滾筒式露天采煤機截割滾筒設計

馬聯偉

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

滾筒式露天采煤機是露天煤礦采煤設備，該設備集破碎、采掘、裝載、合并穿爆等功能于一體，具有開采連續、工序單一、選采準確、機動靈活等優點，可廣泛適用我國不同煤層賦存條件，并可減少二次破碎，降低采煤成本，是采用輪斗挖掘機、電鏟等主流裝備開采工藝的有效補充，對提高煤炭資源回收率具有重要意義。

目前世界上有20 余家公司生產滾筒式露天采煤機，其中著名的有德國Wirtgen 公司的SM 系列，Krupp 公司的KSM 系列，美國Huron 公司生產的Easi-Miner 系列，山特維克公司生產的VASM 系列，JOY 公司生產的CM 系列，其中Wirtgen 公司的SM3000X 型應用廣泛，目前在用約200 余臺；我國自20 世紀90年代初開始研制滾筒式露天采煤機，主要有哈爾濱煤礦機械研究所研制的CLG300 型和LMG2000 型、中信重型機械公司研制的CLG-5600 型、河北神風公司研制的LMG950 型、遼源金圣公司生產的LMG900A 型和峰峰集團天澤公司研制的LMG1150型。因國內缺乏露天截割滾筒設計研究，相關參數憑經驗和類比設計，導致國內露天采煤機的可靠性普遍較低[1-2]。

截割滾筒設計參數繁多，相互關系復雜，造成設計過程繁瑣，所以有必要進行相關參數的設計研究。國外對截割滾筒的設計研究起步較早，相繼形成了前蘇聯的“承壓核”理論和英國伊萬思的“最大拉應力”理論兩大理論體系，為截割滾筒設計奠定了理論基礎。此外，久易、山特維克等公司以及相關大學等成立了截割試驗中心，分析煤巖參數、滾筒截割參數二者之間的關系[3-4]。

從截割滾筒的結構和工作原理、截割參數計算、布齒設計、載荷計算等方面，提出滾筒式露天采煤機的截割滾筒設計方法。

1 結構及工作原理

滾筒式露天采煤機的截割滾筒是一種銑削式破煤機構，其工作原理與結構與井下連續采煤機的采煤方式相似。

滾筒式露天采煤機和井工連續采煤機的工作原理相似，均為驅動旋轉截齒自上而下銑削煤層，不同之處主要有2 點：①煤層賦存條件的差異性。井下煤層受地壓影響，煤層存在一定的壓酥帶，容易截割崩落式落煤；露天煤層因表面被完全或部分剝離，不易落煤；②開采自由面的差異性。開采工作中，滾筒式露天采煤機在拉溝作業時有2 個自由面，正常作業時有3 個或2個自由面；而井下連續采煤機在掏槽作業時有1 個自由面，下切作業時為2 個自由面，采垛作業時增加1 個自由面，因此，從自由面數量來講，井下連續采煤機開采難度較大。

滾筒式露天采煤機和井下連續采煤機的截割滾筒結構相似，兩者均采用橫軸式截割滾筒，截割滾筒式位于機身前端，可上下調高運行，切割煤層厚度大，切割硬度小，煤質粒度小，截割滾筒一般采用三段式結構，如圖1 所示。

圖1 滾筒式露天采煤機截割滾筒典型結構

2 截割參數計算

以某型露天采煤機設計指標為例，進行相關參數計算。已知：采高H=5 m，截寬B1=6 m，截深B2=0.8 m，專門開采平均f≈2 的煤，截割阻抗AX=360 N/mm，脆性系數B=2.1，密度γ=1.35 t/m3,滾筒直徑D=1.31 m。

2.1 生產能力

露天采煤機開采作業循環工序主要包括掏槽、下切、升刀3個工序，故一個作業循環時間為三者工序時間之和.

生產能力可由式（1）計算：

式中 t1——掏槽時間

t2——下切時間

t3——升刀時間

2.2 最大牽引速度

露天采煤機最大牽引速度主要依據下切工序作業時間和滾筒中心經過的弧長S 計算。如圖2 所示，依據幾何關系，弧長S 為：

式中 H1——截割臂回轉中心距底板的高度

L1——截割臂回轉中心距滾筒中心的距離

最大牽引速度：

圖2 弧長S 與采高H 的關系

2.3 滾筒轉速

滾筒轉速是露天采煤機的主要運動參數之一，截齒速度與截齒消耗率正相關，一般設計截齒速度在3.5 m/s 以下。轉速主要按滾筒直徑選取，按式（4）[5]計算。

2.4 切削厚度

切削厚度是切削平面法向截齒軌跡順序之間的距離。計算切削阻力和比能耗的重要參數，最大切削厚度hmax按式（5）計算：

其中，m 為每條截線上的截齒數，采用棋盤式雙螺旋布齒時，m=1。

為減少齒座及齒套與煤壁的磨損、避免煤炭發生二次破碎、降低能耗，最大切屑厚度應小于截齒的徑向出刀量Lp，見式（6）。

其中，Lp可由截齒構造出刀量和截割角計算獲得；k 為二次破碎系數，切向截齒取1～1.2。

2.5 截線距

截線距指相鄰截線的距離，由式（7）確定最佳截線距[5]。

2.6 比能耗法確定截割功率

（1）確定被截割煤層的比能耗，見式（8）。

式中 A——基準煤截割阻抗，200 N/mm

HWB——基準煤比能耗，當牽引速度為3 m/min 時，該值取0.44 kW·h/t

（2）截割電機功率計算[6]

式中 K1——功率利用系數，2 臺驅動時取0.8

K2——功率水平系數，當采用自動牽引調速和電機過載系數2.6 倍以上時取1按上述計算公式，得到滾筒主要設計參數，見表1。

表1 滾筒主要設計參數

3 布齒設計

按以下原則進行布齒設計，繪制截齒排列圖，如圖3 所示。

圖3 截齒排列圖

（1）采用雙螺旋棋盤式對稱結構，截割時可形成對稱式截槽以減少側向力。

（2）端盤與筒體的螺旋線旋向相反，進一步抵消相互之間側向力。

（3）采用沿螺旋滾筒均布布齒方法，保證螺旋線封閉，載荷均衡。

4 載荷計算與設計驗證

基于載荷模擬計算方法[7]編制露采機滾筒載荷計算模擬程序，輸入邊界條件，求解滾筒所受載荷。

如圖4、表2 所示，滾筒受到的瞬時三向阻力為水平截割阻力Rx和豎直截割阻力Ry（側向力忽略不計），二者阻力均小于設計值，且載荷變異系數均較小。

圖4 滾筒受到的瞬時三向阻力曲線

表2 滾筒截煤時的載荷統計及設計參數校驗

如圖5、表2 所示，滾筒受到的瞬時旋轉阻力矩Mz，該值的變化均小于設計轉矩。

綜上，滾筒設計參數，經載荷Rx、Ry、Mz校核，滿足工況要求。

圖5 滾筒受到的瞬時旋轉阻力矩曲線

5 結語

針對滾筒式露天采煤機的工作機構設計，推導主要設計參數，提出布齒設計和載荷驗證方法，形成一套較完整、合理的露天采煤機滾筒設計方法，為滾筒式露天采煤機的研制提供設計參考。