鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)鉆式采煤機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上也得到了不斷的更新和完善。本文以現(xiàn)階段我國(guó)鉆式采煤機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用現(xiàn)狀，以及鉆式采煤機(jī)的發(fā)展為基礎(chǔ)，對(duì)鉆式采煤機(jī)鉆具相關(guān)數(shù)學(xué)模型、鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)三個(gè)方面進(jìn)行闡述研討，并對(duì)現(xiàn)階段鉆式采煤機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問(wèn)題，從而促進(jìn)鉆式采煤機(jī)高效作業(yè)。

關(guān)鍵詞：鉆式采煤機(jī) 設(shè)計(jì) 應(yīng)用研究

鉆式采煤機(jī)是一種適用于薄與極薄煤層開(kāi)采的采煤設(shè)備，還可用于開(kāi)采邊角煤、三下壓煤頂板松軟破碎煤層和回收各種煤柱。利用鉆式采煤機(jī)采煤即能夠在一定程度上提高煤炭的回收率，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人工作面采煤，是一項(xiàng)綠色開(kāi)采技術(shù)，該技術(shù)在煤礦開(kāi)采中有著巨大的市場(chǎng)前景。但是由于我國(guó)對(duì)與鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究還相對(duì)缺乏，導(dǎo)致了鉆式采煤技術(shù)難以滿足我國(guó)煤礦開(kāi)采的需要。基于此，本文將通過(guò)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆式采煤機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 鉆式采煤機(jī)鉆具相關(guān)數(shù)學(xué)模型

1.1 鉆頭運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

鉆式采煤機(jī)的鉆頭主要由筋板、截齒、齒座以及螺旋葉片等組成，鉆頭主要靠其上面的截齒來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆頭的采煤功能，因此應(yīng)該對(duì)鉆頭截齒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律展開(kāi)研究以掌握截齒在各個(gè)位置的受力情況，從而達(dá)到合理設(shè)計(jì)鉆頭的目標(biāo)。鉆式采煤機(jī)在作業(yè)過(guò)程中會(huì)發(fā)生鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)這兩種運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊煤層的采煤工作。建立鉆頭運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型需要建立有關(guān)鉆頭和截齒位置的坐標(biāo)系，從而判定鉆頭位置。將鉆孔中心線、煤壁面、大地作為作為坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸。

另外，對(duì)截齒位置進(jìn)行確定時(shí)可將鉆頭旋轉(zhuǎn)軸線、鉆頭軸線表面作為坐標(biāo)系的三個(gè)方向。利用齒尖表示截齒位置。鉆頭在作業(yè)過(guò)程中的位置、受力情況由相應(yīng)的空間方程表示。

1.2 鉆頭切削模型

鉆頭軸向切削模型可以對(duì)煤層在鉆頭軸向方向破碎情況進(jìn)行分析，在對(duì)鉆頭軸向切削模型進(jìn)行分析時(shí)，鉆頭截齒的排列情況可以確定截齒的切削斷面，鉆頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和截齒數(shù)目可以確定切削厚度，切削厚度用表示，其中為切削厚度，為推進(jìn)速度，、分別為截齒數(shù)目和鉆頭鉆速。通過(guò)對(duì)鉆頭軸模型進(jìn)行分析可知不同截齒具有相同的切削厚度，同一平面的各個(gè)截齒將實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)切削，從而實(shí)現(xiàn)鉆式采煤機(jī)的鉆進(jìn)功能。

2 鉆式采煤機(jī)鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉆式采煤機(jī)在工作時(shí)可能會(huì)遇到夾矸、割頂?shù)装宓惹闆r，導(dǎo)致截齒發(fā)生傾斜并受到一定損害。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)該合理選擇截齒材料和截齒型號(hào)以提升其承載能力，延長(zhǎng)截齒使用壽命。在鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)中一般采用性能較好的鎬形截齒，鎬形截齒能夠保證應(yīng)力集中。

