采煤機螺旋滾筒設計軟件開發及截割性能分析

李明昊，牛 昊，范佳藝，喬 捷，趙麗娟

(1.沈陽理工大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110159；2.沈陽航空航天大學 機電工程學院， 遼寧 沈陽 110136；3.遼寧工程技術大學 機械工程學院， 遼寧 阜新 123000；4.遼寧省大型工礦裝備重點實驗室， 遼寧 阜新 123000)

螺旋滾筒是采煤機截割煤巖體的直接機構，其優良的設計對于提高采煤機的工作效率有著重要的影響[1]. 因此，提高螺旋滾筒的設計效率，開發一種采煤機螺旋滾筒設計軟件是十分必要的研究。

采煤機螺旋滾筒的設計大都基于理論公式進行分析，很少開發軟件進行參數化設計[2]，且分析截割性能過程較為復雜和低效。本文以新型爬底板式薄煤層采煤機為研究對象，開發一種螺旋滾筒的設計軟件，以為采煤機螺旋滾筒高效設計提供途徑。

1 采煤機螺旋滾筒設計理論基礎

螺旋滾筒結構參數有：直徑、寬度、葉片頭數、葉片高度、葉片螺旋升角、葉片直徑、筒轂直徑、截齒排列方式、截線距和截齒角度等[3]. 其中，葉片頭數與滾筒截齒排布有關，葉片頭數多則截齒數相應增多，開采效率提高，但是葉片頭數的增加將使裝煤空間變小，降低裝煤效率[4]. 采煤機截槽參數見圖1.

圖1 螺旋滾筒截槽示意圖

由圖1得到切削厚度極大值hmax和截線距極大值tmax之間的關系：

(1)

式中，tmax為截線距極大值，mm；hmax為切削厚度極大值，mm；bp為截齒寬度，mm；φ為崩落角，(°).

程序由MATLAB和EXCEL聯合開發，在EXCEL表格讀取設計參數后，計算截線距的公式為：

tj=2htanφ

(2)

截齒排布有等差、等距兩種設計方案。

在使用等距原則排布時，計算葉片部分的截線條數的公式為：

(3)

在使用等差原則排布時，計算葉片部分的截線條數的公式為：

(4)

式中，?」符號的計算方式為向下取整；Lg為葉片的長度，mm；Lw為1號截齒與螺旋滾筒底端面的距離，mm；d為公差，mm.

依據綜采工作面的條件，確定了螺旋滾筒葉片的頭數和排列方式后，螺旋滾筒截齒的圓周角計算公式為：

(5)

式中，Zi為i號截齒與螺旋滾筒底端面的距離，mm；Dy為螺旋葉片的直徑，mm；αy為螺旋葉片升角，(°).

螺旋滾筒端盤截齒數Wd和截線數Nd計算公式為：

(6)

(7)

式中，L1為螺旋滾筒齒座長度，mm；L2為螺旋滾筒降塵的噴嘴座與兩側間隙的總長度，mm；N為螺旋葉片頭數。

2 螺旋滾筒設計軟件的開發

螺旋滾筒設計軟件開發的流程圖見圖2. 其中需要在EXCEL中添加螺旋滾筒的結構參數、煤巖特性參數以及采煤機運動參數。

圖2 程序總體結構圖

2.1 截齒排列部分

螺旋滾筒截齒設計的流程圖見圖3. 依據式(2)計算得到螺旋滾筒的截線距值，確定排列方式后，利用式(3)計算等距排列的螺旋滾筒參數；利用式(4)計算等差排列的螺旋滾筒參數;利用式(5)確定截齒圓周角，端盤截齒總數和截線總數由式(6)、(7)確定[5-6]. 將計算的數據和繪制截齒排列圖寫入EXCEL的結果顯示界面中。

圖3 截齒排列部分流程圖

2.2 截割性能分析部分

螺旋滾筒截割性能分析的流程圖見圖4. 該模塊可分析螺旋滾筒截割全煤、夾矸和硬結核的截割性能；可模擬螺旋滾筒的瞬時動態載荷；同時程序可計算截割部電機的工作功率、生產率、方正率、切削面積及截割比能耗等性能指標。

圖4 截割性能部分程序流程圖

3 滾筒輔助設計軟件的應用

根據采煤機外形尺寸及工作煤層的煤巖性質等相關參數，結合上述分析，生成截割對象為全煤，煤的堅固性系數為2.0；螺旋滾筒轉數為58 r/min，采煤機牽引速度為10 m/min的螺旋滾筒的截齒排列圖和切削圖,見圖5，6. 利用PRO/E建立的螺旋滾筒三維模型見圖7.

