采煤机滚筒截齿排列的试验研究

刘送永，杜长龙，崔新霞

(中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州，221008)

摘 要：

摘  要：根据采煤机破煤理论，研制煤岩截割试验台；根据不同的滚筒叶片截齿排列、螺旋叶片头数，研制4种不同的试验滚筒。以此为基础，在试验台上对4种不同截齿排列的滚筒进行截割性能试验，分析不同滚筒截割扭矩的最大值、最小值、均值、方差等参数；同时，对截落煤岩的块度进行分级处理，研究不同截齿排列滚筒截割块煤率。研究结果表明：对同一直径、不同叶片头数、不同截齿排列的滚筒，在截割时，随着螺旋叶片头数的增多，其载荷波动性减小；在2头螺旋叶片滚筒中，棋盘式滚筒的扭矩均值、方差等统计参数值均比顺序式的小，而棋盘式的块煤率比顺序式的大；具有3头螺旋叶片的畸变Ⅰ式和畸变Ⅱ式滚筒，在截割扭矩的统计参数值中除畸变Ⅰ式的方差小于畸变Ⅱ式的方差外，其余参数基本相等；并且，在4种滚筒中，畸变Ⅰ式截割时滚筒载荷的波动性最小，块煤率最大。

关键词：

破煤理论；截割试验台；截齿排列；截割扭矩；块煤率；

中图分类号：TD421.6         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)05-1281-07

Experimental research on picks arrangement of shearer drum

LIU Song-yong, DU Chang-long, CUI Xin-xia

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract: According to the cutting coal theory of the shearer, the cutting testbed of the coal and rock was developed. And four type shearer drums (the sequence, the punnett square, the aberrance Ⅰ and the aberrance Ⅱ) were designed according to the different picks arrangement and the helical vane starts. Based on this, the experiments of cutting property of the four different drums were carried on, and the statistics (the maximum, the minimum, the mean, the variance) of the cutting torques of the four drums were analyzed. At the same time, the cut particles were graded for studying the lump coal percentage of the four drums. The results indicate that the load fluctuation of the cutting drums decreases with the increase of helical vane when the drums have the same diameter, different helical vane starts and different picks arrangement. In the 2-starts vane drums (the sequence and the punnett square), the statistics of the torque of the punnett square is smaller than that of the sequence, but the lump coal percentage of the punnett square is bigger than that of the sequence. In the 3-starts vane drums (the aberrance Ⅰ and the aberrance Ⅱ), the statistics of the torque of the two drums are the same except that the variance of the aberrance Ⅰ is smaller than the aberrance Ⅱ, and the aberrance Ⅰ has the minimum load fluctuation and the maximum lump coal percentage in the four type drums.

Key words: cutting coal theory; cutting testbed; picks arrangement; cutting torque; lump coal percentage

采煤机滚筒是采煤机用来截煤、落煤、输煤的关键部件，其截齿排列、螺旋升角的合理与否直接影响着采煤机的截割效率、截割比能耗、可靠性、块煤率等参数。国内外学者对滚筒截齿、截齿排列、螺旋升角均进行了深入研究。如夏毅敏等^[1-2]利用仿真分析的方法对截齿的载荷以及载荷的特性分布进行了研究，指出截齿的最大载荷服从正态分布，为截齿应力分布的研究提供了理论指导；张守柱等^[3-4]分析了滚筒截齿排列的优化原则，并对棋盘式截齿排列的优化布置进行了阐述,为滚筒截齿的优化排列奠定了基础；Mazurkiewicz等^[5-7]分析了叶片包角与截割效果的关系，并利用线性回归方法预测了截割力公式；Du等^[8]在建立新的截齿截割力关系的基础上，以波动系数最小为目标，得到了不同截齿排列滚筒的波动系数，为滚筒的选择使用提供了理论基础；胡应曦等^[9]对滚筒截齿排列及滚筒转速与牵引速度的关系进行了理论分析，得到了不同截齿排列滚筒在不同转速下的牵引速度；刘送永等^[10-11]分别从滚筒的运动参数和结构参数出发，分析各个参数与滚筒截割效率、截割比能耗、块煤率、振动特性、装煤效果的关系，为滚筒设计提供理论基础。这些研究大多从理论角度对滚筒及其相关参数进行分析，很难给出滚筒截齿排列与滚筒载荷、截割块煤率之间的确切关系。为此，为找到合适的截齿排列方式，本文作者在建立截割试验台的基础上，对不同截齿排列形式的滚筒进行试验研究，并分析不同截齿排列方式对滚筒载荷以及截割块煤率的影响。

