滾筒式露天采煤機(jī)截割滾筒設(shè)計(jì)

馬聯(lián)偉

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

滾筒式露天采煤機(jī)是露天煤礦采煤設(shè)備，該設(shè)備集破碎、采掘、裝載、合并穿爆等功能于一體，具有開(kāi)采連續(xù)、工序單一、選采準(zhǔn)確、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛適用我國(guó)不同煤層賦存條件，并可減少二次破碎，降低采煤成本，是采用輪斗挖掘機(jī)、電鏟等主流裝備開(kāi)采工藝的有效補(bǔ)充，對(duì)提高煤炭資源回收率具有重要意義。

目前世界上有20 余家公司生產(chǎn)滾筒式露天采煤機(jī)，其中著名的有德國(guó)Wirtgen 公司的SM 系列，Krupp 公司的KSM 系列，美國(guó)Huron 公司生產(chǎn)的Easi-Miner 系列，山特維克公司生產(chǎn)的VASM 系列，JOY 公司生產(chǎn)的CM 系列，其中Wirtgen 公司的SM3000X 型應(yīng)用廣泛，目前在用約200 余臺(tái)；我國(guó)自20 世紀(jì)90年代初開(kāi)始研制滾筒式露天采煤機(jī)，主要有哈爾濱煤礦機(jī)械研究所研制的CLG300 型和LMG2000 型、中信重型機(jī)械公司研制的CLG-5600 型、河北神風(fēng)公司研制的LMG950 型、遼源金圣公司生產(chǎn)的LMG900A 型和峰峰集團(tuán)天澤公司研制的LMG1150型。因國(guó)內(nèi)缺乏露天截割滾筒設(shè)計(jì)研究，相關(guān)參數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)露天采煤機(jī)的可靠性普遍較低[1-2]。

截割滾筒設(shè)計(jì)參數(shù)繁多，相互關(guān)系復(fù)雜，造成設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，所以有必要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)研究。國(guó)外對(duì)截割滾筒的設(shè)計(jì)研究起步較早，相繼形成了前蘇聯(lián)的“承壓核”理論和英國(guó)伊萬(wàn)思的“最大拉應(yīng)力”理論兩大理論體系，為截割滾筒設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。此外，久易、山特維克等公司以及相關(guān)大學(xué)等成立了截割試驗(yàn)中心，分析煤巖參數(shù)、滾筒截割參數(shù)二者之間的關(guān)系[3-4]。

從截割滾筒的結(jié)構(gòu)和工作原理、截割參數(shù)計(jì)算、布齒設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算等方面，提出滾筒式露天采煤機(jī)的截割滾筒設(shè)計(jì)方法。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

滾筒式露天采煤機(jī)的截割滾筒是一種銑削式破煤機(jī)構(gòu)，其工作原理與結(jié)構(gòu)與井下連續(xù)采煤機(jī)的采煤方式相似。

滾筒式露天采煤機(jī)和井工連續(xù)采煤機(jī)的工作原理相似，均為驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)截齒自上而下銑削煤層，不同之處主要有2 點(diǎn)：①煤層賦存條件的差異性。井下煤層受地壓影響，煤層存在一定的壓酥帶，容易截割崩落式落煤；露天煤層因表面被完全或部分剝離，不易落煤；②開(kāi)采自由面的差異性。開(kāi)采工作中，滾筒式露天采煤機(jī)在拉溝作業(yè)時(shí)有2 個(gè)自由面，正常作業(yè)時(shí)有3 個(gè)或2個(gè)自由面；而井下連續(xù)采煤機(jī)在掏槽作業(yè)時(shí)有1 個(gè)自由面，下切作業(yè)時(shí)為2 個(gè)自由面，采垛作業(yè)時(shí)增加1 個(gè)自由面，因此，從自由面數(shù)量來(lái)講，井下連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采難度較大。

滾筒式露天采煤機(jī)和井下連續(xù)采煤機(jī)的截割滾筒結(jié)構(gòu)相似，兩者均采用橫軸式截割滾筒，截割滾筒式位于機(jī)身前端，可上下調(diào)高運(yùn)行，切割煤層厚度大，切割硬度小，煤質(zhì)粒度小，截割滾筒一般采用三段式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 滾筒式露天采煤機(jī)截割滾筒典型結(jié)構(gòu)

2 截割參數(shù)計(jì)算

以某型露天采煤機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)為例，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算。已知：采高H=5 m，截寬B1=6 m，截深B2=0.8 m，專門開(kāi)采平均f≈2 的煤，截割阻抗AX=360 N/mm，脆性系數(shù)B=2.1，密度γ=1.35 t/m3,滾筒直徑D=1.31 m。

2.1 生產(chǎn)能力

露天采煤機(jī)開(kāi)采作業(yè)循環(huán)工序主要包括掏槽、下切、升刀3個(gè)工序，故一個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間為三者工序時(shí)間之和.

