采煤機螺旋滾筒失效原因分析與改進措施研究

王保同

（山西煤炭運銷集團掌石溝煤業有限公司，山西高平 048400）

對于采煤機來講，螺旋滾筒是其一個非常重要的組成部分，其主要工作于環境較為惡劣的綜采工作面。由于被復雜多變的煤層地質條件所影響，因此滾筒是采煤機中最容易被磨損以及失效的部件。假使滾筒出現失效的狀況，那么其落煤以及裝煤的作用將難以實現，這時便需要升井進行維修。滾筒自井下運送至地面維修之后，然后運送至井下進行安裝，此過程既對正常的生產活動造成了一定的影響，同時也浪費了較多的物力以及人力。針對此種情況，對采煤機滾筒失效的因素進行分析，并指出對應的改進方式，這對于滾筒使用壽命的延長以及生產效率的提升能起到關鍵性的作用。

1 滾筒失效的形式與因素分析

通過觀察統計眾多的失效滾筒以及和使用者之間的溝通交流而分析出：大體上，滾筒失效涵蓋兩種形式，即尾部葉片失效以及齒座失效。

1.1 齒座失效

截齒的承載體為齒座，假使齒座失效，那么截齒便不能安裝，并對滾筒的正常截割造成不利的影響。齒座失效涵蓋了齒座外壁以及內孔的磨損失效，尤其突出的是端盤周邊齒座。

在對相關因素分析后發現，齒座內孔的磨損與截齒受到的截割載荷存在著關聯性，截齒截割載荷與它對齒座內孔的作用力之間存在著正相關關系。齒座外壁所形成的磨損是受到了煤壁和齒座的干涉所導致的。在煤壁以及齒座產生直接性的接觸時，磨損便會出現在齒座的外壁上。

就端盤周邊齒座來講，由于滾筒端盤一直工作于煤壁的深處，此處的煤壁頂板具有相對較弱的壓酥效應，而且端盤的角度截齒處在半封閉的截割狀態中。所以，端盤周邊截齒受到的截割阻力越大，那么就會加快齒座內孔的磨損速率；在端盤角度截齒由于磨損而失效，且并未將其換掉時，那么安裝角度截齒的齒座便會和煤壁之間形成接觸，也就造成了齒座外壁磨損的產生[1]。

除此之外，因為滾筒端盤的結構為碟形，葉片齒座都是零度角分布，端盤以及葉片的交接處會存在著較大葉片截齒以及端盤截齒都難以截割的過渡區，如圖1。如果崩落效應不夠明顯的硬質煤巖是滾筒的截割對象時，則會由于不平衡的截割而將棱條遺留下來，棱條附近截齒的截割狀態與半封閉截割相接近，加大了截割阻力，同時也增加了齒座內孔的磨損；棱條和齒座之間的相互接觸，也會造成磨損發生于齒座的外壁上。

圖1 端盤與葉片的截割過渡區

1.2 尾部葉片與末端齒座失效

在應用滾筒時，末端齒座以及尾部葉片便會形成程度不同的磨損，更甚者則會造成失效，如圖2。嚴重的磨損出現在葉片的尾部，其對于滾筒正常的裝載造成了一定程度的影響；由于末端齒座的磨損發生失效，進而對滾筒的截割寬度產生了一定的影響，而且會導致尾部葉片磨損速率的加快。

圖2 滾筒尾部葉片末端齒座磨損

在對其原因進行分析后，則會發現尾部葉片出現了較為嚴重的磨損，那么必定是因為此處存在著巨大的作用力。裝煤以及割煤工作主要由滾筒來實施，此作用力主要由滾筒的裝煤過程所產生[2]。

在裝煤時，葉片通過螺旋所具有的推力而把煤送至運輸機的中部槽中，這個過程決定了葉片受力與葉片磨損。在推煤的過程中，葉片外緣都參與其中，但是卻只有尾部葉片被嚴重地磨損，那么即表明了在推煤的過程中，煤體由于被中部槽所阻擋，進而形成一定的阻力，圖3為煤體、中部槽以及尾部葉片之間的關聯。

圖3 碎煤與葉片的相互作用關系

假使煤體是碎煤（較小塊度），那么便可以通過“散體力學”的相關理論來對其受力情況進行分析。在滾筒轉動的過程中，尾部葉片便會轉動至最低點，這時中部槽和葉片之間的相對位置便會更為接近，煤體受到推移且沿著圖3中的滑移面進行相對運動，那么尾部葉片受到的合力是：

