郭仕棟

（山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

隨著我國煤礦開采趨勢的變化，采煤機(jī)截割性能標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了很大變化。 以往開采較少的薄煤層、煤矸石煤層現(xiàn)在開采較多，對采煤機(jī)滾筒的可靠性、切削效率、破巖性能和結(jié)構(gòu)形式的要求都相應(yīng)有所提高。 采煤機(jī)滾筒是切割和輸送煤炭的主要部件，它消耗了整個采煤機(jī)80%～90%的功率[1]。它的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是否合理直接影響到采煤機(jī)的生產(chǎn)率、能耗和使用壽命。 因此，需要對滾筒進(jìn)行研究，尋找具有不同結(jié)構(gòu)的新型滾筒。 目前國內(nèi)使用的采煤機(jī)滾筒截齒直徑基本相同，截齒的載荷條件較好，但截割性能不佳，截割比消耗高。 煤的特性（抗壓力而不是抗張力）沒有得到有效利用[2]。因此，如何利用煤炭的特性來開發(fā)一個強(qiáng)大而有效的滾筒是一個亟待認(rèn)真研究的課題。

1 新型采煤機(jī)滾筒試驗臺布置設(shè)計

不同專業(yè)技術(shù)人員對采煤機(jī)滾筒的研究是從不同角度展開的，但都局限于現(xiàn)有滾筒的設(shè)計準(zhǔn)則和國家安全規(guī)范的要求。 根據(jù)相關(guān)研究成果，采用模擬分析的方法研究截齒載荷的分布規(guī)律，得出截齒載荷的最大值服從正態(tài)分布，這種研究方法為研究截齒載荷分布規(guī)律提供了理論指導(dǎo)。 部分研究人員也分析了葉片螺旋角與切割效果之間的關(guān)系，利用線性回歸法得到了切割公式[3]。 在此基礎(chǔ)上，采煤機(jī)滾筒的截齒螺旋角的設(shè)計以最小波動系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，研究了不同截齒排列方式下截齒滾筒的波動特性，為選擇滿足不同要求的滾筒提供了理論依據(jù)。

基于原有研究的基礎(chǔ)之上本次主要研究了截齒排列與滾筒轉(zhuǎn)速、運輸速度之間的關(guān)系，得到了不同截齒排列的滾筒的運輸速度；分析了滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)與切削性能指標(biāo)（切削效率、切削用量、塊度）之間的關(guān)系，為滾筒的設(shè)計提供了理論依據(jù)。 從以上所述，現(xiàn)有的滾筒截齒的排布方式都是依照現(xiàn)有滾筒截齒的設(shè)計風(fēng)格，沒有發(fā)展出任何新的強(qiáng)大和高效的滾筒[4]。 為此，采用一種新的結(jié)構(gòu)形式研制了一種新型滾筒，并在煤巖切割試驗臺上進(jìn)行了切割試驗。 煤巖切割試驗臺如圖1 所示。

圖1 煤巖切削試驗臺設(shè)計

2 新型采煤機(jī)滾筒截齒優(yōu)化設(shè)計

為了利用煤在切削過程中的抗壓不抗拉特性，研制了一種新型結(jié)構(gòu)滾筒的截齒排布方式，并考慮了滾筒軸向力的平衡。 滾筒結(jié)構(gòu)包括滾筒輪轂、螺旋葉片、面環(huán)、截齒塊和截齒。 螺旋葉片直徑可變，面環(huán)截齒直徑最小，最大直徑截齒位于滾筒輪轂中間位置。 滾筒兩端直徑相等，最大直徑是最小直徑的1.1～1.3 倍，整個滾筒結(jié)構(gòu)呈滾刀式，截齒最大直徑的傾角為0°，其他截齒為5°～15°，以最大直徑的位置為邊界，工作面環(huán)側(cè)截齒傾斜到煤壁，其他截齒傾斜到采空區(qū)。 端環(huán)截齒沿圓周線均勻分布，端環(huán)截齒傾角為5°～45°[5]。新滾筒和現(xiàn)有滾筒的比較如圖2 所示。

