矿井采煤机滚筒截齿优化布置的实验研究

郭仕栋

（山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400）

随着我国煤矿开采趋势的变化，采煤机截割性能标准发生了很大变化。 以往开采较少的薄煤层、煤矸石煤层现在开采较多，对采煤机滚筒的可靠性、切削效率、破岩性能和结构形式的要求都相应有所提高。 采煤机滚筒是切割和输送煤炭的主要部件，它消耗了整个采煤机80%～90%的功率[1]。它的结构和参数是否合理直接影响到采煤机的生产率、能耗和使用寿命。 因此，需要对滚筒进行研究，寻找具有不同结构的新型滚筒。 目前国内使用的采煤机滚筒截齿直径基本相同，截齿的载荷条件较好，但截割性能不佳，截割比消耗高。 煤的特性（抗压力而不是抗张力）没有得到有效利用[2]。因此，如何利用煤炭的特性来开发一个强大而有效的滚筒是一个亟待认真研究的课题。

1 新型采煤机滚筒试验台布置设计

不同专业技术人员对采煤机滚筒的研究是从不同角度展开的，但都局限于现有滚筒的设计准则和国家安全规范的要求。 根据相关研究成果，采用模拟分析的方法研究截齿载荷的分布规律，得出截齿载荷的最大值服从正态分布，这种研究方法为研究截齿载荷分布规律提供了理论指导。 部分研究人员也分析了叶片螺旋角与切割效果之间的关系，利用线性回归法得到了切割公式[3]。 在此基础上，采煤机滚筒的截齿螺旋角的设计以最小波动系数为目标函数，研究了不同截齿排列方式下截齿滚筒的波动特性，为选择满足不同要求的滚筒提供了理论依据。

基于原有研究的基础之上本次主要研究了截齿排列与滚筒转速、运输速度之间的关系，得到了不同截齿排列的滚筒的运输速度；分析了滚筒的结构参数和运动参数与切削性能指标（切削效率、切削用量、块度）之间的关系，为滚筒的设计提供了理论依据。 从以上所述，现有的滚筒截齿的排布方式都是依照现有滚筒截齿的设计风格，没有发展出任何新的强大和高效的滚筒[4]。 为此，采用一种新的结构形式研制了一种新型滚筒，并在煤岩切割试验台上进行了切割试验。 煤岩切割试验台如图1 所示。

图1 煤岩切削试验台设计

2 新型采煤机滚筒截齿优化设计

为了利用煤在切削过程中的抗压不抗拉特性，研制了一种新型结构滚筒的截齿排布方式，并考虑了滚筒轴向力的平衡。 滚筒结构包括滚筒轮毂、螺旋叶片、面环、截齿块和截齿。 螺旋叶片直径可变，面环截齿直径最小，最大直径截齿位于滚筒轮毂中间位置。 滚筒两端直径相等，最大直径是最小直径的1.1～1.3 倍，整个滚筒结构呈滚刀式，截齿最大直径的倾角为0°，其他截齿为5°～15°，以最大直径的位置为边界，工作面环侧截齿倾斜到煤壁，其他截齿倾斜到采空区。 端环截齿沿圆周线均匀分布，端环截齿倾角为5°～45°[5]。新滚筒和现有滚筒的比较如图2 所示。

图2 新滚筒截齿排布对比

3 工程实验研究结果分析

3.1 实验前模型建立

根据实际工程工况条件，采煤机滚筒的动态分析通常是用单锥截齿模型进行的，简化模型如图3 所示。 单锥截齿更利于模型简化，但该简化模型无法考虑采煤机滚筒上各锥齿之间对煤的相互影响。 有鉴于此，本文准备建立具有多个锥形截齿和螺旋叶片的采煤机滚筒模型。 与图3 中的单个锥形截齿和煤岩模型相比，新型采煤机滚筒不仅改进了多个锥形截齿、固定底座和螺旋刀片，而且还考虑了多种因素。 因此，采煤机滚筒模型更加接近到实际工作环境，它比单位模型更可靠[6]。此外，采煤机滚筒的运行参数如3.2 节所示。 至此，模拟所需的参数已经完成，接下来需要在煤岩切削试验台中进行一些其他工程实验操作。

图3 单锥截齿切削模型

3.2 工程实验分析

为了比较新型滚筒和现有滚筒的切割性能，在煤岩切削试验台上进行了切割试验。 试验中，模拟煤壁抗压强度为1.97 MPa，滚筒转速为125 r/min，平均牵引速度为0.65 m/min，叶片螺旋角为25 °，截齿排列顺序，滚筒为双向布置的启动螺旋叶片，截割线间距为30 mm，截割网为210 mm。 试验滚筒和截齿的状态如图4 所示。

图4 工程试验后滚筒和截齿的状态

不同滚筒的切削扭矩如图5 所示。 为了研究不同结构滚筒的切削性能，对切削扭矩进行了统计分析，如表1 所示。 新型滚筒的切削扭矩和标准差大于表1 中的现有滚筒，表明新型滚筒的负荷波动较大。 为了比较两种滚筒的截割比耗和块煤百分比，对截割煤进行称重和截割颗粒分级，结果如图6 所示。 根据理论公式计算截割比耗并计算滚筒的切割比消耗，结果如表2 所示。 比较滚筒的块煤百分比，结果如表3 所示。

图5 不同滚筒切削扭矩对比

表1 切削扭矩的统计分析

图6 滚筒切削煤炭颗粒的等级

表2 切割滚筒的特殊消耗量统计

表3 滚筒切削煤炭颗粒的累积百分比统计

4 结语

本次研究实验一方面研究了滚筒截齿的排布位置对煤炭开采的影响；另一方面，还讨论了在不同岩石分布下切割岩石时作用在采煤机滚筒截齿上的扭矩。 同时也尝试找到采煤机滚筒截齿排布得相对合理位置，以尽量减少振动和切割力。 根据煤炭的特点，还研制了一种新型结构形式的滚筒，该种滚筒具有抗压性能好、抗拉性能差的特点。 通过在煤岩切削试验台上进行切割试验，获得了一些有实际应用价值的结果。 新型滚筒的块煤率比现有滚筒的块煤率提高了3%，而切割比消耗基本相同。 因此，新型滚筒的结构优于现有滚筒，有利于提高采煤机的截割性能和煤矿企业的经济效益。 研究成果为矿井采煤机的新型结构零部件的设计优化提供了依据。