采煤機工作機構螺旋式滾筒的設計

張守柱，陶嶸

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

煤礦采煤機的錐型截齒滾筒的主要特點是錐型齒有其固有的技術特性與優點，但擠壓張力的破碎機理又為其帶來固有的缺點：密實核連續地形成與爆破，使粉塵大的問題無法解決；同時每把截齒都會形成一個連續的破碎帶,故無法大幅度提高塊煤率。煤巖的抗壓強度遠大于抗剪切及抗拉強度。如何以最少的能耗獲取更多的能源,這是值得思考的問題。

螺旋式滾筒是采煤機區別于其他礦用機械設備的一種特殊的專用工作機構，由滾筒體、齒座及截齒組成。滾筒體由筒轂、聯接盤、螺旋式葉片及截齒組件組焊而成。本文針對采煤機滾筒的葉片、齒座、截齒排列等問題進行設計探討。

1 螺旋式葉片設計

為提高裝載能力，螺旋葉片可分固定齒座的主葉片和裝載葉片。

1) 主葉片設計。經多年現場經驗證明，主葉片應向其裝載面方向前傾5°～8°組焊較好,一是有助于抵御截齒截割阻力所產生的力矩，二是可抑制因滾筒旋轉產生的離心力而將剝落的煤巖拋向滾筒后方的機道。

2) 裝載葉片設計。裝載葉片應與傾斜的主葉片再前傾8°～10°,其外徑應大于主葉片，二者的外緣應呈封閉的坡形結構，以避免滾筒外緣形成破碎帶。為更有效地提高裝載效果，裝載葉片的寬度由滾筒端盤部分，即閉端的最窄處向開端逐步加大到最寬[1]，以達到葉片導程逐步加大的效果，實現螺旋槽中的落煤逐步被加速。該結構的設計能確保滾筒的裝載效果，最大限度地減少落煤的二次粉碎。設置裝載葉片，對裝載能力差的小直徑滾筒極為重要。晉城王臺礦9號煤層先后使用了無裝載葉片直徑φ1 500凱南麥特滾筒，與基于上述理論的具有裝載葉片的直徑φ1 500滾筒(截齒均為30個)進行了對比,其結果見表1。

表1 凱南麥特滾筒與國產滾筒性能對比表

由表1可知，滾筒的葉片結構的設計不僅影響煤的二次粉碎及塊煤率，而且還直接影響采煤機功率的消耗及滾筒的使用壽命。

2 齒座設計

齒座的設計主要考慮兩點：一是通用性;二是在確保其強度的條件下，最大限度地節省材料，減少焊接工作量。

從實際使用情況可知,齒座前部表面呈圓弧狀的長柄式結構型式不可取,采用柄部斷面呈梯形前寬后窄的短柄式結構更為合理[2]，主要原因是扁平的前表面(含前部的主焊縫)可有效地避免應力集中，從而提高滾筒工作的可靠性。

3 截齒設計

截齒是采煤機滾筒上非常重要的獨立元件。我國第一代采煤機采用扁截齒,在工業性試驗中消耗量非常高，為此，1965年開始對截齒進行技術攻關,研制出現今被廣泛采用的錐型截齒。

3.1 截齒性能分析

3.1.1 錐型截齒主要特點

1) 圓柱形的齒柄對來自任何方向的截割負荷均無敏感的應力集中問題。

2) 回轉的工作方式使其在截割過程中不承受扭矩。

3) 無鋒利的切削刃，在其截割煤巖過程中，截齒的刃部不易被礦層中的堅硬夾雜物擊破。

4) 45°安裝。一是截割煤巖過程中能產生一個向心的拉應力，而煤巖的抗拉強度最低；二是伴隨著截齒截割深度的加大，參與截割的比壓面積增加緩慢，當達到一定截深時，截割負荷便不再加大。

因此，對于大功率采煤機高效工作面，錐型截齒非常適用?，F今的采煤機功率越來越大，高效工作面越來越多，這正是錐型截齒滾筒被廣泛采用的原因。

3.1.2 錐型截齒主要缺點

1) 因無鋒銳切削刃，導致其破碎煤巖的機理是擠壓張力破煤，破煤過程是在其頭部的擠壓面下形成密實核，由密實核擴大產生的張力將煤巖破碎。截齒的截割過程是一個連續形成密實核、連續破碎的過程,因此當煤巖被破碎時，被壓成粉的密實核會釋放大量的粉塵，此問題無法解決。同時，擠壓張力破煤的機理和密實核的連續產生，造成滾筒上每一條截線上的截齒均會形成一個破碎帶，因而采用錐型截齒的采煤機滾筒，要實現大幅度提高塊煤比率是不可能的。

2) 錐型齒的損壞形式是先磨光硬質合金頭部周圍的母體，使合金頭因失去有效支撐而被剝落，最終導致截齒失效。此時合金與母體均未得到充分利用。這是由其旋轉工作方式所決定的，無法解決。

