鉆式采煤機(jī)螺旋鉆桿參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

王曉峰，劉志英

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

鉆式采煤機(jī)螺旋鉆桿參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

王曉峰，劉志英

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

鉆式采煤機(jī)主要是應(yīng)用在較薄煤層開采中的一種開采設(shè)備，螺旋鉆桿主要是鉆式采煤機(jī)傳遞動力、運(yùn)輸煤炭的重要部件，因此螺旋鉆桿的設(shè)計(jì)和使用性能會對整個(gè)鉆式采煤機(jī)的工作性能產(chǎn)生重要的影響。要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)螺旋鉆桿的合理參數(shù)化設(shè)計(jì)，需要對煤塊顆粒和螺旋葉之間的動力學(xué)等關(guān)系進(jìn)行分析，并合理分析參數(shù)化公式，結(jié)合參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，建立用戶界面，從而實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿的自動裝配、干涉檢查等，保證不同參數(shù)系列的模型，最終縮短設(shè)計(jì)的周期，并提高設(shè)計(jì)的效率，實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿產(chǎn)品的系列化和科學(xué)化。

鉆式采煤機(jī)；螺旋鉆桿；參數(shù)化設(shè)計(jì)

隨著采煤業(yè)相關(guān)機(jī)械和設(shè)備等的不斷發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)條件也逐漸成熟。鉆式采煤機(jī)主要應(yīng)用在較薄層的煤層開發(fā)中，該設(shè)備的使用大大提升了煤炭的資源回收率，對節(jié)約社會資源等有重要意義。

從部件功能來講，螺旋鉆桿在整個(gè)采煤機(jī)作業(yè)中有著重要作用，是其快速優(yōu)質(zhì)采煤的重要影響部分，所以需要重視其參數(shù)化設(shè)計(jì)，需要對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行認(rèn)真分析，在此基礎(chǔ)上對螺旋鉆桿的主要參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并結(jié)合公式，借助相關(guān)軟件研究其程序的參數(shù)、原則等，實(shí)際應(yīng)用中還需要結(jié)合具體采煤情況，對螺旋桿零件和裝配件進(jìn)行分析，并檢查其是否符合工作要求，從而最終實(shí)現(xiàn)鉆式采煤螺旋桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高采煤的效率和質(zhì)量。

1 螺旋鉆采煤機(jī)相關(guān)概述

我國目前對螺旋采煤法的研究較多，應(yīng)用不斷擴(kuò)大，其主要是運(yùn)用于淺層的煤層開采中，屬于無人工作面的開采法。該設(shè)備的研究和使用改變了傳統(tǒng)薄煤層開采中回踩工人在工作面中需要爬行工作的方式，是采煤方式的巨大變革，也在很大程度上保障了采煤工作的安全性。

螺旋鉆采煤機(jī)可以實(shí)現(xiàn)巷道兩側(cè)雙向的鉆孔采煤，并且在不需要其他設(shè)備輔助的條件下實(shí)現(xiàn)落煤的回收工作，因此，這樣大大減少了采煤工作的工序。其關(guān)鍵的施工設(shè)備即是螺旋采煤機(jī)，主要由主機(jī)、多功能操作臺及液壓泵站等多個(gè)設(shè)備組成，螺旋鉆采煤機(jī)主要是由螺旋鉆具工作，包括鉆頭和螺旋桿等組成，鉆具部分主要根據(jù)具體的開采條件，來進(jìn)行鉆頭的安裝，一般可安裝2～4個(gè)鉆頭，如如果是平地進(jìn)行煤層開采，需要2～3個(gè)鉆孔，保證能部分地對鉆孔間媒枝進(jìn)行破碎，鉆孔的密度可以適當(dāng)增加到2.7m左右，保證提高煤炭資源的回收率。鉆具上安裝五種傳感器，對鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛取@頭的旋轉(zhuǎn)扭矩及鉆孔導(dǎo)向等進(jìn)行監(jiān)控，了解鉆頭和煤層頂?shù)装鍘r層的間隙等，并通過多功能控制裝置從而實(shí)現(xiàn)集中控制，能很好地解決鉆孔的導(dǎo)向。

2 螺旋鉆桿的介紹

2.1 結(jié)構(gòu)分析

由圖1可知，導(dǎo)向連接軸的作用不可忽視，主要引導(dǎo)后一節(jié)鉆桿與前一節(jié)鉆桿的插入連接，在退桿過程中需要承受一定的拉力，通過上環(huán)形槽與前一節(jié)的凹聯(lián)接器進(jìn)行聯(lián)接配套，最終達(dá)到固定鉆桿的目的，避免在退桿中鉆桿脫開的現(xiàn)象。

