采煤机螺旋滚筒结构优化设计

摘要

螺旋滚筒式采煤机是迄今为止综采面最重要的工作机器,滚筒作为滚筒式采煤机的关键机构和工作设备,其工作性能和生产效率决定采煤机功能。因此，建立了螺旋滚筒模型和刀齿模型，而且对螺旋滚筒载荷的分析，还有对螺旋滚筒参数优化设计具有十分重要的意义。

本论文采用理论分析、研究的方法，对滚筒式采煤机截割性能和截割动、力学性质进行了分析研究。本论文以采煤机截煤理论为依据，建立煤岩特性数学模型、螺旋滚筒模型、镐型截齿模型以及截割载荷模型，研究了煤的性质、镐型截齿参数、螺旋滚筒结构参数和运动参数对螺旋滚筒扭矩、比能耗、块煤率的影响，进一步得到了相关参数间的表达式和规律；以理论数据为依据，以MATLAB为工具，对截割载荷进行了分析，得到了截齿载荷变化的波形和随煤岩性质不同的变化趋势；同时，描述了切割破碎煤负载变化滚筒的过程中，破碎煤模型和动态力学模型滚筒建立切割煤岩的基础上得到采煤机的约束。本论文对单齿载荷模型和单齿破煤负荷分布的分析，在此基础上的理论，采用随机理论，建立了单齿随机载荷的典范。在直角坐标系下,对滚筒采煤机滚筒受力进行理论分析,进而建立了随机三向力系和随机三向力矩系的模型,以MATLAB软件做为研究平台,编写了每个随机载荷的理论模拟程序。在螺旋滚筒基本尺寸给定和特定煤层形式情况下,以滚筒的截齿和螺旋叶片布置形式为设计变量,以降低载的荷波动为目的,并利用MATLAB进行优化计算。

关键词：滚筒式采煤机；截割理论；采煤机滚筒；滚筒截割性能；载荷;

Abstract

At present,shearer is the uppermost work equipment in fully-mechanized coal working face ,the screw drum is shearer`s pivotal part and working framework,Its capability stand or fall decide shearer`s work performance and production efficiency.so it is significant to establish pick screw drum`s load model,simulate screw drum`s load, and optimize design for parameters of the screw drum.

With regard to this, the theoretical analysis, simulation and experiment are combined to investigate the cutting performance shearer drum and dynamic characteristic of the cutting system in this thsis . According to the shearer cutting theory, Mathematical Model for the coal characteristic , the drum, the pick and the cutting load are built. The influence of the coal characteristic, pick structure parameters and drum structure parameters on the drum cutting torque, cutting specific consumption and lump coal percentage are investigated, and the relationship expression and variation laws are acquired.According to the experiment date and talking the wavelet theory as guidance . Regard MATLAB software as the platform , the detail wave of the load change and the change trend of load along with the coal characteristic change are obtained. And the influence laws of the coal-rock interface form on the cutting system frequency are acquired , too.the load variation is described . Based on the built constitutive model of catastrophe and dynamic model , the cusp catastrophic model of the drum cutting coal is established,and the rigidity and energy conditions are acquired for the shearer cutting availably. On the foundation of the theory which is about the single pick`s average load, analyzed loads`s probability distribution and relevance when a single pick cuts various coal rock, on this basis, utilizing the stochastic process theory, set up the mathematical model about the single pick`s stochastic loads. Under the coordinate of Descartes, analyzed the loads of continuous mine`s cutting drum, and set up the mathematical model about drum`s stochastic strength and moment which include three direction. Regard MATLAB software as the platform, write each stochastic loads`s simulation

programme. Analyzed the spectrum of simulated load in frequency field, time field and amplitude field ,studied load`s desity of probability distribution, since(or mutual) relevance, since(or mutual) desity of the power spectrum. And analyzed each parameter`s influence to base wave frequency and other main frequency of loads. Set up the fuzzy optimize models which regard reducing the loads fluctuation as the goal function, and regard assigned form of pick and blade , rotational speed of cutting drum, swing speed of rocker arm as designed variable, and optimized the parameters using corresponding optimize function in MTALBA`s optimization toolbox.