3) 不適合較小功率的采煤機使用，因其牽引速度慢、單齒的截深小，相對能耗高且粉塵大。

通過對兩個礦區的井下采煤工作面測試跟蹤，比較了兩種不同類型截齒(錐型齒與扁截齒)的能耗。在單齒截深小于40 mm時，錐型齒的能耗高于扁截齒；而單齒截深大于40 mm時，扁截齒的能耗高于錐型截齒。錐型截齒滾筒的截割功率起點高，能耗的上升速率?。槐饨佚X滾筒的截割功率起點低，其上升速率大，見圖1。產生這種結果的關鍵原因是兩種截齒的安裝方式不同。

圖1 截齒形狀與功率消耗示意圖

3.2 截齒齒形及齒座設計

筆者曾設計過一種刃傾角為40°的扁截齒，將其與當時廣泛使用的刃傾角為25°的23號齒在晉城王臺礦三號煤礦進行了對比試驗。結果前者的采煤機功率消耗平均為120 kW，后者的采煤機功率消耗平均為150 kW。這表明， 前者的整個頭部尚未完全楔入煤體，煤已被剝落。

通過對兩種齒型、兩種刃傾角不同的扁截齒的使用，可以得出一個結論：若能將采煤機滾筒上的截齒楔入煤體的比壓面減少到最小，則可使采煤機截割煤巖過程中的能耗達到最低，粉塵降至最低，煤的塊率達到最高,而這正是采煤機滾筒設計者所追求的目標。

筆者曾為此申請過相關專利[2]并進行過試驗,但結果均未能達到預期的效果:采煤機開槽式楔形齒滾筒，開槽齒易損壞；采煤機楔形齒滾筒,齒耗高，特別是滾筒端盤的大角度齒。為此又產生如下設想:

1) 圓柱型的齒柄結構是較佳的技術選擇。試驗所用的楔型齒柄部尺寸為28 mm×45 mm，就抗彎模數而言，無論縱向、橫向,楔型齒均遠大于U92錐型齒，但使用中出現了折斷與扭曲的情況,表明矩形的齒柄結構不可取，因為在采煤機斜切過程中，若齒柄承受的力來自其尖角的方向，則會由于應力集中導致齒柄折斷與扭曲。

2) 錐型截齒的安裝方式極為可取。但對于固定不轉的滾筒端盤部分的大角度齒，則應考慮因其自行扭轉帶來的不利因素。

3) 可以設計一種新型齒座，該種齒座既能固定錐型齒，又可以固定楔型齒，還可以固定具有剪切功能的，能取代現有扁截齒新型齒。3種截齒均采用圓柱形的齒柄結構與新型齒座，齒座結構見圖2，固定元件見圖3[3]。

圖2 齒座外形圖

圖3 固定元件示意圖

3種齒型均以45°安裝，柄部僅固定部位略有差異，旋轉開有環形槽，不轉的在固定部位的兩側開有腰形槽。上述設計基于不同的煤質應采用不同的截割方式，以達到低能耗、低粉塵、高塊煤率的目的。由于現有的錐型齒適用于煤質條件復雜的礦層或用于滾筒端盤部位的大角度截線上，而楔型齒適用于硬而脆的煤層,硬而韌的煤層則采用剪切的方式予以剝落較為合適。因此,合理選擇截割齒齒型是節省能耗的重要環節之一,這也是從截割機理上降低粉塵、提高塊煤率的重要方法。

4 截齒排列

截齒的排列是降低能耗與粉塵、提高塊煤率，確保滾筒工作平穩性的重要環節。傳統的截齒排列是將端盤齒與葉片齒分別排好后，再將兩個部分相對以2°～5°的間隔轉動360°，從中選擇負荷波動最小的作為最佳技術方案。分析認為，滾筒的兩個部分本是一個整體，應作為一個整體來處理。對截齒排列問題，筆者曾申請過專利“采煤機非均布葉片滾筒”，其核心技術是通過葉片的非均布達到截齒在滾筒的圓周上均勻分布的目的，從而使滾筒的工作負荷波動最小，取得的技術效果較佳。葉片非均布會導致滾筒重心偏離滾筒的中心，并使滾筒的起動功率加大，但它有益于平衡截割負荷的波動。然而對大直徑滾筒而言，會給截齒的更換帶來不便。故可對截齒和螺旋葉片在滾筒圓周上做均布設計，實踐表明是可以做到的。以三頭螺旋滾筒為例，若端盤齒為13，葉片齒數分別為4、4、5，即可讓二者在圓周上均布。關于端盤齒與葉片齒的截割面積分配的問題，在二者齒數相等的條件下，端盤齒的截割面積約為葉片齒截割面積的1/3左右較為合理。

5 結論

采煤機的螺旋滾筒有破煤與裝載兩大功能,合理地選擇破煤機理、相應的截齒形式及最佳的截齒排列，可使滾筒上截齒總數降至最少，從而最大限度地減少煤的一次粉碎。理想的滾筒結構形式，使滾筒擁有最佳的裝載效果，可最大限度地減少落煤的二次粉碎,由此即可為采煤機提供粉塵和能耗低、塊煤率高的最佳工作機構。