yōu)化設計了滾筒的截齒布置形式，使采煤機滾筒截齒布置合理，受力更均勻，很好地解決了滾筒悶車的問題，提高了采煤機整體運行的平穩(wěn)性和工作的可靠性。

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