宋權(quán)

（山西省大同煤礦集團(tuán)地煤公司，山西大同037001）

引言

我國(guó)采煤機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，在可靠性、裝機(jī)功率以及使用壽命等有極大程度的改進(jìn)，主要解決了中厚以及厚煤層的開(kāi)采，但是對(duì)于特殊煤層的開(kāi)展，相應(yīng)的采煤機(jī)設(shè)備發(fā)展還不完善。鉆式采煤機(jī)的應(yīng)用，將在特殊煤層的開(kāi)采方面有積極促進(jìn)作用。通過(guò)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆式采煤機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 鉆式采煤機(jī)鉆具相關(guān)數(shù)學(xué)模型

1.1 鉆頭運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

鉆頭主要是由筋板、螺旋葉片、截齒以及齒座等部分組成，鉆頭采煤功能的實(shí)現(xiàn)主要是靠鉆頭上面的截齒完成，因此，應(yīng)該通過(guò)研究截齒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握截齒不同位置的受力情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭的合理設(shè)計(jì)。鉆式采煤機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，主要發(fā)生兩種動(dòng)作，分別是鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及縱向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)鉆式采煤機(jī)對(duì)特殊煤層的采煤作用。在建立鉆頭運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以針對(duì)其中一個(gè)鉆頭及截齒進(jìn)行研究。建立關(guān)于鉆頭及截齒位置的相關(guān)坐標(biāo)系，以鉆孔中心線、煤壁面以及大地作為坐標(biāo)系上的不同坐標(biāo)軸，這個(gè)坐標(biāo)系的建立，將能用來(lái)判斷鉆頭的位置。另外，在對(duì)截齒位置進(jìn)行確定時(shí)，可將鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線以及鉆頭軸線的表面作為坐標(biāo)系的三個(gè)方向。截齒的截煤作用主要是依靠齒尖來(lái)完成的，可利用齒尖來(lái)表示截齒位置。在相關(guān)空間坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，可利用相應(yīng)的空間方程來(lái)表達(dá)鉆頭在作業(yè)時(shí)的位置以及受力情況[1-2]。

1.2 鉆頭切削模型

鉆式采煤機(jī)主要依靠旋轉(zhuǎn)以及進(jìn)給兩種運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層的開(kāi)采，其工作原理為：在鉆桿的作用下，使得鉆頭向煤層施加軸向推力，促使鉆頭在軸向進(jìn)入一定深度，并且旋轉(zhuǎn)鉆頭將對(duì)煤層展開(kāi)切削工作，從而在這兩種運(yùn)動(dòng)情況作用下，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的采煤作用。其中采煤機(jī)的軸向切削模式模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層在鉆頭軸向方向破碎情況的分析，在對(duì)該模型進(jìn)行分析時(shí)，截齒的切削斷面主要由鉆頭截齒的排列情況來(lái)確定，切削厚度主要是由鉆頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及截齒數(shù)目確定的。切削厚度可用下式表示：

式中：h為切削厚度；v為推進(jìn)速度；m為截齒數(shù)目；n為鉆頭鉆速。

通過(guò)對(duì)鉆頭軸模型展開(kāi)分析，將發(fā)現(xiàn)不同截齒具有同樣的切削厚度，保持在同一平面的各截齒，將實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)切削，因此，可保證在模型分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鉆式采煤機(jī)的鉆頭具有良好的鉆進(jìn)功能。另外，在進(jìn)行鉆頭徑向切削工作情況的分析時(shí)，可建立相應(yīng)的徑向切削模型，截齒主要實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁的截割作用。在這種工作模式下，截齒切削厚度主要由相鄰齒尖在徑向方向的半徑差值決定的，因此，可判斷出不同截齒的切削厚度可能不同，在切削模型的作用下，將對(duì)截齒工作過(guò)程中的切削厚度進(jìn)行判斷[3]。

2 鉆式采煤機(jī)鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉆過(guò)發(fā)揮作用的關(guān)鍵在于鉆頭截齒的選擇，采煤機(jī)的采煤工作主要是依靠截齒來(lái)完成的。鉆式采煤機(jī)在工作過(guò)程中，可能會(huì)遇到夾矸以及割頂?shù)装宓惹闆r，導(dǎo)致截齒在力的作用下發(fā)生偏斜現(xiàn)象，嚴(yán)重的將造成截齒損害。針對(duì)這一現(xiàn)象，應(yīng)該通過(guò)合理選擇截齒材料以及截齒型號(hào)等方面著手，實(shí)現(xiàn)截齒具有承受較大載荷的能力，保證截齒具有較長(zhǎng)的使用壽命。在進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用破煤性能較好的鎬形截齒，在該種截齒的作用下，將能保證應(yīng)力集中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層的破裂。另外，應(yīng)該選擇齒尖較大的截齒，有效降低能耗。同時(shí)為了保證鉆頭能順利進(jìn)入煤層中，應(yīng)該注重鉆頭截齒角度的設(shè)計(jì)，在分析相關(guān)模型的基礎(chǔ)上，可判斷出截齒的出刃方向以及大小將決定鉆頭性能。因此，在設(shè)計(jì)鉆頭的工作角度時(shí)，應(yīng)該以盡可能減少鉆頭與煤層摩擦的角度出發(fā)，設(shè)置較小的切削角，保證切削力、能耗以及煤粉的生成量控制在一定范圍，保證良好的破煤效果。在實(shí)際的采煤過(guò)程中，由于截齒與煤層之間將發(fā)生較大摩擦，導(dǎo)致截齒壽命有所降低。為了保證截齒的工作性能及使用壽命，在設(shè)計(jì)切削角度時(shí)，應(yīng)該使切削角小于截齒的半錐角，保證鉆式采煤機(jī)的良好性能。