Keywords: shearer; cutting theory; shearer drum; drum cutting performance

目录

1绪论 (1)

1.1滚筒式采煤机概述 (1)

1.2国内外采煤机研究现状 (2)

1.3本课题的研究目的和意义 (3)

1.4本课题的研究内容和方法 (4)

2滚筒式采煤机截煤理论 (5)

2.1 煤的特性 (5)

2.1.1 煤的结构特性 (5)

2.1.2 煤的物理机械性质 (6)

2.2 截齿破煤理论分析 (10)

2.2.1 截齿破煤过程 (10)

2.2.2 截齿截煤截割力模型的建立 (11)

2.3 滚筒截煤理论分析 (13)

2.3.1 滚筒受力分析 (14)

2.3.2滚筒运动学分析 (16)

3采煤机螺旋滚筒结构设计与参数分析 (18)

3.1采煤机螺旋滚筒参数的计算 (18)

3.2 截齿结构设计及参数确定 (23)

3.2.1 齿尖夹角及其对螺旋滚筒截割性能的影响 (24)

3.2.2齿身锥角及其对螺旋滚筒截割性能的影响 (25)

3.3螺旋滚筒结构设计及参数确定 (26)

3.3.1截深的选定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 (27)

3.3.2截齿排列的设计及其对螺旋滚筒截割性能的影响 (27)

3.3.3截线距的确定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 (29)

3.3.4螺旋升角的确定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 (31)

3.4端盘结构设计及其参数确定 (31)

3.5螺旋滚筒运动参数确定 (32)

3.5.1运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的理论分析 (33)

3.5.2运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的结论 (34)

4 MATLAB优化方法和优化程序设计 (35)

4.1MATLAB中的M文件 (36)

4.1.1 M文件的组成 (36)

4.1.2 M文件编辑器 (36)

4.1.3 M文件的编写 (37)

4.2 优化程序设计 (39)

参考文献 (41)

致谢 (42)

1绪论

1.1滚筒式采煤机概述

机械化采矿工程年中的重要设备是螺旋滚筒式采煤机，螺旋滚筒式采煤机是典型的机电和液压系统，直接决定着采煤的效率，有大质量(20~200T) 、大功率(300~2400kW)和高产量(100~1000万吨/年)等的特点，在机械化采矿设备中，使用量占到 90%以上。螺旋滚筒式采煤机划分为单滚筒和双滚筒采煤机，单滚筒采煤机只适用在薄煤层中，且现在使用量稀少，因此本论文所要讲述的滚筒采煤机指的是双滚筒采煤机。双滚筒螺旋采煤机能免开缺口、适应复杂的顶条件和底板条件，适用于各种性质煤矿，能割硬质煤；采高大，调高较为方便，在斜煤层中其采高为0.65~6.0m，采用无链牵引时能在35°~54°的条件下工作。可根据煤层厚度来选择螺旋滚筒的规格尺寸，极薄煤层0.3~0.5m不可采，薄煤层0.5～1.3m 采用滚筒直径为600~1000的滚筒，中厚煤层1.3～3.5m采用直径为1000~3000的滚筒，厚煤层3.5～8.0 m，特厚煤层大于8.0 ，采用直径为3000~3500的滚筒。采煤机选用具有上述好处，滚筒式采煤机很快得到了普及和推广，并在性能和结构方面继续改进和日趋完善。

螺旋滚筒式采煤机的结构如图1-1 所示，包含四大部分：中间箱、牵引机构、行走机构、截割机构。中间箱为采煤机的动力部分与控制部分。牵引机构是行走机构的动力源与传动部分，牵引方式的不同导致动力源的不同，主要是电牵引和液压牵引两种方式，依靠固定箱下边滑靴与布置在工作面上的输送机轨道相接触，并被支撑起来。行走机构利用牵引电动机或者液压马达输出的动力经过减速后，传到