1  煤岩截割试验台的研制

根据滚筒采煤机截割理论，以相似理论为基础，建立煤岩截割试验台(图1)，此试验台包括主传动、辅助传动和测试系统3部分。

1—液压缸支架；2—推进油缸；3—推进导轨；4—电动机；5—联轴器1；6—减速器1；7—联轴器2；8—扭矩传感器；

9—联轴器3；10—轴承座；11—测力支架；12—压力传感器；13—试验滚筒；14—试验煤壁；15—齿轮-齿条机构；

16—平移导轨；17—减速器2；18—联轴器4；19—液压马达

图1  煤岩截割试验台

Fig.1  Cutting testbed of coal and rock

1.1  主传动

如图1所示，部件4~13为主传动部分。在本试验台中，滚筒只有旋转运动，其速度的变化由变频器来调节。由于变频调速速度低时，输出扭矩变小，为获得较大截割扭矩在传动系统中加1个减速器。同时，为测得滚筒的截割扭矩和截割力，在传动系统中加入扭矩传感器和测力装置。

1.2  辅助传动

为模拟井下采煤机工作时牵引速度自动调速，本试验台辅助传动回路采用液压驱动，包括2个回路：

一是试验煤壁的移动，通过电动机带动油泵工作，高压油经三位四通电磁阀带动马达旋转，马达经减速器带动齿轮-齿条系统使截割煤壁在平移导轨上移动。此回路为变量泵-定量马达组成的恒功率系统，马达输出轴调速由变量泵完成。该泵的油路压力与流量由恒功率变量系统控制互相补偿，当煤壁硬度发生变化时，滚筒的扭矩与牵引速度相互调整，达到恒功率自动反馈调速，与井下采煤机工作时牵引速度的变化相符。

二是滚筒的钻进，此回路只有模拟滚筒斜切进刀时使用，为变量泵-液压缸系统，主传动部分固定在导轨面上，靠液压缸伸缩实现滚筒的钻进和后退。

1.3  测试系统

本试验台的测试系统如图2所示。数据采集卡通过压力变送器和信号调理模块采集各种试验信号，并将数据直接传输到计算机中，通过虚拟仪器开发平台LabVIEW显示，同时，对信号进行分析处理。本测试系统可采集滚筒转速、扭矩、截割三向力以及煤壁的移动速度。滚筒三向力的方向定义为：以煤壁移动方向(图1垂直纸面向外)为Y轴，滚筒轴向为X轴，垂直XY平面的方向(图1沿纸面向上)为Z轴。为测得Y和Z方向的力，研制了测力装置(图3)，轴承压环底部开槽与轴承接触，共有4个轴承压环均布在轴承的圆周上，通过螺栓与压力传感器连接，压力传感器周边靠螺钉固定在测力支架上。截割时，轴承受力经轴承压环、螺栓传递给压力传感器。滚筒的轴向力靠固定在推进导轨下导轨面上的压力传感器测得。

图2  试验测试系统

Fig.2  Test system

1—测力支架；2—压力传感器；3—螺栓；4—轴承压环；

5—轴承；6—滚筒轴；7—螺钉；A-A—轴承压环的放大图

图3  测力装置

Fig.3  Force instrument

1.4  煤岩截割试验台

根据以上传动系统，以相似理论为基础，研制了煤岩截割试验台。该试验台滚筒截割功率为15 kW，转速为0~180 r/min，煤壁移动速度(牵引速度)为0~5 m/min，平移范围为0~2.5 m；扭矩测量范围为0~2 kN?m，测力传感器范围为0~5 kN；推进速度为0~2 m/min；煤壁长×宽×高为1 400 mm×500 mm×  900 mm。

