滚筒采煤机截割部的工作机构优化方案

滚筒采煤机截割部的工作机构的作用是承担落（碎）煤、装煤任务，是采煤机的重要部件。其包括截齿和滚筒两大部件。其中，螺旋滚筒式工作机构是使用较广泛的工作机构，如图1−7所示。

图1−7 螺旋滚筒式工作机构

1.截齿

1）截齿的作用

截齿是采煤机直接落煤的刀具，其外形如图1−8所示。截齿的几何形状和质量直接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。

2）截齿的要求

对截齿的基本要求是强度高、耐磨损、几何形状合理、固定可靠。

3）截齿的类型

采煤机使用的截齿主要有扁截齿和镐形截齿两种，如图1−8所示。

图1-8 截齿外形

（1）扁截齿。如图1−8（a）所示，扁截齿是沿滚筒径向安装的，故又称径向截齿，习惯称为刀形截齿。这种截齿适用于截割各种硬度的煤，包括坚硬煤和黏性煤，在生产中使用较多。其刀体端面呈矩形。

（2）镐形截齿。如图1−8（b）和图1−9所示，镐形截齿刀体的安装位置接近滚筒的切线处，因此镐形截齿又称为切向截齿。这种截齿一般在脆性煤和节理发达的煤层中具有较好的截割性能。

镐形截齿结构简单，制造容易。从原理上讲，在进行截煤工作时，截齿可以绕轴线自转而自动磨锐，以保持截齿头部锋利，从而利于截煤。

图1−9 镐形截齿

4）截齿的材料

截齿的材料一般为40Cr、35CrMnSi、35SiMnV 等合金钢，经调质处理获得足够的强度和韧性。扁截齿的端头镶有硬质合金片，镐形截齿的端头堆焊硬质合金层。硬质合金是一种碳化钨和钴的合金。碳化钨硬度极高，耐磨性好，但性质脆，承受冲击荷载的能力差。在碳化钨中加入适量的钴，可以提高硬质合金的强度和韧性，但硬度稍有降低。截齿上的硬质合金常用YG−8C 或YG−11C。YG−8C 适用于截割软煤或中硬煤，而YG−11C 适用于截割坚硬煤。经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切屑厚度，可以提高煤的块度，减少煤尘。

5）截齿的固定

截齿的固定方式，对于小型镐形截齿采用弹簧圈把截齿固定在齿座上；对于扁截齿用柱销将其固定在齿座上，为了防止柱销外移或转动，再用弹簧钢丝定位；有的截齿利用插在橡胶圈内的柱销定位，柱销两端卡在齿座相应的光槽里。具体的固定方法如下（图1−10）：

（1）扁截齿的固定方式。

①图1−10（a）中，销钉和橡胶套装在齿座侧孔内，装入截齿时靠刀体下端斜面将销钉3 压回，对位后销钉被橡胶套弹回至刀体窝内而将截齿固定；

②图1−10（b）中，销钉和橡胶套装在刀体孔中，装入时，销钉沿斜面压入齿座孔中而实现固定；

③图1−10（c）中，销钉和橡胶套装在齿座中，用卡环挡住销钉并防止橡胶套转动，装入时，刀体斜面将销钉压回，靠销钉卡住刀体上的缺口而实现固定。

图1−10 扁截齿的固定方法

1—刀体；2—齿座；3—销钉；4—橡胶套；5—硬质合金头；6—卡环

（2）镐形截齿的固定方式如图1−11所示。

6）截齿的配置

螺旋滚筒上截齿的排列规律称为截齿的配置。合理地选择参数和配置形式，可使煤的块度合理，截割比能耗小，滚筒荷载变化小，机器运行稳定。

双头螺旋滚筒截齿的配置及排列示意如图1−12所示（截齿配置图是将截齿展开为平面，并将安装角度和位置标在图上）。

用实线表示齿尖的运动轨迹的水平线（即截线）；相邻截线间的距离就是截线距；竖线表示截齿；实心或空心点表示截齿齿尖（实心的点是有角度的）；粗实线代表螺旋叶片；“+”表示向煤壁倾斜；“—”表示向采空区倾斜。不偏斜的齿称为0°齿。在螺旋叶片上的齿，一般全部装成0°的。