1-中间箱 2-牵引部 3-行走部 4-截割部

图1-1 采煤机结构图

行走箱行走轮，和输送机上销轨啮合，使滚筒式采煤机行走，可实现无极变速，在破煤过程中随着截割煤层的性质不同进一步调节牵引速度。截割机构包括摇臂与滚筒，摇臂起传动、减速、调节采高的作用，螺旋滚筒转动直接作用在煤壁上，依靠安装其上的镐型截齿破煤，利用叶片将截割下来的煤送到和采煤机配合的输送机上。在以上采煤机的四大机构中，截割机构的螺旋滚筒是滚筒采煤机的工作机构，因而直接作用于煤层，工作条件很恶劣，因此，截割性能的优劣直接影响螺旋滚筒采煤机的使用寿命与截割性能，并对煤矿企业的效益产生直接影响。采煤机螺旋滚筒包括端盘、螺旋叶片、截齿、齿靴、齿座、筒毂和喷嘴七个部分，如图1-2 所示。

图1-2 采煤机螺旋滚筒

1.2国内外采煤机研究现状

20世纪中后期,英国和前苏联前后对滚筒采煤机的螺旋滚筒作了技术改造,一是螺旋滚筒能在使用过程中调高,解决对煤层存方式的适应性;二是把圆形筒体改成螺旋叶片截割滚筒,大大地提高了装煤的效率。这次改造就给螺旋滚筒采煤机奠定了现代化采煤机械的基础。

90当前国内外使用的采煤机主要是能调高的双滚筒式采煤机,经过改造的滚筒采煤机,可追溯到长壁采煤法中的采煤机,前期用于煤底部掏煤槽的采煤机。最早的螺旋滚筒式采煤机是在采煤机的基础之上,将减速箱部分改装成安一根水平轴与截割滚筒而演化形成的。这种螺旋滚筒式采煤机与刮板输送机配套,奠定了矿山开采机械进步的基础。

早期的螺旋滚筒采煤机有两方面坏处,

第一：采煤滚筒安装高度不能在使用中调节(固定滚筒),对煤层厚度适应性较差;

第二：破煤滚筒的装煤效果不佳(圆形滚筒),限制了采煤机生产效率。

第三：我国滚筒的尺寸系列难以达到要求。

前苏联、德国等是世界的采矿大国,所以对采煤机螺旋式滚筒和载荷都进行了研究,而且研究的较早。特别是在20世纪中叶成绩比较突出。中叶前苏联就开始了对煤层的机械特性和抗切削强度理论研究,对截齿破煤载荷理论计算进行了探讨。中期前苏联采用计算机模拟对采煤机螺旋滚筒截煤时的负荷进行了理论研究。英国对破煤做了理论研究和大量的实验,提出了新的破煤理论。70年代后期,前苏联、英国利用数字计算机，做了滚筒及镐型截齿的负荷模拟实验研究。

我国采煤机械从是20世纪中后期主要靠进口采煤机满足我国的生产需求,对采煤机的理论研究处于萌芽时期，大部分是引进、再到仿制阶段。近些年来,有关于滚筒采煤机的文献和试验研究越来越多,有较多以采煤机机械实验系统的模型为基础,从力学、运动学、煤层力学的角度,对采煤机性能进行了研究和探讨,例如,适应半煤岩采煤机的研制和开发;增大块煤率的螺旋滚筒无级调速理论研究;电牵引采煤机的水介质调高和高压喷雾灭尘系统理论研究,利用工作面乳化液作为传动介质的调高系统理论研究;特殊环境下采煤机的理论研究,如螺旋钻采煤机开发; 工况的监测、故障的诊断、显示和自动的控制也自动调高系统开发等。

1.3本课题的研究目的和意义

采煤机螺旋滚筒工作在煤岩分布不均、特性多变且具有很大的随机性的工作面上,其载荷成分复杂,容易引起机器的振动,进而影响滚筒采煤机的使用寿命和工作时的可靠性,因此,很有必要对螺旋滚筒载荷进行研究。