2  采煤机滚筒的截割试验

2.1  试验滚筒的研制

试验滚筒的研制以相似理论为基础，以1 600×  1 000型滚筒为原型，1/3为相似比。根据不同的叶片头数、截齿布置研制4种试验滚筒。为了使试验时滚筒运行平稳、振动较小，滚筒螺旋叶片、端盘截齿、叶片截齿周向均匀布置。叶片截齿布置在8条截线上；端盘截齿分为3组，每组4个，分别为A，B，C，D，布置在4条截线上；所有截齿的冲击角为40?，叶片截齿的倾斜角为0?，端盘截齿的倾斜角如图4所示，端盘截齿A，B，C和D的倾斜角分别为45?，35?，23?和12?。根据叶片截齿排列的不同，分为顺序式、棋盘式、畸变Ⅰ式、畸变Ⅱ式4种滚筒。所有滚筒的端盘截齿布置相同，截齿周向均匀布置。4种滚筒的叶片截齿布置形式及实体图如图5所示。

2.2  截割材料的研制

进行模型滚筒试验时，截割材料的特性具有重要地位，其特性与天然煤岩的各项特性是否一致，将直接影响试验结果的准确性^[12]。但是，由于影响煤岩性质的因素较多，要保证模拟截割材料与真实煤岩特性之间所有的相似关系，往往很难做到，因此，只能采用近似的方法来研究。模拟煤岩可采用2种方法：

图4  端盘截齿倾斜角

Fig.4  Tilt angle of back plate picks

(a) 顺序式；(b) 棋盘式；(c) 畸变Ⅰ式；(d) 畸变Ⅱ式

图5  不同截齿排列的滚筒图

Fig.5  Drum diagram of different picks arrangement

一种是采用天然煤岩作截割材料，即用原型材料来进行试验。但采用此方法将使截割材料的特性不能满足相似准则的要求而使试验完全成为畸变模型试验，会使问题变得更为复杂。同时，由于截割材料强度不变而模型的几何尺寸减小，必然会引起模型强度不足。因此，采用天然煤岩作截割材料不是理想的方法，并且采用大块天然煤岩作截割煤岩试验更是困难。

另一种方法是根据对截割效果有决定意义的参数配制模拟截割材料，通过控制不同材料的配比而使其特性尽可能满足相似准则，尽量减小模型畸变，从而使试验结果更准确。

第2种方法比较适合滚筒模型试验^[13]。

同时，为了使试验结果具有重现性及试验的一致性，模拟截割材料应具有尽可能均质的结构。这样，可排除一些次要因素的干扰，简化问题。而人为配制的非均质材料将使影响试验结果的因素增多，具有不确定性，甚至出现畸变。为此，配制均质截割材料是进行模型试验的最佳选择，也具有实际意义。但是，配制材料的成分越多，各成分的配比选取越困难，且不易把握。为此，本文以粉煤为本体，以525号水泥、水为粘合剂，对5种模拟截割材料进行配制，试验煤样的高径比为2?1，并在MTS电液伺服岩石试验系统上测定其抗压强度、泊松比，应力-应变的初始值如图6所示，测定结果如表1所示。

1—1号样品；2—2号样品；3—3号样品；4—4号样品；5—5号样品

图6  应力—应变曲线图

Fig.6  Stress—strain curves

试验资料表明，由于煤层中存在层理、节理和裂隙，而人造模拟截割材料质地较均匀，因而，人造模拟截割材料的抗压强度大约为天然煤的2.5倍。即抗压强度为10 MPa的人造模拟截割材料，相当于抗压强度为25 MPa的天然煤，为此，根据抗压强度及相似定理可得模拟的抗压强度(表1)。

表1  截割材料配比及性能

Table 1  Cutting material and its properties

2.3  滚筒截割试验及结果分析

本试验主要研究中硬煤层的破碎特性，故选择截割材料抗压强度为1.97 MPa的样品作为截割煤壁，并在滚筒平均转速为125 r/min、煤壁初始移动速度为1.0 m/min时进行试验，不同截齿排列的螺旋滚筒截割时的扭矩曲线如图7所示，其统计分析结果如表2所示。