图1−11 镐形截齿的固定方法

图1−12 双头螺旋滚筒截齿的配置及排列示意

螺旋滚筒上截齿的特点如下：

（1）叶片上截齿按螺旋线排列，大部分是变截距的，如图1−13（a）所示。

（2）滚筒端盘截齿排列较密，为了减少端盘与煤壁的摩擦，截齿应倾斜安装。靠内侧的煤壁处顶板压张效应弱，截割阻力较大，为了避免截齿受力过大，减轻截齿过早磨损，端盘截齿配置的截线应加密，截齿应加多。端盘截齿一般为滚筒总截齿数的一半左右，端盘消耗功率一般约占滚筒总功率的1/3，如图1−13（b）所示。

2.螺旋滚筒

1）螺旋滚筒的结构

螺旋滚筒是滚筒采煤机的截割机构，用来落煤和装煤。

螺旋滚筒的结构如图1−14所示，主要由叶片、筒毂、端盘组成。螺旋叶片和端盘有齿座，其上装有镐形截齿和扁截齿，叶片由20～30 mm 厚的钢板锻压而成，内有喷雾水道，两齿座之间装有内喷雾喷嘴。螺旋滚筒一般为铸焊结构，即齿座、筒毂和端盘是单独铸造或锻造的，加工后和叶片组焊成一体。滚筒也有整体铸造的。

图1−13 截齿排列示意(www.xing528.com)

（a）变截距截齿排列示意；（b）双头螺旋滚筒截齿排列示意

2）螺旋滚筒的结构参数

螺旋滚筒的结构参数主要有直径、宽度、螺旋叶片的头数和升角以及截齿的排列等。

（1）滚筒的三个直径

滚筒的三个直径是指滚筒直径D、筒毂直径Dg 及螺旋叶片外缘直径Dy，如图1−14所示。

图1−14 螺旋滚筒的结构及实物

（a）结构
1—筒毂；2—螺旋叶片；3—端盘；4—法兰；5—水管导板；6—齿座；7—截齿；8— 喷嘴；9—兰盘内孔

图1−14 螺旋滚筒的结构及实物（续）

（b）实物
10—端盘；11—螺旋叶片；12—齿座；13—喷嘴；14—筒毂

滚筒直径是截齿齿尖的截割圆直径，是三个直径中最大的直径。常用的直径范围为0.65～2.3 m。我国规定的滚筒直径系列有0.50 m、0.55 m、0.60 m、0.70 m、0.75 m、0.80 m、0.85 m、0.90 m、0.95 m、1.00 m、1.10 m、1.25 m、1.40 m、1.60 m、1.80 m、2.00 m、2.30 m和2.60 m。

①滚筒直径（D）。滚筒直径主要取决于所采煤层的厚度（或采高）和采煤机的形式。对于摇臂调高式双滚筒采煤机，滚筒直径一般应稍大于最大采高的0.5 倍；对于底托架调高的双滚筒采煤机，滚筒直径一般应小于煤层的最小厚度（一般应小于0.1～0.2 m）；对于中厚煤层的单滚筒采煤机，滚筒直径应为最大采高的0.5～0.6 倍；对于薄煤层双滚筒采煤机或一次采全高的单滚筒采煤机，滚筒直径应为煤层最小厚度减去0.1～0.3 m。

②筒毂直径（Dg）。筒毂直径决定了叶片间的体积。在相同外缘直径条件下，筒毂直径越小，其空间越大；反之，筒毂直径越大，空间就越小，也使煤在滚筒内循环和重复破碎的可能性增加。

③螺旋叶片外缘直径（Dy）。其是指齿座凸出的最大直径。

表1−1所示为滚筒三个直径间的关系。

表1−1 滚筒三个直径间的关系

（2）滚筒宽度

滚筒宽度是滚筒边缘到端盘最外侧截齿齿尖的距离，也即采煤机的理论截深。目前，采煤机的截深有0.6～1.0 m 多种规格，其中以0.6 m 用得最多。随着综采技术的发展，也有加大截深到1.0～1.2 m 的趋势。一般滚筒的实际截深小于滚筒的结构宽度，也就是滚筒的宽度应等于或稍大于采煤机滚筒截深。

（3）滚筒螺旋叶片头数、升角，旋向及转向

滚筒螺旋叶片头数、升角，旋向及转向对落煤特别是装煤能力有很大影响。

①叶片头数。根据螺旋叶片的数量，螺旋滚筒可分为单头螺旋滚筒、双头螺旋滚筒、三头螺旋滚筒和四头螺旋滚筒四种。双滚筒采煤机常用的是双头或三头螺旋滚筒。螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定的，对装煤效果影响不大。直径D＜1.25 m 的，一般用双头螺旋滚筒；1.25 m＜D＜1.4 m 的，一般用双头或三头螺旋滚筒；1.4 m＜D＜1.6 m 的，用三头或四头螺旋滚筒。

