采煤機工作機構(gòu)螺旋式滾筒的設(shè)計

張守柱，陶嶸

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

煤礦采煤機的錐型截齒滾筒的主要特點是錐型齒有其固有的技術(shù)特性與優(yōu)點，但擠壓張力的破碎機理又為其帶來固有的缺點：密實核連續(xù)地形成與爆破，使粉塵大的問題無法解決；同時每把截齒都會形成一個連續(xù)的破碎帶,故無法大幅度提高塊煤率。煤巖的抗壓強度遠大于抗剪切及抗拉強度。如何以最少的能耗獲取更多的能源,這是值得思考的問題。

螺旋式滾筒是采煤機區(qū)別于其他礦用機械設(shè)備的一種特殊的專用工作機構(gòu)，由滾筒體、齒座及截齒組成。滾筒體由筒轂、聯(lián)接盤、螺旋式葉片及截齒組件組焊而成。本文針對采煤機滾筒的葉片、齒座、截齒排列等問題進行設(shè)計探討。

1 螺旋式葉片設(shè)計

為提高裝載能力，螺旋葉片可分固定齒座的主葉片和裝載葉片。

1) 主葉片設(shè)計。經(jīng)多年現(xiàn)場經(jīng)驗證明，主葉片應(yīng)向其裝載面方向前傾5°～8°組焊較好,一是有助于抵御截齒截割阻力所產(chǎn)生的力矩，二是可抑制因滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而將剝落的煤巖拋向滾筒后方的機道。

2) 裝載葉片設(shè)計。裝載葉片應(yīng)與傾斜的主葉片再前傾8°～10°,其外徑應(yīng)大于主葉片，二者的外緣應(yīng)呈封閉的坡形結(jié)構(gòu)，以避免滾筒外緣形成破碎帶。為更有效地提高裝載效果，裝載葉片的寬度由滾筒端盤部分，即閉端的最窄處向開端逐步加大到最寬[1]，以達到葉片導(dǎo)程逐步加大的效果，實現(xiàn)螺旋槽中的落煤逐步被加速。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計能確保滾筒的裝載效果，最大限度地減少落煤的二次粉碎。設(shè)置裝載葉片，對裝載能力差的小直徑滾筒極為重要。晉城王臺礦9號煤層先后使用了無裝載葉片直徑φ1 500凱南麥特滾筒，與基于上述理論的具有裝載葉片的直徑φ1 500滾筒(截齒均為30個)進行了對比,其結(jié)果見表1。

表1 凱南麥特滾筒與國產(chǎn)滾筒性能對比表

由表1可知，滾筒的葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅影響煤的二次粉碎及塊煤率，而且還直接影響采煤機功率的消耗及滾筒的使用壽命。

2 齒座設(shè)計

齒座的設(shè)計主要考慮兩點：一是通用性;二是在確保其強度的條件下，最大限度地節(jié)省材料，減少焊接工作量。

從實際使用情況可知,齒座前部表面呈圓弧狀的長柄式結(jié)構(gòu)型式不可取,采用柄部斷面呈梯形前寬后窄的短柄式結(jié)構(gòu)更為合理[2]，主要原因是扁平的前表面(含前部的主焊縫)可有效地避免應(yīng)力集中，從而提高滾筒工作的可靠性。

3 截齒設(shè)計

截齒是采煤機滾筒上非常重要的獨立元件。我國第一代采煤機采用扁截齒,在工業(yè)性試驗中消耗量非常高，為此，1965年開始對截齒進行技術(shù)攻關(guān),研制出現(xiàn)今被廣泛采用的錐型截齒。

3.1 截齒性能分析

3.1.1 錐型截齒主要特點

1) 圓柱形的齒柄對來自任何方向的截割負荷均無敏感的應(yīng)力集中問題。

2) 回轉(zhuǎn)的工作方式使其在截割過程中不承受扭矩。

3) 無鋒利的切削刃，在其截割煤巖過程中，截齒的刃部不易被礦層中的堅硬夾雜物擊破。

4) 45°安裝。一是截割煤巖過程中能產(chǎn)生一個向心的拉應(yīng)力，而煤巖的抗拉強度最低；二是伴隨著截齒截割深度的加大，參與截割的比壓面積增加緩慢，當(dāng)達到一定截深時，截割負荷便不再加大。

因此，對于大功率采煤機高效工作面，錐型截齒非常適用。現(xiàn)今的采煤機功率越來越大，高效工作面越來越多，這正是錐型截齒滾筒被廣泛采用的原因。

3.1.2 錐型截齒主要缺點

1) 因無鋒銳切削刃，導(dǎo)致其破碎煤巖的機理是擠壓張力破煤，破煤過程是在其頭部的擠壓面下形成密實核，由密實核擴大產(chǎn)生的張力將煤巖破碎。截齒的截割過程是一個連續(xù)形成密實核、連續(xù)破碎的過程,因此當(dāng)煤巖被破碎時，被壓成粉的密實核會釋放大量的粉塵，此問題無法解決。同時，擠壓張力破煤的機理和密實核的連續(xù)產(chǎn)生，造成滾筒上每一條截線上的截齒均會形成一個破碎帶，因而采用錐型截齒的采煤機滾筒，要實現(xiàn)大幅度提高塊煤比率是不可能的。

2) 錐型齒的損壞形式是先磨光硬質(zhì)合金頭部周圍的母體，使合金頭因失去有效支撐而被剝落，最終導(dǎo)致截齒失效。此時合金與母體均未得到充分利用。這是由其旋轉(zhuǎn)工作方式所決定的，無法解決。

