復雜煤層條件下滾筒截割性能影響分析

劉 偉

（山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

采煤機中滾筒是最主要的組成部分，滾筒的截割性能在一定程度上對采煤機的開采效率有很大的影響。滾筒的截割性能與采煤的穩(wěn)定性和裝煤的效率有非常大的關系，由于綜采在礦井開采中逐漸普遍，因此滾筒的作用以及其結構被不斷改進，達到提高生產(chǎn)力的目的，增加采煤機滾筒的截割能力。

1 切削厚度對滾筒截割性能的影響

在滾筒的牽引速度保持一定的條件下，若滾筒轉速不同，與之對應的切削厚度也不一樣，假定設置滾筒的轉速為65 r/min、75 r/min、85 r/min、95 r/min，則需要把切削厚度h 設置為5.40 mm、4.75 mm、4.20 mm、3.80 mm，然后用設置好的滾筒進行對煤巖的切割，來進行實驗，最終獲得隨著時間的變化滾筒的截割扭矩變化的曲線，如圖1 所示。通過對截割扭矩值進行匯總，并將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理、處理，得到隨著切割厚度的變化截割扭矩的變化情況，如圖2 所示。從圖中可以觀察到，當切削厚度在逐漸增大時，截割扭矩也在增大，增加的速率還很快，由此可以得到一個結論：當滾筒的轉速發(fā)生變化時，滾筒的截割扭矩跟切削厚度是呈一定的指數(shù)變化。在滾筒截割過程中，引進截割比能耗的概念，即煤層截割所消耗的能量與煤層體積的比值，當截割比能耗越小時，截割效率就會越高，對滾筒造成的能量損失就會越小，從而對截割就越有利。截割過程的能量消耗很大程度是作用于破壞煤巖中，在滾筒不變的前提下，通過觀察切削厚度不同導致截割扭矩發(fā)生的變化和煤巖的質量的不同，得出了一個觀點：在滾筒參數(shù)不變的前提下，切削厚度變大，截割比能耗就會變小，并且變化情況是呈指數(shù)型增長，當滾筒的切削厚度變小，截割比耗能就會變大。綜上所述，滾筒的切削厚度對截割性能有著很大的影響，所以在開采煤礦之前，應當通過分析煤巖的性質，來確定滾筒的參數(shù)，根據(jù)截割扭矩和截割比耗能，增加采煤機的效率，更加高效的對煤礦進行開采[1]。

圖1 不同的切削厚度下截割扭矩隨時間推移的變化情況

圖2 截割扭矩隨切削厚度的變化情況

2 煤層傾角對滾筒截割性能的影響

在煤礦開采過程當中，采煤機煤層傾角往往不可忽略，它是由于地殼運動，導致工作面與水平面有了一個角度，這個就是采煤機煤層傾角，它包括了走向傾角和工作傾角，采煤機的滾筒軸向方向與水平面的夾角為走向傾角；采煤機的來回移動的方向與水平面夾角叫做工作傾角。通過對采煤機截割煤巖過程的觀察，來研究工作傾角和走向傾角對采煤機的裝煤率和截割比能耗的影響。當走向傾角越來越大，滾筒的裝煤率是在逐漸增大，走向傾角的變化導致了采煤機的傾斜方向的不同。走向傾角是負數(shù)時，截割下來的煤塊是朝著煤壁方向運動，由于內(nèi)側的煤塊很難沿著滾筒的螺旋片落下，這就導致了許多煤塊或者煤塊顆粒跟隨滾筒到達了采空區(qū)，使得滾筒的裝煤率大幅度的降低，并且會增大滾筒的截割阻力，截割比能耗也會增加；走向傾角是正數(shù)時，截割下來的煤塊會沿著工作面落到刮板輸送機上，會使得刮板輸送機的負荷增大，角度過大時，滾筒會把截割下來的顆粒拋到刮板輸送機這邊，嚴重時造成人員的傷亡。當工作傾角越來越大時，滾筒的裝煤率逐漸減小，因為當工作傾角是正數(shù)時，其重力在某一個方向上是負值，并且是朝向滾筒后側，所以在滾筒和螺旋葉片的作用下，很多顆粒落不到刮板輸送機上，導致形成了堆積，大大降低了滾筒的裝煤率；當工作傾角是負數(shù)時，其重力在某一個方向上是正值，并且是朝向滾筒前側，大多數(shù)被截割下來的顆粒由于滾筒和螺旋葉片的作用會落到刮板輸送機上，大大提高了滾筒的裝煤率。可以得出結論：煤層傾角，無論是工作傾角還是走向傾角，其絕對值越大，截割比能耗就會越大，滾筒阻力也會增大；走向傾角越大，滾筒裝煤率就越大，工作傾角越小，滾筒裝煤率越大。通過研究發(fā)現(xiàn)，當滾筒走向傾角在5°左右、工作傾角在-10°左右的時候，其對滾筒的截割性能影響是最小的，滾筒的裝煤率也是比較高[2]。

