采煤机螺旋滚筒设计软件开发及截割性能分析

李明昊，牛 昊，范佳艺，乔 捷，赵丽娟

(1.沈阳理工大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110159；2.沈阳航空航天大学 机电工程学院， 辽宁 沈阳 110136；3.辽宁工程技术大学 机械工程学院， 辽宁 阜新 123000；4.辽宁省大型工矿装备重点实验室， 辽宁 阜新 123000)

螺旋滚筒是采煤机截割煤岩体的直接机构，其优良的设计对于提高采煤机的工作效率有着重要的影响[1]. 因此，提高螺旋滚筒的设计效率，开发一种采煤机螺旋滚筒设计软件是十分必要的研究。

采煤机螺旋滚筒的设计大都基于理论公式进行分析，很少开发软件进行参数化设计[2]，且分析截割性能过程较为复杂和低效。本文以新型爬底板式薄煤层采煤机为研究对象，开发一种螺旋滚筒的设计软件，以为采煤机螺旋滚筒高效设计提供途径。

1 采煤机螺旋滚筒设计理论基础

螺旋滚筒结构参数有：直径、宽度、叶片头数、叶片高度、叶片螺旋升角、叶片直径、筒毂直径、截齿排列方式、截线距和截齿角度等[3]. 其中，叶片头数与滚筒截齿排布有关，叶片头数多则截齿数相应增多，开采效率提高，但是叶片头数的增加将使装煤空间变小，降低装煤效率[4]. 采煤机截槽参数见图1.

图1 螺旋滚筒截槽示意图

由图1得到切削厚度极大值hmax和截线距极大值tmax之间的关系：

(1)

式中，tmax为截线距极大值，mm；hmax为切削厚度极大值，mm；bp为截齿宽度，mm；φ为崩落角，(°).

程序由MATLAB和EXCEL联合开发，在EXCEL表格读取设计参数后，计算截线距的公式为：

tj=2htanφ

(2)

截齿排布有等差、等距两种设计方案。

在使用等距原则排布时，计算叶片部分的截线条数的公式为：

(3)

在使用等差原则排布时，计算叶片部分的截线条数的公式为：

(4)

式中，⎣」符号的计算方式为向下取整；Lg为叶片的长度，mm；Lw为1号截齿与螺旋滚筒底端面的距离，mm；d为公差，mm.

依据综采工作面的条件，确定了螺旋滚筒叶片的头数和排列方式后，螺旋滚筒截齿的圆周角计算公式为：

(5)

式中，Zi为i号截齿与螺旋滚筒底端面的距离，mm；Dy为螺旋叶片的直径，mm；αy为螺旋叶片升角，(°).

螺旋滚筒端盘截齿数Wd和截线数Nd计算公式为：

(6)

(7)

式中，L1为螺旋滚筒齿座长度，mm；L2为螺旋滚筒降尘的喷嘴座与两侧间隙的总长度，mm；N为螺旋叶片头数。

2 螺旋滚筒设计软件的开发

螺旋滚筒设计软件开发的流程图见图2. 其中需要在EXCEL中添加螺旋滚筒的结构参数、煤岩特性参数以及采煤机运动参数。

图2 程序总体结构图

2.1 截齿排列部分

螺旋滚筒截齿设计的流程图见图3. 依据式(2)计算得到螺旋滚筒的截线距值，确定排列方式后，利用式(3)计算等距排列的螺旋滚筒参数；利用式(4)计算等差排列的螺旋滚筒参数;利用式(5)确定截齿圆周角，端盘截齿总数和截线总数由式(6)、(7)确定[5-6]. 将计算的数据和绘制截齿排列图写入EXCEL的结果显示界面中。

图3 截齿排列部分流程图

2.2 截割性能分析部分

螺旋滚筒截割性能分析的流程图见图4. 该模块可分析螺旋滚筒截割全煤、夹矸和硬结核的截割性能；可模拟螺旋滚筒的瞬时动态载荷；同时程序可计算截割部电机的工作功率、生产率、方正率、切削面积及截割比能耗等性能指标。

图4 截割性能部分程序流程图

3 滚筒辅助设计软件的应用

根据采煤机外形尺寸及工作煤层的煤岩性质等相关参数，结合上述分析，生成截割对象为全煤，煤的坚固性系数为2.0；螺旋滚筒转数为58 r/min，采煤机牵引速度为10 m/min的螺旋滚筒的截齿排列图和切削图,见图5，6. 利用PRO/E建立的螺旋滚筒三维模型见图7.