(a) 顺序式；(b) 棋盘式；(c) 畸变Ⅰ式；(d) 畸变Ⅱ式

图7  不同截齿排列的滚筒扭矩

Fig.7  Torque of different pick arrangement drums

表2  截割扭矩的统计分析

Table 2  Statistics analysis of cutting torque

从图7和表2可以看出，直径相同、不同截齿排列的滚筒其截割扭矩不同。对于2头叶片的顺序式和棋盘式滚筒，棋盘式扭矩均值较小，说明其截割比能耗较小。这是棋盘式布置使两截齿间隔大，切削断面大、方正性好所造成的。同时，截割比能耗与采煤机滚筒运动参数间的关系式^[11]：

从式(1)可以看出，当截割阻抗、截齿、牵引速度、滚筒转速相同时，截割比能耗只与每条截线上的截齿数有关，棋盘式每条截线上的齿数为1，而顺序式每条截线上的齿数为2，由此可知棋盘式截割比能耗比顺序式的小。同时，棋盘式扭矩的方差、最大平均值较小，说明截割时滚筒载荷的波动较小，对截齿的冲击也较小。对于3头的畸变Ⅰ式和畸变Ⅱ式滚筒，其截割扭矩的最大值、均值、最大平均值基本相同，说明截割时这2种滚筒上截齿所受载荷也基本一致；但是，畸变Ⅰ式方差较小，说明截割时滚筒所受载荷波动较小，这是由于畸变Ⅰ式切削图的方正性要比畸变Ⅱ式的好^[14]。

同时，为了对4种滚筒的截割块煤率进行比较，对截落煤岩粒度进行分级，分级结果如表3所示。假如以粒度是否大于15 mm为块煤的标准，从表3可以看出，对于2头叶片的顺序式和棋盘式滚筒，棋盘式大于15 mm的煤块比顺序式多约5%，并且较大块度的煤也较多。而对于3头的畸变Ⅰ式和畸变Ⅱ式滚筒，其块煤率基本相同，但是，均大于顺序式和棋盘式的块煤率。从理论上分析，根据单齿理论，最大切屑厚度为：

从式(2)可以看出，当滚筒转速和牵引速度一定时，棋盘式、畸变Ⅰ式、畸变Ⅱ式截齿排列的滚筒其m为1，顺序式的m为2，根据单齿的理论最大切屑厚度公式可知，棋盘式、畸变Ⅰ、畸变Ⅱ式的单齿理论最大切屑厚度大，其块煤率也大。而在4种滚筒中，畸变Ⅰ式的单齿切削断面最大，方正性最好，因此，其截割块煤率最大。

表3  截割粒度分级表

Table 3  Classification of cutting particle

3  结  论

a. 滚筒截齿的不同排列直接影响着滚筒载荷均值、滚筒运行的稳定性和截割块煤率；并且同一直径的滚筒，随着螺旋叶片头数的增加，其运行稳定性增加。

b. 在同一直径、不同截齿排列、不同螺旋叶片头数的滚筒中，畸变Ⅰ式的载荷波动最小，块煤率最大，但其扭矩均较大。

c. 在有2头螺旋叶片的滚筒中，棋盘式滚筒所受载荷、载荷波动均比顺序式的小，并且其块煤率比顺序式的大；而对于具有3头螺旋叶片的畸变Ⅰ式和畸变Ⅱ式滚筒，它们所受载荷的均值、最大平均值、块煤率基本相同，但畸变Ⅰ式截割时载荷波动较小。

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收稿日期：2008-12-23；修回日期：2009-03-24

基金项目：国家“863”重点项目(2008AA062202)；江苏省研究生科研创新基金资助项目(CX08B_041Z )

通信作者：刘送永(1981-)，男，河北石家庄人，博士研究生，从事机械设计理论、煤岩截割理论研究；电话：13813459248；E-mail: liusongyong@163.com