研究的内容：

第一：改进滚筒的材料强度。

机械化采矿的核心机器是采煤机,螺旋滚筒又是采煤机的重要工作机构,起截煤与装煤任务。世界各国都对滚筒采煤机进行研究和设计,除了分析和计算外,还要对其的材料进行实验研究。

第二：该井摇臂和滚筒的连接部。

在物理模型上进行仿正。因为经济性、安全性和可行性方面考虑,在实际的采煤机上进行不宜做到。然而采煤机滚筒工作比较复杂,影响因素比较多,很难用理想的物理模型进行研究。只对单一参数的模型进行分析研究，加强连接的强度。

第三：我国滚筒的尺寸系列难以达到要求。

因此,用先进计算机模拟技术对采煤机滚筒的载荷进行仿正研究。对大直径惊醒强度模拟，设计大直径高强度滚筒。

对螺旋滚筒进行优化设计研究,对煤炭生产向着高效和高产方向发展有一定实际意义与经济价值。

1.4本课题的研究内容和方法

本文基于基础知识通过计算的方法对滚筒载荷进行研究主要包括以下二部分：第一部分：以截齿的破煤理论为依据,研究左、右滚筒上单齿截割煤岩时的截割阻力、牵引阻力的值的变化情况,在此基础上,结合前苏联学者对齿载荷的统计方法和成果,利用计算机的MATLBA平台进一步分析研究单齿截割煤岩时载荷的分布。

第二部分：以单齿的载荷理论、载荷的分布为基础,建立单齿的载荷的力学模型,通过分析滚筒所承受的三向力和三向力矩,并考虑煤岩夹层对载荷影响,建立滚筒三向力和三向力矩的数学力学模型。根据所建立的数学力学模型,在MATLAB中编写相应的载荷模拟程序,对载荷进行力学模拟分析。

2 滚筒式采煤机截煤理论

煤岩是滚筒采煤机滚筒的截割对象，对采煤机的螺旋滚筒的受力、比能耗、块煤率和生产效率、机器的寿命、功率等均有直接的影响。因此，要了解煤岩的结构性质、物理性质用以提高采煤机效率。与此同时，为研究采煤机的截割的机理，探索采煤机螺旋滚筒破煤过程的合理的运动参数、结构参数，以提高螺旋滚筒式采煤机的稳定性和可靠性，使它更有效的生产和工作，需对镐型截齿的破煤理论、螺旋滚筒的力学性质和运动性质进行分析研究计算。

2.1 煤的特性

煤岩是采煤机的破碎对象，煤的结构特性及其物理机械特性对采煤机螺旋滚筒的载荷、截割比能耗、块煤率、效率、可靠性、运行平稳性和使用寿命均有直接影响，且对采煤机的选型和使用约束条件也有影响。因此，对螺旋滚筒式采煤机破煤理论的研究，须了解煤岩的结构特性以及煤的物理和机械性质。

2.1.1 煤的结构特性

煤岩是远古时期的沉积物，在高温、与空气隔离和高压环境下，经力漫长碳化过程而形成的。原始的沉积物不同，碳化变质程度的不同，使煤的物理机械特性和煤的结构特点在不同地域有很大不同。煤岩层在沉积过程中形成的分层面称为层理，地压使煤破碎而形成的裂面称为节理，使煤处处的性质不尽同，即煤是一种各向异性非均质性的脆性的产品。煤的结构特性主要有以下两个方面：

(1) 原生性构造特点

原生性的构造特点是由煤生成时的地质条件导致，像生成煤岩材料、当时的自然的环境等。人们用一下几个概念描写原生性构造特点，节理、层理和非均质性等。原生性的构造特点属于潜伏性的特点有层理和节理，指在煤岩层中固有的结构中，是一种不连续性的弱结合面。肉眼是不易观察到它们的，只能在煤层遭到破碎过程中表现出来，这时我们能注意到的是光滑的离层面。