F=h2ρlgξ∕2

對于上式來講，h所代表的是煤的平均堆積厚度（單位m）；ρ所代表的是煤體的密度（單位kg∕m3）；l所代表的是煤的堆積長度，根據平面應力狀態而進行討論，所以l為1米；g所代表的是重力加速度；ξ所代表的是和煤的特性等因素相關的系數[3]，ξ小于1。

通過上式便可以看出：煤的密度P以及堆積高度h決定了作用力F的大小。在滾筒對具有較高夾研率的煤層進行截割時，因為煤密度低于研石密度，所以相比較于普通煤層的截割，尾部葉片會受到更高的作用力；如果滾筒的裝煤效果不太好，煤的堆積高度便會上升，那么作用力也隨之增加。

在滾筒對具有較高夾研率的煤層進行截割時，因為煤的脆性遠高于研石，因此將其破碎存在著較大的困難，如圖4。當葉片逐漸地轉動至最低點，且和中部槽的間距變小時，塊狀體就像“楔子”一樣被夾在其中直到將其破碎[4]。

圖4 塊煤與葉片的相互作用關系

2 改進措施

2.1 葉片參數的改進

2.1.1 葉片頭數與截齒排列方式的改進

滾筒截割載荷和齒座內孔的磨損存在著一定的關聯性。此外，滾筒截割載荷也和截齒排列形式的選擇以及葉片頭數之間存在著直接的關聯。為了對滾筒截割載荷受截齒排列方式以及葉片頭數的影響進行探究，選取相同的運行參數以及結構尺寸而模擬兩種不同截齒排列方式以及葉片頭數的滾筒，對比以及分析其載荷曲線以及切屑圖曲線。

將某常規3頭順序式排列的?1 600 mm x 630 mm滾筒（稱其為“改進前滾筒”）視為比較的對象，在葉片升角、截齒數目相近，以及滾筒截深、直徑一致的前提下，將其更換為改為4頭棋盤式排列的滾筒（稱其為“改進后滾筒”），圖5為兩種滾筒的截齒排列[5]。

圖5 改進前、后滾筒截齒排列

將滾筒改進后與改進前相比，可以顯著地看出它的主截割區域切屑斷面相對較為方正，那么則說明了其截齒受到了更為均衡的側向載荷。并且與改進前相比，它的截割功率以及載荷都會更小。

2.1.2 葉片升角的改進

葉片升角的選取對于滾筒的裝載性能存在著直接的影響。為了促使滾筒裝載能力得到改善，可以借助變升角的葉片設計，也就是自端盤處至出煤處，葉片的升角逐漸上升。此種設置形式能夠促使出煤處的煤流擁擠問題得到有效的緩解，這對于緩解尾部葉片所受到的磨損是極為有利的[6]。

2.2 端盤補塊的布置

由于端盤處齒座處于較為惡劣的工作環境中，為了降低此處截齒所受到的截割阻力以及齒座磨損，則應當配置數量更多的截齒于端盤處。此外，為了防止端盤和葉片交接處截割頂板時出現棱條，那么則需要將過渡截齒增添于截割區域中。

為了更好地將以上問題予以處理，則可以布置端盤補塊于端盤下方的兩個葉片間[7]。

2.3 葉片末端齒座的保護

因為葉片末端齒座失效會對滾筒截割的寬度造成一定的影響，而且會加快尾部葉片的損耗，因此需要有效地維護好此處的齒座。

為確保截割的正常進行，截齒安裝角大多是0°。然而，對于葉片末端齒座而言，常規安裝角會使此處齒座對堆積的落煤進行截割，從而造成了磨損失效速度的加快。因為被工作面自由度以及頂板壓酥所影響，末端齒座截割處所受到的截割阻力則會較低。所以，可以適當地調整末端齒座的安裝角度，使得此齒座得到保護[8]。

3 結論

（1）滾筒失效的形式主要為：葉片末端與尾部葉片齒座磨損失效、端盤處齒座外壁與內孔磨損失效。

（2）葉片末端齒座磨損失效會促使尾部葉片磨損加快。

（3）保護葉片末端齒座、布置端盤補塊、以及改進滾筒葉片的參數，有利于防止滾筒出現失效過早的情況，并促使其使用壽命的延長。