采煤機滾筒系帶布置方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

劉卓敏

（晉能控股煤業(yè)集團同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037000）

引言

地下長壁開采系統(tǒng)使用安裝在搖臂上的采煤機滾筒將煤切割并裝載到刮板輸送機上。滾筒同時旋轉(zhuǎn)并沿長壁工作面移動以采煤。煤塊通過安裝在滾筒周圍的切割工具的剪切作用從煤層中分離出來，滾筒在切割過程中會受到振動。這種振動會對設(shè)備和部件造成嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致機器停機時間和運行成本增加。因此，圍繞滾筒圓周布置對于實現(xiàn)采煤機優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。切割刀具應(yīng)圍繞滾筒布置，以便工具在切割過程中承受幾乎相等的力。如果刀具間隔太遠，單個刀具會承受過大的壓縮和振動應(yīng)力，并且磨損嚴(yán)重。如果它們的間距過近，單個刀具的切割動作就不會得到優(yōu)化，由于能量被用于研磨煤而不是粉碎煤，從而導(dǎo)致可吸入粉塵增加[1]。應(yīng)注意選擇操作參數(shù)，如滾筒轉(zhuǎn)速和前進速度，以確保高效、無障礙和安全的工作環(huán)境。本文考慮到單個和多個跟蹤裝置開發(fā)了軟件應(yīng)用用于生成扭矩圖，并用于估計因故障而丟失刀頭對滾筒扭矩分布和力變化的影響。

1 采煤機滾筒組件簡介

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

采煤機滾筒由螺旋葉片、截齒、齒座、端盤以及筒轂等部分組成，如圖1 所示。螺旋葉片如圖2 所示，具體包括螺距、葉片頭數(shù)量、包角及螺旋升角4 個主要參數(shù)。

圖1 采煤機滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，D 為滾筒直徑，mm；Sy為螺距，mm；By為葉片寬度，mm；Di為任意位置上的直徑，mm；Dg為筒轂直徑，mm；Dy為葉片外緣直徑，mm；αi為任意位置葉片升角，（°）；αg為筒轂側(cè)葉片升角，（°）；αy為葉片邊緣升角，（°）。

圖2 滾筒螺旋葉片

由于Dy＞Di＞Dg，所以葉片外緣的螺旋升角αy小于葉片內(nèi)緣的螺旋升角αg，即αg＞αi＞αy。

1.2 系帶圖像簡介

系帶圖是展開的滾筒圓周的平面圖。系帶模式圖是在平坦的表面上生成的，顯示了5 條等間距的垂直線，每條線代表30°角[2]。水平線代表刀具之間的間距值。刀具根據(jù)其角度和間距值放置在網(wǎng)格上。葉片刀具按切割時撞擊材料表面的順序放置在滾筒格柵上。由于輸出是圖形圖像，輸入數(shù)據(jù)中的任何明顯錯誤都可以很容易地被識別和糾正。

為了確定作用在滾筒上的截割力，需要為每個滾筒設(shè)計評估關(guān)于材料特性和礦井地質(zhì)模型的信息，而這是非常耗時和昂貴的，所以開發(fā)該程序是為了考慮相對扭矩值，以生成分布圖。這使得應(yīng)用時更多地關(guān)注滾筒的固有設(shè)計和平衡，而不是任何特定的操作條件。

滾筒的力變化定義為最大和最小相對扭矩值之間的差值，通過聚焦?jié)L筒的10 個部分來計算，根據(jù)其在所考慮的部分中的位置給每個工具分配一個數(shù)字[3]。計算出的數(shù)據(jù)總和給出了特定部分的相對扭矩值。這些方差值繪制在滾筒上，以獲得扭矩圖。整個滾筒的力變化值是通過從所有截面獲得的最大和最小變化值之間的差值來計算的。圖3 為RHUT6699 型采煤機滾筒系帶圖，將齒點的信息導(dǎo)入至微軟開發(fā)的Visual Basic 軟件生成圖4，以便下一步分析。圖4 顯示了一個帶有扭矩分布圖的滾筒系帶模式圖的例子。

圖3 系帶布置示意圖

圖4 滾筒系帶軟件分析模式圖

2 程序設(shè)計簡介

采煤機滾筒輔助設(shè)計及載荷計算Visual Basic 軟件實現(xiàn)從Excel 表格中錄入基本參數(shù)，由Matlab 進行計算，并將結(jié)果返回Excel 表格并生成Fig 圖像及txt文本的過程，其主要結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 程序結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)果與分析