3) 不適合較小功率的采煤機使用，因其牽引速度慢、單齒的截深小，相對能耗高且粉塵大。

通過對兩個礦區(qū)的井下采煤工作面測試跟蹤，比較了兩種不同類型截齒(錐型齒與扁截齒)的能耗。在單齒截深小于40 mm時，錐型齒的能耗高于扁截齒；而單齒截深大于40 mm時，扁截齒的能耗高于錐型截齒。錐型截齒滾筒的截割功率起點高，能耗的上升速率小；扁截齒滾筒的截割功率起點低，其上升速率大，見圖1。產(chǎn)生這種結(jié)果的關(guān)鍵原因是兩種截齒的安裝方式不同。

圖1 截齒形狀與功率消耗示意圖

3.2 截齒齒形及齒座設(shè)計

筆者曾設(shè)計過一種刃傾角為40°的扁截齒，將其與當(dāng)時廣泛使用的刃傾角為25°的23號齒在晉城王臺礦三號煤礦進行了對比試驗。結(jié)果前者的采煤機功率消耗平均為120 kW，后者的采煤機功率消耗平均為150 kW。這表明， 前者的整個頭部尚未完全楔入煤體，煤已被剝落。

通過對兩種齒型、兩種刃傾角不同的扁截齒的使用，可以得出一個結(jié)論：若能將采煤機滾筒上的截齒楔入煤體的比壓面減少到最小，則可使采煤機截割煤巖過程中的能耗達到最低，粉塵降至最低，煤的塊率達到最高,而這正是采煤機滾筒設(shè)計者所追求的目標(biāo)。

筆者曾為此申請過相關(guān)專利[2]并進行過試驗,但結(jié)果均未能達到預(yù)期的效果:采煤機開槽式楔形齒滾筒，開槽齒易損壞；采煤機楔形齒滾筒,齒耗高，特別是滾筒端盤的大角度齒。為此又產(chǎn)生如下設(shè)想:

1) 圓柱型的齒柄結(jié)構(gòu)是較佳的技術(shù)選擇。試驗所用的楔型齒柄部尺寸為28 mm×45 mm，就抗彎模數(shù)而言，無論縱向、橫向,楔型齒均遠大于U92錐型齒，但使用中出現(xiàn)了折斷與扭曲的情況,表明矩形的齒柄結(jié)構(gòu)不可取，因為在采煤機斜切過程中，若齒柄承受的力來自其尖角的方向，則會由于應(yīng)力集中導(dǎo)致齒柄折斷與扭曲。

2) 錐型截齒的安裝方式極為可取。但對于固定不轉(zhuǎn)的滾筒端盤部分的大角度齒，則應(yīng)考慮因其自行扭轉(zhuǎn)帶來的不利因素。

3) 可以設(shè)計一種新型齒座，該種齒座既能固定錐型齒，又可以固定楔型齒，還可以固定具有剪切功能的，能取代現(xiàn)有扁截齒新型齒。3種截齒均采用圓柱形的齒柄結(jié)構(gòu)與新型齒座，齒座結(jié)構(gòu)見圖2，固定元件見圖3[3]。

圖2 齒座外形圖

圖3 固定元件示意圖

3種齒型均以45°安裝，柄部僅固定部位略有差異，旋轉(zhuǎn)開有環(huán)形槽，不轉(zhuǎn)的在固定部位的兩側(cè)開有腰形槽。上述設(shè)計基于不同的煤質(zhì)應(yīng)采用不同的截割方式，以達到低能耗、低粉塵、高塊煤率的目的。由于現(xiàn)有的錐型齒適用于煤質(zhì)條件復(fù)雜的礦層或用于滾筒端盤部位的大角度截線上，而楔型齒適用于硬而脆的煤層,硬而韌的煤層則采用剪切的方式予以剝落較為合適。因此,合理選擇截割齒齒型是節(jié)省能耗的重要環(huán)節(jié)之一,這也是從截割機理上降低粉塵、提高塊煤率的重要方法。

4 截齒排列

截齒的排列是降低能耗與粉塵、提高塊煤率，確保滾筒工作平穩(wěn)性的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的截齒排列是將端盤齒與葉片齒分別排好后，再將兩個部分相對以2°～5°的間隔轉(zhuǎn)動360°，從中選擇負荷波動最小的作為最佳技術(shù)方案。分析認為，滾筒的兩個部分本是一個整體，應(yīng)作為一個整體來處理。對截齒排列問題，筆者曾申請過專利“采煤機非均布葉片滾筒”，其核心技術(shù)是通過葉片的非均布達到截齒在滾筒的圓周上均勻分布的目的，從而使?jié)L筒的工作負荷波動最小，取得的技術(shù)效果較佳。葉片非均布會導(dǎo)致滾筒重心偏離滾筒的中心，并使?jié)L筒的起動功率加大，但它有益于平衡截割負荷的波動。然而對大直徑滾筒而言，會給截齒的更換帶來不便。故可對截齒和螺旋葉片在滾筒圓周上做均布設(shè)計，實踐表明是可以做到的。以三頭螺旋滾筒為例，若端盤齒為13，葉片齒數(shù)分別為4、4、5，即可讓二者在圓周上均布。關(guān)于端盤齒與葉片齒的截割面積分配的問題，在二者齒數(shù)相等的條件下，端盤齒的截割面積約為葉片齒截割面積的1/3左右較為合理。

5 結(jié)論

采煤機的螺旋滾筒有破煤與裝載兩大功能,合理地選擇破煤機理、相應(yīng)的截齒形式及最佳的截齒排列，可使?jié)L筒上截齒總數(shù)降至最少，從而最大限度地減少煤的一次粉碎。理想的滾筒結(jié)構(gòu)形式，使?jié)L筒擁有最佳的裝載效果，可最大限度地減少落煤的二次粉碎,由此即可為采煤機提供粉塵和能耗低、塊煤率高的最佳工作機構(gòu)。