采煤機螺旋滾筒故障分析及優化

張復旺

（汾西集團高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

采煤機螺旋滾筒的安全運行是井下采煤作業正常生產的重要保障，由于采煤機工作環境比較惡劣，影響因素較多，采煤過程中巖石及落煤的破壞，使得采煤機上的滾筒往往是最易發生故障的部件，滾筒如果發生故障，綜采的裝煤和落煤就無法繼續正常進行，需要盡快安排維修人員進行搶修。滾筒失效，需要從井下升到地面進行維修，完成之后還得運回井下，極大地耽誤了正常生產的時間，增加了維修成本和經濟支出。所以對采煤機滾筒進行全面的故障分析和改進具有重要意義。

1 滾筒故障位置及原因分析

通過對以往采煤機滾筒故障的統計分析，不難發現發生故障的主要位置是尾部葉片和齒座，所以需要對這兩個部件位置進行重點分析。

1.1 齒座失效

齒座失效主要分為兩方面，一方面是內孔的磨損，另一方面是齒座外圍的磨損，尤其是緊接端盤的齒座最易發生磨損失效。一旦齒座發生磨損故障，截齒就無法安裝在齒座上，滾筒也就無法正常作業。造成內孔磨損的主要原因是截齒所受的載荷力超過了安全載荷，載荷越大，摩擦力也就越大，磨損程度也就變得嚴重；齒座外壁的磨損故障主要是齒座經常與煤壁發生作用，煤壁比較堅硬，就會造成齒座外壁磨損[1]。

對于最易發生磨損的應靠近端盤齒座，主要是因為滾筒端盤一直被煤巖包裹著，所以此處的端盤截齒受到的煤壁作用力更大，齒座內孔發生磨損失效的概率也就較大；而且端盤角度截齒如果出現嚴重磨損且未采取措施，就會引起齒座外壁與煤壁發生磨損，使得外壁出現磨損故障。

如圖1所示，滾筒端盤成棱臺形結構，葉片與端盤結合處會出現兩種截齒無法有效截割的盲區。當滾筒上的截齒截割的是堅硬煤層時，截割面就會不平整出現截割棱條，受到的煤壁反作用力就會增大，截齒內孔磨損加重；截齒經過棱條時，棱條和齒座的摩擦也會加大，從而加劇了外壁的磨損[2]。

圖1 端盤與葉片的截割過渡區

1.2 底端齒座與葉片故障

滾筒在采煤與裝煤的過程中，磨損程度最大的就是底端齒座和尾部葉片，阻礙了滾筒的正常工作；底端齒座磨損將會降低對煤塊的截割直徑，使得葉片磨損故障隱患大幅增加。

磨損必然是由較大的作用力造成的，尾部葉片的作用力主要是滾筒在割煤和裝煤過程中所產生的摩擦力。裝煤時，煤被滾筒周邊葉片通過旋轉助推裝入滾筒中間空槽內，此時葉片與煤巖壁的摩擦力最為突出，造成了葉片較大磨損[3]。所有葉片都會受到磨損，底端磨損嚴重是由于底端葉片受到煤壁阻力較大，煤塊被槽壁阻擋，所以對底端葉片的反作用力也更大，三者之間力的關系如圖2所示。

圖2 碎煤與葉片的相互作用關系

對尾部葉片進行受力分析，當滾筒截割煤塊為粒徑較小的散煤時，利用“散體力學”來分析作用力。底端葉片向前旋轉時，中間空槽的相對間隙會越來越小，煤體與空槽之間產生相對滑移。底端葉片受力如式（1）所示：

式中：ξ是煤巖系數根據煤巖性質而定，通常小于1；l是煤的累積長度；ρ為密度；h是平均厚度。分析力的表達式可知高度和密度是影響作用力的兩個重要因素，當截割巖石時，巖石密度一般比煤體密度更大，使得葉片磨損加劇；當煤的堆積長度累積時，作用力也會變大。有時遇到高夾矸率煤層時，截割不理想，就會使得破碎不完全，留下小塊矸石夾雜在煤體中。這些塊狀巖石會被截齒尖夾在中間松散、破碎，降低巖石與巖片之間的摩擦力，保護葉片；當底端齒座發生磨損故障時就無法有效對夾在中間的巖石進行松散，破碎。破碎過程也會對底部葉片產生較大震動和破壞，加速了葉片的磨損，縮短了滾筒的使用壽命[4]。