2.2 螺旋鉆桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

螺旋鉆桿是鉆式采煤機(jī)的一個(gè)重要組成部分，主要發(fā)揮著傳遞動(dòng)力以及排裝煤的作用，及時(shí)將主機(jī)提供的動(dòng)力傳遞給鉆頭，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭的鉆進(jìn)和割煤作用，又可將破落的煤傳送出工作面。螺旋鉆桿的與截割下的煤的順利排出有緊密聯(lián)系，如果鉆桿設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，將導(dǎo)致部分煤出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，造成卡鉆故障等。因此，應(yīng)該在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)滿足采煤機(jī)工作需求的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，減少鉆具出現(xiàn)偏斜的現(xiàn)象。在螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆桿產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)速度，假設(shè)煤塊與旋轉(zhuǎn)葉片之間的相對(duì)速度為，煤塊運(yùn)動(dòng)的速度便是這兩者合成后的速度，將促使煤塊沿著葉片螺旋的方向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)建立有關(guān)螺旋鉆桿的數(shù)學(xué)模型，將導(dǎo)程及螺旋升角等作為約束條件，并將提高采煤機(jī)的采煤效率作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)分析目標(biāo)函數(shù)與約束條件之間的關(guān)系，能有效保證設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳選擇，實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)[4]。

3 鉆式采煤機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行鉆式采煤機(jī)的總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到煤層厚度與采煤寬度，保證鉆具結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，并能滿足定向鉆進(jìn)的需求，現(xiàn)階段，通常使用三頭鉆結(jié)構(gòu)作為鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。假設(shè)鉆式采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)由3個(gè)鉆頭組成，鉆頭的動(dòng)力分別由鉆桿傳遞，不同鉆頭之間由連接裝置進(jìn)行連接，并且能在剛性結(jié)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)力的傳遞和集中。為了使不同鉆頭在采煤過(guò)程中能相互協(xié)調(diào)，應(yīng)該根據(jù)不同鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置合理的動(dòng)力傳動(dòng)箱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿工作過(guò)程中的穩(wěn)定性，防止鉆具出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象。根據(jù)鉆式采煤機(jī)采煤效率提高的需求，通常將其設(shè)計(jì)為雙主軸的三鉆頭型鉆機(jī)，并且中間鉆頭的直徑比兩側(cè)鉆頭直徑小，同時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)你@頭軸線間距，能保證一定的推進(jìn)速度。另外，為了保證鉆頭在采煤過(guò)程中的穩(wěn)定性，可以采用一線一截齒的設(shè)計(jì)方式，保證截割下的煤具有較大塊度。鉆頭結(jié)構(gòu)采用鎬形截齒這種結(jié)構(gòu)，將保證在應(yīng)用集中的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的破碎作用[5]。

3.2 鉆式采煤機(jī)的工業(yè)性試驗(yàn)

驗(yàn)證鉆式采煤機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，可根據(jù)工業(yè)性試驗(yàn)來(lái)確定。通過(guò)記錄一段時(shí)間內(nèi)該鉆式采煤機(jī)應(yīng)用在工業(yè)中的生產(chǎn)能力、截齒磨損情況等進(jìn)行詳細(xì)記錄。在對(duì)鉆頭性能進(jìn)行判斷時(shí)，可根據(jù)已經(jīng)安裝該類(lèi)型鉆頭的鉆式采煤機(jī)工作情況進(jìn)行分析。例如，韓橋煤礦地面?zhèn)鲃?dòng)箱上安裝了該種鉆頭，通過(guò)對(duì)一段時(shí)間鉆頭的工作情況進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：在相同的工作時(shí)間內(nèi)，與傳統(tǒng)鉆式采煤機(jī)的鉆頭性能相比，該種鉆頭具有較高的生產(chǎn)效率，并且推進(jìn)速度有所提高。這種情況說(shuō)明應(yīng)用三鉆頭結(jié)構(gòu)將能顯著降低軸向阻力，說(shuō)明截齒角度的設(shè)置是合理的。另外，發(fā)現(xiàn)該鉆頭在煤層使用過(guò)程中鉆孔平直，沒(méi)有明顯的截割痕跡，這種情況說(shuō)明鉆頭工作時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，并且鉆頭在破煤時(shí)充分結(jié)合了煤塊的掉落作用。從塊煤率，截齒磨損件情況等角度出發(fā)，將發(fā)現(xiàn)塊煤率有一定程度的提高，截齒磨損情況較為均勻，表明截齒排列設(shè)計(jì)合理。通過(guò)以上闡述可發(fā)現(xiàn)，在分析相關(guān)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將對(duì)鉆式采煤機(jī)的工作情況有一定了解，在這個(gè)基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)鉆頭設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而保證鉆式采煤機(jī)在煤層采煤中的有效應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

鉆式采煤機(jī)在我國(guó)薄煤層的開(kāi)采中有廣泛應(yīng)用，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)鉆式采煤機(jī)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用的研究，將保證鉆式采煤機(jī)在我國(guó)煤層開(kāi)采中充分發(fā)揮作用。針對(duì)鉆式采煤機(jī)在煤層開(kāi)采過(guò)程中，鉆頭可能發(fā)生偏斜現(xiàn)象，相關(guān)技術(shù)人員將研究鉆式采煤機(jī)鉆具以及防偏斜技術(shù)作為一項(xiàng)工作重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄煤層與極薄煤層的有效開(kāi)采和特殊煤層煤資源利用率的提高。

[1]陳祥恩.鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

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