2.2 輸煤機(jī)的原理

其原理分析需要對螺旋距離、多螺旋頭、螺旋軸線、煤顆粒等進(jìn)行分析，主要是對其受力分析進(jìn)行分析。

3 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)分析

近些年來，螺旋鉆桿采煤機(jī)的應(yīng)用也逐漸增廣，其在淺層采煤作業(yè)中起著重要的作用。國內(nèi)外都逐漸采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，對螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，采煤機(jī)鉆桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)對在裝機(jī)功率、生產(chǎn)率及當(dāng)前制造工藝的條件下，能研究出最優(yōu)的鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，從而保證采煤的平均塊度，減少浮煤量和煤塵量，采煤機(jī)的能耗量較少，同時(shí)其鉆桿的載荷波動較小，壽命長。但是常見的設(shè)計(jì)沒有考慮到影響螺旋狀安結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)因素，因此相關(guān)的設(shè)計(jì)方干很難更好地符合客觀的實(shí)際。所以需要對采煤機(jī)螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)化數(shù)學(xué)模型的建立

結(jié)合相關(guān)的理論，對螺旋鉆桿裝煤的生產(chǎn)率作為目標(biāo)函數(shù)，并分析影響其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)等可變參數(shù)，將其作為設(shè)計(jì)變量，并編程計(jì)算，得到影響鉆桿裝煤生產(chǎn)率的可變參數(shù)，保證在其最優(yōu)值的前提下實(shí)現(xiàn)裝煤生產(chǎn)率的最大化，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為鉆桿設(shè)計(jì)、制造等研究提供參考。

3.2 螺旋鉆桿主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

螺旋鉆桿主要參數(shù)包括其外徑（設(shè)為D），螺旋內(nèi)徑d，距離S，葉片的厚度t，在模塊化設(shè)計(jì)自動裝配的過程中，則需要根據(jù)相關(guān)的參數(shù)完成創(chuàng)建的整個(gè)過程。

（1）螺旋葉片。螺旋葉片上任意一點(diǎn)的法線與螺旋軸線的夾角可以稱之為該點(diǎn)的螺旋角升角，

公式為：

其中，Di表示螺旋葉片某點(diǎn)的直徑。由公式（1）可推導(dǎo)：

上述公式中，L為螺旋葉片外援的螺旋升角；l表示螺旋葉片內(nèi)緣的螺旋升角，一個(gè)螺距內(nèi)螺旋葉片外緣螺旋線長和一個(gè)螺距內(nèi)旋葉片內(nèi)緣的螺旋線長。

（2）螺旋鉆桿轉(zhuǎn)速的分析。螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速大小對采煤質(zhì)量及速度都會產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)其轉(zhuǎn)速較大或較小時(shí)，會打破煤承受力的平衡度，這種條件下其轉(zhuǎn)動方向就會產(chǎn)生離心力，煤在垂直于輸送方向出現(xiàn)跳躍，最終會降低其傳輸?shù)男?，因此，必須避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就需要對速轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定的分析和控制，此外，還需要注意的是，葉片處的離心力最大，在分析其轉(zhuǎn)速時(shí)需要對葉片處的受力考慮進(jìn)去。

（3）對煤顆粒運(yùn)動的分析。在對采煤機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)等選擇中，還需要對煤顆粒進(jìn)行分析，煤顆粒會對旋轉(zhuǎn)螺旋產(chǎn)生一定的作用和影響，會對螺旋運(yùn)動帶來變化，對煤顆粒速度的計(jì)算可以采用矢量三角形的方法進(jìn)行求解。

3.3 螺旋鉆桿參數(shù)化設(shè)計(jì)

（1）螺旋鉆桿零件的組成。研究表明，DriveWorks Solo軟件有助于實(shí)現(xiàn)零件的自動創(chuàng)建及組裝，在實(shí)現(xiàn)的過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況，對螺旋鉆桿的按照配合等進(jìn)行生成，結(jié)合實(shí)際的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立相關(guān)產(chǎn)品系列庫。

（2）在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，還要結(jié)合用戶的需求，對基本的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和選擇，保證在短時(shí)間內(nèi)形成產(chǎn)品。但如果為現(xiàn)有的產(chǎn)品，也可以直接調(diào)用，對其中涉及到的新型的參數(shù)問題，需要結(jié)合具體的情況對相關(guān)的零部件進(jìn)行自動生成和裝配，在此基礎(chǔ)上對螺旋鉆桿進(jìn)行性能的分析，并根據(jù)其強(qiáng)度輸出結(jié)果。

4 結(jié)語

綜上所述，采煤機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中需要積極運(yùn)用新的技術(shù)，積極研究螺旋鉆桿采煤機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對其參數(shù)化設(shè)計(jì)，能保證其工業(yè)裝配的要求，同時(shí)有效提升產(chǎn)品的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，能不斷減少產(chǎn)品建模的時(shí)間，從而提升工作效率，在淺層采煤作業(yè)中應(yīng)用較多。本文主要結(jié)合鉆式采煤機(jī)的發(fā)展和工作概況，對鉆式采煤機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

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TD421.6

A

1671-0711（2016）12（下）-0119-02

2016年河南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（162102310239）。