圖2 新滾筒截齒排布對比

3 工程實驗研究結(jié)果分析

3.1 實驗前模型建立

根據(jù)實際工程工況條件，采煤機(jī)滾筒的動態(tài)分析通常是用單錐截齒模型進(jìn)行的，簡化模型如圖3 所示。 單錐截齒更利于模型簡化，但該簡化模型無法考慮采煤機(jī)滾筒上各錐齒之間對煤的相互影響。 有鑒于此，本文準(zhǔn)備建立具有多個錐形截齒和螺旋葉片的采煤機(jī)滾筒模型。 與圖3 中的單個錐形截齒和煤巖模型相比，新型采煤機(jī)滾筒不僅改進(jìn)了多個錐形截齒、固定底座和螺旋刀片，而且還考慮了多種因素。 因此，采煤機(jī)滾筒模型更加接近到實際工作環(huán)境，它比單位模型更可靠[6]。此外，采煤機(jī)滾筒的運行參數(shù)如3.2 節(jié)所示。 至此，模擬所需的參數(shù)已經(jīng)完成，接下來需要在煤巖切削試驗臺中進(jìn)行一些其他工程實驗操作。

圖3 單錐截齒切削模型

3.2 工程實驗分析

為了比較新型滾筒和現(xiàn)有滾筒的切割性能，在煤巖切削試驗臺上進(jìn)行了切割試驗。 試驗中，模擬煤壁抗壓強(qiáng)度為1.97 MPa，滾筒轉(zhuǎn)速為125 r/min，平均牽引速度為0.65 m/min，葉片螺旋角為25 °，截齒排列順序，滾筒為雙向布置的啟動螺旋葉片，截割線間距為30 mm，截割網(wǎng)為210 mm。 試驗滾筒和截齒的狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 工程試驗后滾筒和截齒的狀態(tài)

不同滾筒的切削扭矩如圖5 所示。 為了研究不同結(jié)構(gòu)滾筒的切削性能，對切削扭矩進(jìn)行了統(tǒng)計分析，如表1 所示。 新型滾筒的切削扭矩和標(biāo)準(zhǔn)差大于表1 中的現(xiàn)有滾筒，表明新型滾筒的負(fù)荷波動較大。 為了比較兩種滾筒的截割比耗和塊煤百分比，對截割煤進(jìn)行稱重和截割顆粒分級，結(jié)果如圖6 所示。 根據(jù)理論公式計算截割比耗并計算滾筒的切割比消耗，結(jié)果如表2 所示。 比較滾筒的塊煤百分比，結(jié)果如表3 所示。

圖5 不同滾筒切削扭矩對比

表1 切削扭矩的統(tǒng)計分析

圖6 滾筒切削煤炭顆粒的等級

表2 切割滾筒的特殊消耗量統(tǒng)計

表3 滾筒切削煤炭顆粒的累積百分比統(tǒng)計

4 結(jié)語

本次研究實驗一方面研究了滾筒截齒的排布位置對煤炭開采的影響；另一方面，還討論了在不同巖石分布下切割巖石時作用在采煤機(jī)滾筒截齒上的扭矩。 同時也嘗試找到采煤機(jī)滾筒截齒排布得相對合理位置，以盡量減少振動和切割力。 根據(jù)煤炭的特點，還研制了一種新型結(jié)構(gòu)形式的滾筒，該種滾筒具有抗壓性能好、抗拉性能差的特點。 通過在煤巖切削試驗臺上進(jìn)行切割試驗，獲得了一些有實際應(yīng)用價值的結(jié)果。 新型滾筒的塊煤率比現(xiàn)有滾筒的塊煤率提高了3%，而切割比消耗基本相同。 因此，新型滾筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)于現(xiàn)有滾筒，有利于提高采煤機(jī)的截割性能和煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 研究成果為礦井采煤機(jī)的新型結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。