3.1 線條圖形分析

刀具的線條圖案表示刀具的傾斜角度和傾斜角度。圖6 說明了采煤機滾筒上的外表面環(huán)形工具傾斜和傾斜的角度（在橫向移動切割煤之前，先縱向移動到面）。

圖6 線條圖形分析圖

刀具應(yīng)設(shè)置在特定的角度，以保護最外面刀具的套管和方塊。面環(huán)刀具應(yīng)設(shè)置在特定的角度，以確保刀具的后側(cè)得到適當(dāng)?shù)哪p保護。此圖案使用與刀具相關(guān)聯(lián)的傾斜角度、Y 值和間距值來跟蹤刀具在面環(huán)上的折線圖。外表面環(huán)刀具以一定角度傾斜，從而使刀具外部端部突出。

3.2 截割形態(tài)圖形

截割形態(tài)圖形是用一種簡單的方法來評估任何刀具在滾筒上完成的工作。它通過確定單個刀具的利用率，提供關(guān)于滾筒利用率和切割效率的信息。刀具所做的功是用滾筒速度和運輸速度值來計算的[5]。將單個刀具截割放在一起，可以得到整個滾筒的截割模式。相鄰刀具所覆蓋的相對面積決定了一個工具是否執(zhí)行不成比例的大量工作，反之亦然。

如果刀具之間的間距太大，則表明煤炭沒有被完全切割，還有損壞刀具組件的風(fēng)險。在最佳的線間距下，相鄰的刀具為組件的非切削部分提供了防磨損保護[6]。但是，當(dāng)?shù)毒咧g的間距較大時，底座和套筒會暴露出來，可能會磨損得更快。相反，如果刀具放得太近，刀具所占的面積就很小。這意味著該刀具沒有發(fā)揮出它的潛力。此外，在此過程中會產(chǎn)生更多的灰塵并浪費切割能量。截割形態(tài)也用于檢查滾筒速度和運輸速度值是否合適。如果保持較高的滾筒速度和運輸速度，它就會研磨材料，產(chǎn)生灰塵。此外，刀具過早磨損會浪費大量切削能量，降低了加工效率。該圖也可用于檢查滾筒上的側(cè)向載荷。當(dāng)?shù)毒叩囊粋?cè)相對于另一側(cè)施加過大的載荷時，刀具的磨損不均勻，導(dǎo)致切割動作效率低下。當(dāng)一側(cè)比另一側(cè)做更多的工作時，切割動作將會不平穩(wěn)，因為滾筒經(jīng)歷推入或拉出切割。這被稱為側(cè)向加載，對滾筒運行有害。在截割形態(tài)圖形中，與刀具的另一側(cè)相比，刀具的一側(cè)暴露得更多，這表明滾筒正在承受側(cè)向載荷。

圖7 顯示了刀具截割形態(tài)圖形的示例。各個刀具的可視區(qū)域幾乎相同。這表明輸入?yún)?shù)如刀具間距、滾筒速度和前進速度已被正確設(shè)置，以實現(xiàn)最佳切割效率。可以通過界面顯示出的不同圖像顏色反應(yīng)出每個刀具的扭矩大小數(shù)值。

圖7 刀具截割形態(tài)圖形的示例圖

相反，如果單個刀具的可見區(qū)域不相等，這意味著一些輸入?yún)?shù)沒有被正確設(shè)置，需要進行調(diào)整。圖8 顯示了當(dāng)?shù)毒呙撾x滾筒或因磨損損壞而停止執(zhí)行時的斷裂模式圖。例如刀具編號10 附近的未硬化部分暴露，這種暴露會對其他刀具、底座和套管造成損壞。

圖8 編號10 丟失截割形態(tài)圖形

4 結(jié)語

該軟件的應(yīng)用為采煤機滾筒性能的設(shè)計和評價提供了一種經(jīng)濟有效的手段。可以計算滾筒的裝載和切割特性，推薦系帶排布模式，并生成刀頭布置模式。軟件生成的圖表在設(shè)計過程中用于觀察。生成扭矩圖是為了估計力的變化值，這是切削刀具上振動強度的指標(biāo)。該應(yīng)用程序通過圍繞滾筒圓周繪制扭矩圖，使扭矩圖更加直觀。更換磨損刀具非常必要，以防止過度振動和損壞相鄰刀具。但是必須注意的是，滾筒設(shè)計應(yīng)用程序只能作為滾筒設(shè)計的輔助工具。滾筒設(shè)計的知識和經(jīng)驗是機械設(shè)計成功的先決條件。