滚筒式露天采煤机截割滚筒设计

马联伟

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

滚筒式露天采煤机是露天煤矿采煤设备，该设备集破碎、采掘、装载、合并穿爆等功能于一体，具有开采连续、工序单一、选采准确、机动灵活等优点，可广泛适用我国不同煤层赋存条件，并可减少二次破碎，降低采煤成本，是采用轮斗挖掘机、电铲等主流装备开采工艺的有效补充，对提高煤炭资源回收率具有重要意义。

目前世界上有20 余家公司生产滚筒式露天采煤机，其中著名的有德国Wirtgen 公司的SM 系列，Krupp 公司的KSM 系列，美国Huron 公司生产的Easi-Miner 系列，山特维克公司生产的VASM 系列，JOY 公司生产的CM 系列，其中Wirtgen 公司的SM3000X 型应用广泛，目前在用约200 余台；我国自20 世纪90年代初开始研制滚筒式露天采煤机，主要有哈尔滨煤矿机械研究所研制的CLG300 型和LMG2000 型、中信重型机械公司研制的CLG-5600 型、河北神风公司研制的LMG950 型、辽源金圣公司生产的LMG900A 型和峰峰集团天泽公司研制的LMG1150型。因国内缺乏露天截割滚筒设计研究，相关参数凭经验和类比设计，导致国内露天采煤机的可靠性普遍较低[1-2]。

截割滚筒设计参数繁多，相互关系复杂，造成设计过程繁琐，所以有必要进行相关参数的设计研究。国外对截割滚筒的设计研究起步较早，相继形成了前苏联的“承压核”理论和英国伊万思的“最大拉应力”理论两大理论体系，为截割滚筒设计奠定了理论基础。此外，久易、山特维克等公司以及相关大学等成立了截割试验中心，分析煤岩参数、滚筒截割参数二者之间的关系[3-4]。

从截割滚筒的结构和工作原理、截割参数计算、布齿设计、载荷计算等方面，提出滚筒式露天采煤机的截割滚筒设计方法。

1 结构及工作原理

滚筒式露天采煤机的截割滚筒是一种铣削式破煤机构，其工作原理与结构与井下连续采煤机的采煤方式相似。

滚筒式露天采煤机和井工连续采煤机的工作原理相似，均为驱动旋转截齿自上而下铣削煤层，不同之处主要有2 点：①煤层赋存条件的差异性。井下煤层受地压影响，煤层存在一定的压酥带，容易截割崩落式落煤；露天煤层因表面被完全或部分剥离，不易落煤；②开采自由面的差异性。开采工作中，滚筒式露天采煤机在拉沟作业时有2 个自由面，正常作业时有3 个或2个自由面；而井下连续采煤机在掏槽作业时有1 个自由面，下切作业时为2 个自由面，采垛作业时增加1 个自由面，因此，从自由面数量来讲，井下连续采煤机开采难度较大。

滚筒式露天采煤机和井下连续采煤机的截割滚筒结构相似，两者均采用横轴式截割滚筒，截割滚筒式位于机身前端，可上下调高运行，切割煤层厚度大，切割硬度小，煤质粒度小，截割滚筒一般采用三段式结构，如图1 所示。

图1 滚筒式露天采煤机截割滚筒典型结构

2 截割参数计算

以某型露天采煤机设计指标为例，进行相关参数计算。已知：采高H=5 m，截宽B1=6 m，截深B2=0.8 m，专门开采平均f≈2 的煤，截割阻抗AX=360 N/mm，脆性系数B=2.1，密度γ=1.35 t/m3,滚筒直径D=1.31 m。

2.1 生产能力

露天采煤机开采作业循环工序主要包括掏槽、下切、升刀3个工序，故一个作业循环时间为三者工序时间之和.

生产能力可由式（1）计算：

式中 t1——掏槽时间

t2——下切时间

t3——升刀时间

2.2 最大牵引速度

露天采煤机最大牵引速度主要依据下切工序作业时间和滚筒中心经过的弧长S 计算。如图2 所示，依据几何关系，弧长S 为：

式中 H1——截割臂回转中心距底板的高度

L1——截割臂回转中心距滚筒中心的距离

最大牵引速度：

图2 弧长S 与采高H 的关系

2.3 滚筒转速

滚筒转速是露天采煤机的主要运动参数之一，截齿速度与截齿消耗率正相关，一般设计截齿速度在3.5 m/s 以下。转速主要按滚筒直径选取，按式（4）[5]计算。

2.4 切削厚度

切削厚度是切削平面法向截齿轨迹顺序之间的距离。计算切削阻力和比能耗的重要参数，最大切削厚度hmax按式（5）计算：

其中，m 为每条截线上的截齿数，采用棋盘式双螺旋布齿时，m=1。

为减少齿座及齿套与煤壁的磨损、避免煤炭发生二次破碎、降低能耗，最大切屑厚度应小于截齿的径向出刀量Lp，见式（6）。

其中，Lp可由截齿构造出刀量和截割角计算获得；k 为二次破碎系数，切向截齿取1～1.2。

2.5 截线距

截线距指相邻截线的距离，由式（7）确定最佳截线距[5]。

2.6 比能耗法确定截割功率

（1）确定被截割煤层的比能耗，见式（8）。

式中 A——基准煤截割阻抗，200 N/mm

HWB——基准煤比能耗，当牵引速度为3 m/min 时，该值取0.44 kW·h/t

（2）截割电机功率计算[6]

式中 K1——功率利用系数，2 台驱动时取0.8

K2——功率水平系数，当采用自动牵引调速和电机过载系数2.6 倍以上时取1按上述计算公式，得到滚筒主要设计参数，见表1。

表1 滚筒主要设计参数

3 布齿设计

按以下原则进行布齿设计，绘制截齿排列图，如图3 所示。

图3 截齿排列图

（1）采用双螺旋棋盘式对称结构，截割时可形成对称式截槽以减少侧向力。

（2）端盘与筒体的螺旋线旋向相反，进一步抵消相互之间侧向力。

（3）采用沿螺旋滚筒均布布齿方法，保证螺旋线封闭，载荷均衡。

4 载荷计算与设计验证

基于载荷模拟计算方法[7]编制露采机滚筒载荷计算模拟程序，输入边界条件，求解滚筒所受载荷。

如图4、表2 所示，滚筒受到的瞬时三向阻力为水平截割阻力Rx和竖直截割阻力Ry（侧向力忽略不计），二者阻力均小于设计值，且载荷变异系数均较小。

图4 滚筒受到的瞬时三向阻力曲线

表2 滚筒截煤时的载荷统计及设计参数校验

如图5、表2 所示，滚筒受到的瞬时旋转阻力矩Mz，该值的变化均小于设计转矩。

综上，滚筒设计参数，经载荷Rx、Ry、Mz校核，满足工况要求。

图5 滚筒受到的瞬时旋转阻力矩曲线

5 结语

针对滚筒式露天采煤机的工作机构设计，推导主要设计参数，提出布齿设计和载荷验证方法，形成一套较完整、合理的露天采煤机滚筒设计方法，为滚筒式露天采煤机的研制提供设计参考。