图5 截齿排列图

图6 切削图

图7 螺旋滚筒三维模型图

4 滚筒截割性能研究

以新型爬底板式薄煤层采煤机为研究对象，从如下4个方面分析螺旋滚筒的截割性能。

4.1 螺旋滚筒截线距对截割性能的影响

以两头顺序式螺旋滚筒为例，改变滚筒截线距，在EXCEL的交互界面输入设计参数，得到螺旋滚筒截线距对综合截割性能的影响，见图8. 综合截割性能包括切削面积、方正率、截割电机功率、理论生产率、截割阻力及截割比能耗。

图8 滚筒截线距对截割性能的影响图

由图8可知，切削厚度和上、下崩落线长度的差值随截线距增大而逐渐增大，前者变化规律近似线性增长，后者导致方正率减小。牵引速度不变，理论生产率基本维持在定值。截割电机功率及最大截割阻力随截线距的增大而降低[7]. 截线距太小会使截得的煤块过于零碎，导致煤粉太多、截割比能耗相对增大。

4.2 叶片螺旋升角对截割性能的影响

改变叶片螺旋升角，在EXCEL的交互界面输入设计参数，得到叶片螺旋升角对综合截割性能的影响，见图9.

图9 叶片螺旋升角对截割性能的影响图

由图9可知，切削面积随螺旋升角呈先增后减的趋势；截割电机功率呈现先减后增的趋势；最大截割阻力及最大截割比能耗的变化趋势相似，其整体变化规律均呈现增长趋势。在全面考虑螺旋升角对各截割性能的影响后，合理选取螺旋升角角度，避免截割电机功率和截割阻力过大同时保证较大的切削面积、较低的粉尘量[8]，以保证采煤机具有较好的截割性能与工作可靠性。

4.3 螺旋滚筒转速对截割性能的影响

改变螺旋滚筒转速，在EXCEL的交互界面输入设计参数，得到螺旋滚筒转速对综合截割性能的影响，见图10.

图10 转速对截割性能的影响图

在牵引速度一定的前提下，采煤机理论生产率基本不变。转速的增大会导致切削面积随之减小，同时截齿受到的截割阻力呈线性减弱。在滚筒转速增大的过程中，截割电机功率及截割比能耗随之依次增加，其变化规律近似线性。为提高块煤率，降低粉尘量和截割比能耗，应适当降低滚筒转速。

4.4 牵引速度对截割性能的影响

改变牵引速度，在EXCEL的交互界面输入设计参数，得到牵引速度对综合截割性能的影响，见图11.

图11 牵引速度对截割性能的影响图

由图11可知,牵引速度的增加导致截割阻力和截割电机功率增加，这是因为截齿受力增加所致；牵引速度的增加，使生产率、方正率和切削面积增加，使截割比能耗以非线性递减的趋势变化。

5 结 论

1) 在对煤岩截割机理及螺旋滚筒设计理论研究的基础上，基于MATLAB和EXCEL的混合编程方法，开发了采煤机螺旋滚筒设计软件。该软件可得到螺旋滚筒的设计参数、截齿排列图、切削图，实现螺旋滚筒的高效设计。

2) 利用该软件,可以快速地研究滚筒的各设计参数及其对采煤机截割性能的影响,并利用对比分析法找出最佳的滚筒设计方案，为采煤机螺旋滚筒的设计提供了一种有效的解决途径，具有一定的工程价值。