生產(chǎn)能力可由式（1）計(jì)算：

式中 t1——掏槽時(shí)間

t2——下切時(shí)間

t3——升刀時(shí)間

2.2 最大牽引速度

露天采煤機(jī)最大牽引速度主要依據(jù)下切工序作業(yè)時(shí)間和滾筒中心經(jīng)過(guò)的弧長(zhǎng)S 計(jì)算。如圖2 所示，依據(jù)幾何關(guān)系，弧長(zhǎng)S 為：

式中 H1——截割臂回轉(zhuǎn)中心距底板的高度

L1——截割臂回轉(zhuǎn)中心距滾筒中心的距離

最大牽引速度：

圖2 弧長(zhǎng)S 與采高H 的關(guān)系

2.3 滾筒轉(zhuǎn)速

滾筒轉(zhuǎn)速是露天采煤機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一，截齒速度與截齒消耗率正相關(guān)，一般設(shè)計(jì)截齒速度在3.5 m/s 以下。轉(zhuǎn)速主要按滾筒直徑選取，按式（4）[5]計(jì)算。

2.4 切削厚度

切削厚度是切削平面法向截齒軌跡順序之間的距離。計(jì)算切削阻力和比能耗的重要參數(shù)，最大切削厚度hmax按式（5）計(jì)算：

其中，m 為每條截線上的截齒數(shù)，采用棋盤式雙螺旋布齒時(shí)，m=1。

為減少齒座及齒套與煤壁的磨損、避免煤炭發(fā)生二次破碎、降低能耗，最大切屑厚度應(yīng)小于截齒的徑向出刀量Lp，見(jiàn)式（6）。

其中，Lp可由截齒構(gòu)造出刀量和截割角計(jì)算獲得；k 為二次破碎系數(shù)，切向截齒取1～1.2。

2.5 截線距

截線距指相鄰截線的距離，由式（7）確定最佳截線距[5]。

2.6 比能耗法確定截割功率

（1）確定被截割煤層的比能耗，見(jiàn)式（8）。

式中 A——基準(zhǔn)煤截割阻抗，200 N/mm

HWB——基準(zhǔn)煤比能耗，當(dāng)牽引速度為3 m/min 時(shí)，該值取0.44 kW·h/t

（2）截割電機(jī)功率計(jì)算[6]

式中 K1——功率利用系數(shù)，2 臺(tái)驅(qū)動(dòng)時(shí)取0.8

K2——功率水平系數(shù)，當(dāng)采用自動(dòng)牽引調(diào)速和電機(jī)過(guò)載系數(shù)2.6 倍以上時(shí)取1按上述計(jì)算公式，得到滾筒主要設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 滾筒主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 布齒設(shè)計(jì)

按以下原則進(jìn)行布齒設(shè)計(jì)，繪制截齒排列圖，如圖3 所示。

圖3 截齒排列圖

（1）采用雙螺旋棋盤式對(duì)稱結(jié)構(gòu)，截割時(shí)可形成對(duì)稱式截槽以減少側(cè)向力。

（2）端盤與筒體的螺旋線旋向相反，進(jìn)一步抵消相互之間側(cè)向力。

（3）采用沿螺旋滾筒均布布齒方法，保證螺旋線封閉，載荷均衡。

4 載荷計(jì)算與設(shè)計(jì)驗(yàn)證

基于載荷模擬計(jì)算方法[7]編制露采機(jī)滾筒載荷計(jì)算模擬程序，輸入邊界條件，求解滾筒所受載荷。

如圖4、表2 所示，滾筒受到的瞬時(shí)三向阻力為水平截割阻力Rx和豎直截割阻力Ry（側(cè)向力忽略不計(jì)），二者阻力均小于設(shè)計(jì)值，且載荷變異系數(shù)均較小。

圖4 滾筒受到的瞬時(shí)三向阻力曲線

表2 滾筒截煤時(shí)的載荷統(tǒng)計(jì)及設(shè)計(jì)參數(shù)校驗(yàn)

如圖5、表2 所示，滾筒受到的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)阻力矩Mz，該值的變化均小于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩。

綜上，滾筒設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)載荷Rx、Ry、Mz校核，滿足工況要求。

圖5 滾筒受到的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)阻力矩曲線

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)滾筒式露天采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，推導(dǎo)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，提出布齒設(shè)計(jì)和載荷驗(yàn)證方法，形成一套較完整、合理的露天采煤機(jī)滾筒設(shè)計(jì)方法，為滾筒式露天采煤機(jī)的研制提供設(shè)計(jì)參考。