②升角。单头螺旋叶片及其展开后的形状如图1−15所示。Dy 和Dg 分别表示螺旋叶片的外径和内径。螺旋的直径不同，升角也不同，螺旋叶片的外缘升角和内缘升角分别为αy和αg。显然，螺旋叶片的外缘升角小于内缘升角。

螺旋叶片升角的大小直接影响装煤的效果。一般来说，升角越大，螺旋的排煤能力越大，但升角过大，会将煤抛出很远，以致甩到溜槽的采空区侧，并且引起煤尘飞扬；升角越小，螺旋的排煤能力越小，煤在螺旋叶片内循环，造成煤的重复破碎，使能量消耗增大。大量实验表明，螺旋叶片的外缘升角在20°左右，螺旋叶片的内缘升角为40°～50°范围内装煤效果较好。

式中 α——螺旋叶片升角；

n——螺旋头数；

S——螺距，其大小应保证从滚筒中顺利地排出煤，一般为0.25～0.4 m；

D——对应的直径。

图1−15 单头螺旋叶片及其展开后的形状

（a）单头螺旋叶片；（b）展开后的形状

③旋向。螺旋滚筒螺旋线的方向有左旋和右旋两种，分别称为左旋滚筒和右旋滚筒。其合理的旋向关系到装煤效果、运行稳定性和操作员操作的安全性。

④转向。双滚筒采煤机有两个滚筒，分别称为左滚筒和右滚筒。采用反向对滚的双滚筒采煤机，左截割部用左旋滚筒，右截割部用右旋滚筒。一般其前端的滚筒沿顶板割煤，后端滚筒沿底板割煤。这种布置一是可以使两滚筒截割阻力相互抵消，增加机器的稳定性；二是使操作员操作安全，煤尘少，装煤效果好［图1−16（a）］。

在某些特殊条件下，例如煤层中部含硬夹矸时，可使左螺旋的右滚筒逆时针旋转，右螺旋的左滚筒顺时针旋转［图1−16（b）］。运行中，前滚筒割底煤，后滚筒割顶煤。在下部采空的情况下，中部硬夹矸易被后滚筒破落下来。

某些型号的薄煤层采煤机，滚筒与机体在一条轴线上。前滚筒割出底煤以便机体通过，因此也采用“前底后顶”式布置。后滚筒割顶煤后，立即移支架，以防顶煤或碎矸垮落［图1−16（d）］。

图1−16 双滚筒采煤机滚筒的位置和转向

单滚筒采煤机，其转向和工作面有关。左、右工作面是站在工作面下方向上高处看，在左面的称为左工作面，在右面的称为右工作面。

用于左工作面选右螺旋滚筒，用于右工作面选左螺旋滚筒。这样的滚筒旋转方向有利于采煤机稳定运行。当采煤机上行割顶煤时，其滚筒截齿自上而下运行，煤体对截齿的反力是向上的。但因滚筒的上方是顶板，无自由面，故煤体反作用力不会引起机器震动。当机器下行割底煤时，煤体反力向下，也不会引起震动，并且下行时负荷小，也不易产生“啃底”现象。这样的转向还有利于装煤，产生煤尘少，煤块不会抛向操作员位置，如图1−17所示。

在特殊情况下，有的工作面将采煤机滚筒位于回风巷方向一端。其在进行截割时，采煤机截割部在工作面上方，牵引部在下方，这时右工作面应采用右螺旋滚筒，左工作面采用左螺旋滚筒。其优点是，改善了操作员的工作条件，可使其少吸煤尘；电动机处在进风流中，有利于操作员的人身安全；电缆车在机体下方，可不必通过机体以减少挤坏电缆事故。其缺点是，上行时机体不稳，功率消耗大；下行时采煤机后方煤尘大，对跟机操作人员的身体健康不利；输送机煤流通过采煤机下部，使块煤率下降，有时还会被大块煤卡住等。因此这种方式应用较少，仅在少数倾角较小的工作面上使用。

图1−17 单滚筒采煤机的滚筒转向

（a）右工作面；（b）左工作面

⑤滚筒的转速。滚筒的转速对煤的块度、生成的粉尘量以及装煤能力都有影响。一般来说，对于直径一定的滚筒，滚筒的转速越高，切削量就越小，煤的块度就越小，块煤量就越少，产生的煤粉量越大，单位能耗增加。滚筒采煤机要求滚筒的装煤能力大于落煤能力，否则落下的煤会堵塞在螺旋叶片中。因此，滚筒转速的选择要同时考虑装煤效果与煤粉生成量。一般滚筒转速为30～50 r/min。