圖5 截齒排列圖

圖6 切削圖

圖7 螺旋滾筒三維模型圖

4 滾筒截割性能研究

以新型爬底板式薄煤層采煤機為研究對象，從如下4個方面分析螺旋滾筒的截割性能。

4.1 螺旋滾筒截線距對截割性能的影響

以兩頭順序式螺旋滾筒為例，改變滾筒截線距，在EXCEL的交互界面輸入設計參數，得到螺旋滾筒截線距對綜合截割性能的影響，見圖8. 綜合截割性能包括切削面積、方正率、截割電機功率、理論生產率、截割阻力及截割比能耗。

圖8 滾筒截線距對截割性能的影響圖

由圖8可知，切削厚度和上、下崩落線長度的差值隨截線距增大而逐漸增大，前者變化規律近似線性增長，后者導致方正率減小。牽引速度不變，理論生產率基本維持在定值。截割電機功率及最大截割阻力隨截線距的增大而降低[7]. 截線距太小會使截得的煤塊過于零碎，導致煤粉太多、截割比能耗相對增大。

4.2 葉片螺旋升角對截割性能的影響

改變葉片螺旋升角，在EXCEL的交互界面輸入設計參數，得到葉片螺旋升角對綜合截割性能的影響，見圖9.

圖9 葉片螺旋升角對截割性能的影響圖

由圖9可知，切削面積隨螺旋升角呈先增后減的趨勢；截割電機功率呈現先減后增的趨勢；最大截割阻力及最大截割比能耗的變化趨勢相似，其整體變化規律均呈現增長趨勢。在全面考慮螺旋升角對各截割性能的影響后，合理選取螺旋升角角度，避免截割電機功率和截割阻力過大同時保證較大的切削面積、較低的粉塵量[8]，以保證采煤機具有較好的截割性能與工作可靠性。

4.3 螺旋滾筒轉速對截割性能的影響

改變螺旋滾筒轉速，在EXCEL的交互界面輸入設計參數，得到螺旋滾筒轉速對綜合截割性能的影響，見圖10.

圖10 轉速對截割性能的影響圖

在牽引速度一定的前提下，采煤機理論生產率基本不變。轉速的增大會導致切削面積隨之減小，同時截齒受到的截割阻力呈線性減弱。在滾筒轉速增大的過程中，截割電機功率及截割比能耗隨之依次增加，其變化規律近似線性。為提高塊煤率，降低粉塵量和截割比能耗，應適當降低滾筒轉速。

4.4 牽引速度對截割性能的影響

改變牽引速度，在EXCEL的交互界面輸入設計參數，得到牽引速度對綜合截割性能的影響，見圖11.

圖11 牽引速度對截割性能的影響圖

由圖11可知,牽引速度的增加導致截割阻力和截割電機功率增加，這是因為截齒受力增加所致；牽引速度的增加，使生產率、方正率和切削面積增加，使截割比能耗以非線性遞減的趨勢變化。

5 結 論

1) 在對煤巖截割機理及螺旋滾筒設計理論研究的基礎上，基于MATLAB和EXCEL的混合編程方法，開發了采煤機螺旋滾筒設計軟件。該軟件可得到螺旋滾筒的設計參數、截齒排列圖、切削圖，實現螺旋滾筒的高效設計。

2) 利用該軟件,可以快速地研究滾筒的各設計參數及其對采煤機截割性能的影響,并利用對比分析法找出最佳的滾筒設計方案，為采煤機螺旋滾筒的設計提供了一種有效的解決途徑，具有一定的工程價值。