3 轉速、截齒安裝角與齒尖尖角對滾筒截割性能的影響

轉速過高，使得滾筒的側向阻力變大；轉速過低，使得滾筒的截割阻力大幅度上升，所以應當采用50 r/min 左右的轉速來研究對滾筒的影響。截齒安裝角過高，使得滾筒的截割功率上升；而截齒安裝角過低，會導致滾筒的生產(chǎn)率降低，所以應當采用50°左右的截齒安裝角來研究截齒安裝角對滾筒的影響。截齒齒尖尖角過高，會使得滾筒的牽引阻力變大，截齒齒尖尖角過低，會使得截齒齒身被外力折斷，所以采用80°左右的截齒齒尖尖角來研究截齒齒尖尖角對滾筒的影響。經(jīng)過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，當轉速在逐漸增大時，截割阻力逐漸降低，截割力矩逐漸增大；當截齒安裝角逐漸變大時，截割阻力是先變小后變大，但是截割力矩是在逐漸變大的；當截齒齒尖尖角逐漸變大時，截割阻力是先變大再變小，但是截割力矩是先變大后變小。也可以得到轉速、截齒安裝角與截齒齒尖尖角對截割力矩和截割阻力的影響程度，截齒安裝角對截割力矩的影響是最大的，其次是截齒齒尖尖角，影響最小的是轉速，反之，對截割阻力影響最大的是轉速，其次是截齒齒尖尖角，影響最小的是截齒安裝角。轉速在逐漸變大時，滾筒的截割比能耗變大，生產(chǎn)率是先變大再變小，截割功率變大；當截齒安裝角變大時，滾筒的截割比能耗在變大，生產(chǎn)率在變大，但截割功率是先減小再變大；當截齒齒尖尖角變大時，滾筒的截割比能耗是先變小再變大，生產(chǎn)率逐漸增大，截割功率是先變小再變大。轉速、截齒安裝角與截齒齒尖尖角對截割比能耗和截割功率的影響程度，轉速對其的影響程度最大，其次是截齒安裝角，截齒齒尖尖角對其影響最低；轉速、截齒安裝角與截齒齒尖尖角對生產(chǎn)率的影響程度，轉速對其的影響程度是最大，其次是截齒齒尖尖角，截齒安裝角對其影響最低。

4 結語

滾筒式采煤機在煤礦開采中有著重大的作用，而且滾筒的參數(shù)對截割煤巖有著直接的影響，從切削厚度、煤層傾角、轉速、截齒安裝角、截齒齒尖尖角來分析對滾筒截割性能的影響，得到了它們與滾筒的截割力矩、截割比能耗和生產(chǎn)率的關系。所以在進行煤礦開采時，要根據(jù)煤巖的性質，合理的選取滾筒的參數(shù)，然后根據(jù)它們與截割比能耗、截割力矩與生產(chǎn)率的關系來確定最合適的參數(shù)，確保采煤機有著穩(wěn)定的性能和高效率的運轉，提高煤礦的生產(chǎn)率。