另外，選擇齒尖較大的截齒有助于降低能耗，并且截齒角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于使鉆頭順利進(jìn)入煤層。在鉆頭工作角度的設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置較小的切削角，從而將切削力、能耗、煤粉生成量進(jìn)行有效控制，保證良好的破煤效果。并且為了保證鉆式采煤機(jī)的良好性能，需要使半錐角大于切削角。

2.2 螺旋鉆桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

螺旋鉆桿可以直接影響到煤的順利排出，如果螺旋鉆桿設(shè)計(jì)參數(shù)不合理很容易出現(xiàn)煤堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致卡鉆故障。因此，通過(guò)建立有關(guān)螺旋鉆桿的數(shù)學(xué)模型可以將導(dǎo)程、螺旋升角作為約束條件，并將提高鉆式采煤機(jī)的采煤效率作為目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)對(duì)約束條件和目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，能夠有效保證螺旋鉆桿設(shè)計(jì)參數(shù)，從而使螺旋桿的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。

3 鉆式采煤機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

鉆式采煤機(jī)的總體設(shè)計(jì)需要考慮到煤層的厚度與寬度，保證鉆機(jī)結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性從而滿足定向鉆井的需求。目前，鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一般情況下采用三頭鉆結(jié)構(gòu)，為了使不同的鉆頭在采煤過(guò)程中高度協(xié)調(diào)，應(yīng)根據(jù)鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的不同設(shè)置合理的動(dòng)力傳動(dòng)箱，從而實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)鉆具偏斜現(xiàn)象。根據(jù)鉆式采煤機(jī)采煤效率要求，一般鉆式采煤機(jī)的總體設(shè)計(jì)為雙主軸的三鉆頭鉆機(jī)，兩邊鉆頭直徑大于中間鉆頭，并且為了保證規(guī)定的推進(jìn)速度需要設(shè)置適當(dāng)?shù)你@頭軸線間距。另外，可以采用一線一截齒的設(shè)計(jì)方式保證割下來(lái)的煤塊具有一定塊度，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭在采煤過(guò)程中的穩(wěn)定。

3.2 鉆式采煤機(jī)的工業(yè)性試驗(yàn)

鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)，將鉆式采煤機(jī)投用在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)鉆式采煤機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)能力和截齒磨損情況等進(jìn)行觀察記錄。判斷鉆式采煤機(jī)鉆頭性能需要對(duì)安裝該鉆頭的鉆式采煤機(jī)的作業(yè)情況進(jìn)行有效分析。另外，如果該鉆頭在煤層使用過(guò)程中，出現(xiàn)鉆孔平直和沒(méi)有明顯截割痕跡現(xiàn)象，說(shuō)明鉆頭具有較高的穩(wěn)定性。站在煤塊率和截齒磨損情況來(lái)看，發(fā)現(xiàn)煤塊率明顯升高和截齒磨損情況均勻，說(shuō)明截齒的排列設(shè)計(jì)合理。通過(guò)上述可以看出，對(duì)相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析能夠在一定程度上了解鉆式采煤機(jī)的工作情況，從而做到合理設(shè)計(jì)鉆式采煤機(jī)的鉆頭，使鉆式采煤機(jī)高效穩(wěn)定應(yīng)用得到保障。

結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，鉆式采煤機(jī)廣泛應(yīng)用于我國(guó)薄煤層的開(kāi)采中，對(duì)鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，有助于鉆式采煤機(jī)在煤層開(kāi)采中發(fā)揮出更大的作用，提高鉆式采煤機(jī)的工作效率。而對(duì)于鉆式采煤機(jī)在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)鉆頭偏斜的問(wèn)題，技術(shù)人員將對(duì)鉆具和防偏技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的高效率開(kāi)采，提高特殊煤層煤炭資源的利用率。

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作者簡(jiǎn)介：宋子龍，出生年月1981年7月，性別男，籍貫黑龍江省雙鴨山市集賢縣，民族 漢族，最高學(xué)歷 本科，職稱工程師，研究方向采煤機(jī)設(shè)計(jì)及采煤機(jī)在生產(chǎn)制造方面的改進(jìn)。