2 優化方法

2.1 優化葉片參數

2.1.1 優化截齒排列模型與葉片頭數

齒座內孔的摩擦力主要來源于與內孔連接的滾筒上的受力，受力越大，磨損越大，而截割時滾筒受力又主要與截齒排列模式和葉片個數有關。為了研究這兩種因素對滾筒截割作用力影響的大小，我們采用控制變量法來研究，首先保持葉片個數一致，考查排列方式，然后控制排列方式一致，考查葉片個數對截割載荷的影響，對比分析二者的載荷曲線。

改進前采用3頭順序式排列的Φ1 600 mm×630 mm滾筒，并以此為對照，保持滾筒大小、齒輪個數、角度相同，優化為4頭棋盤式排列的滾筒。兩種對比組的具體排列如圖3所示。

圖3 改進前、后滾筒截齒排列

使用模擬的手段，輸入相同采煤機滾筒運行參數，同樣的地質條件參數，可得下圖所示的載荷仿真曲線。如圖4所示，可以清晰地看到，優化后的滾筒各項參數都有明顯改觀，受力、功率都有所減小，且曲線更平穩，波動幅度不大，說明滾筒的運行更加平穩。因此用4頭棋盤式替換3頭順序式時，滾筒所受作用力減小，摩擦力減小，磨損減小，減少了齒座內孔的摩擦力，延長了滾筒的使用壽命[5]。

圖4 改進前后截割載荷和功率的對比

2.1.2 優化葉片升角

滾筒裝載的體量主要受滾筒上葉片角度的影響。為了使滾筒裝煤能力增強，所以從尾端到出煤處角度不斷增大，這樣在滾筒螺旋進入的時候在推力的作用下可以有效減小煤塊的阻力，使得工作面的煤塊不會堆積，增加了葉片的使用壽命。

2.2 優化端盤補塊

考慮到端盤齒座一直被煤塊包裹著，所受作用力較大，所以必須在齒座上附加截齒數量，使得截齒排列更加緊密。這樣就能增大截齒的截割能力，減小截割阻力，減少磨損。而且由于在過渡區會留下棱條，所以在過渡區要增加截齒數量，保證過渡區截割完整，無棱條。

因此，我們需配備端盤補塊，附加齒座增加截齒數量，保證截割充分，如圖5所示。

圖5 端盤補塊

增加了截齒數量之后，齒座受力就會減小，滾筒運行時采煤效率和安全性也有所提升。中間空槽區增加截齒數量可以減少棱條數量直至無棱條，延緩了磨損程度，極大地增加了滾筒的截割能力與滾筒的使用時間。

2.3 葉片末端齒座的保護

尾部葉片的使用壽命與末端齒座有著緊密聯系，齒座磨損越小，葉片磨損也越小，所以必須采取措施防止齒座磨損。

為了使截齒截割能力突出，需要對截齒在齒座的安裝角度進行設計。一般設計角度都為0°，這樣齒座就不會與煤塊產生正面摩擦，減小了齒座的磨損面積；同時需要在容易磨損的位置處焊接耐磨鐵皮，達到局部保護的目的，減少磨損，增加使用壽命。

3 工程驗證

北嶺煤礦2550綜采工作面煤層較軟，原有采煤機才開采100 m之后，工作面突遇斷層，煤矸石硬度較大，對滾筒、齒座、截齒造成了嚴重磨損，使得滾筒采煤裝煤效率大幅下降，工作面一度停滯不前。

通過上面所述的三種優化方法對參數、端盤補塊、齒座分別進行保護，防損優化。設計4頭棋盤式排列的滾筒同時加裝保護裝置，優化安裝角為0°。使其在該工作面開始運行，持續工作120個工作日后，發現葉片及齒座并無較大磨損故障且磨損程度輕微，滾筒運行工作效率明顯提高，保證了生產的持續進行，井下作業持續生產，工作面穩步向前推進，減少了故障損失發生概率，獲得了良好的經濟效益。

4 結論

1）滾筒磨損部件主要集中在齒座內孔、底端齒座和葉片，需對這三個部件進行集中針對性的防護。

2）葉片磨損程度主要取決于齒座的磨損程度，所以對齒座的防損保護采取優先防護。

3）4頭棋盤式排列的滾筒工作效率與性能優于3頭順序式排列。

4）防損措施要綜合化，不能太過單一，通過多種手段綜合防護，更能延緩磨損，保障作業穩定性。