(2) 次生性构造特点

次生性构造是由于动力形成的煤的性质，一般运用裂隙和断裂这两概念来描述。断裂指在煤岩层内很是较明显的分离面；裂隙是指煤层内崩开着很明显的大裂纹。煤岩层中存在着的弱结合面，使煤层的强度大大降低。在煤岩的开采中，为降低能耗和延长采煤机的寿命，采煤机采煤中应利用弱结合面的煤层的强度低的这一特点。煤层的裂纹主要有以下几种形态性质：

多缝性：几条参差不齐的裂缝同时存在；

不规则性：裂缝走向呈现不规则的折线状；

易窜性：普遍情况下，煤层厚度小，裂纹不可能一直在煤岩层中延伸，易窜至顶板和底板甚至更远；

复杂性：垂直纹、水平纹、斜交纹同时存在的可能性很大。

煤岩的结构很复杂，有时在煤岩的小分层中有整层的其它矿物杂质成分，比煤岩强度高，称之为夹矸。岩石夹矸有泥板、粉沙，少有石灰岩或沙岩。矿物成分包括硫化物类、碳酸盐类和硅化物矿。为了评价采煤面的煤岩中含有岩石的夹层夹矸的含量及特性，需要测量出其煤层厚和夹矸层的厚，以确定夹矸的岩石学类别和抗切削的强度。

2.1.2 煤的物理机械特性

煤的物理机械特性对采煤机的螺旋滚筒、镐型截齿种类的选择和截割载荷的大小均有很大的影响，所以必须知道与采煤机破破煤过程相关的煤岩的物理机械特性。

煤岩的物理性质由其形成过程的环境、成分和构造因素等决定的，包含湿度、容重、导电性、空隙度和传热性等，与煤岩开采相关的有湿度和容重。

煤的机械特性是煤岩体受到所施加的外力时表现出来的抵抗外力的能力特性，如接触强度、摩擦与磨蚀性、强度、弹性、截割阻抗与坚硬度等。在破煤时可利用煤岩的机械特性选择镐型截齿对煤岩体作用力的形式和镐型截齿的种类和形状等。所以知道煤岩的机械特性很重要。

对采煤机镐型截齿的破煤过程、截齿选型、螺旋滚筒设计有重大影响的煤的物理机械特性有如下几点：

(1) 煤的容重

煤的容重又称煤的体重或假比重，它是包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。

根据煤岩种类不同，容重在1300~1500kg/m3范围内。多数情况下，煤的容重小，所处煤岩层的层理、节理也就发达，强度也小，采煤也容易。对容重小煤岩层，可提增大煤机牵引速度从而提高效率。

(2) 煤的湿度

煤的湿度是单位的体积煤的含水量，指煤缝隙中存在的水与煤固体的重量比。含水量较高的煤体，其结构特性被弱化，强度明显低。开采湿度大的煤岩时，功率消耗低，产尘小，可使采煤机的牵引速度设定值比开采常规煤层时的牵引速度的大，提高效率。

(3)煤的强度

煤是非均匀各向异性物质，单轴抗压强度：5~49MPa，抗拉强度：2.0~16MPa，抗剪强度：1~4.9MPa。所以在选择采煤的采煤方式和设计螺旋滚筒或者布置截齿，要充分用煤岩的强度不同的特点，利用剪切与拉伸破截割岩，降低截齿载荷和采煤机能量消耗。与此同时，因为煤岩的各向异性，不仅不同的地域、不同煤层的煤岩强度不同，即使相同煤岩体不同方向强度是不同的。如，对煤岩的单一轴的抗压强度，前苏联学者通过试验证明，对于垂直于层理受力与平行于层理方向受力比较，前者的所受抗压强度比后者大30～50%，可以能大到2 倍。

(4) 煤的截割阻抗

设计采煤机螺旋滚筒时，首先要确定镐型截齿受力状况，再计算截割部所需的功率。从实践中我证明：对于一种煤岩，用同一种结构参数的截齿进行破煤时，截割深度的阻抗大致为定值；对不同地区以致到不同煤岩层的工作面，用同一种截齿进行破煤时，测量单位深度的阻力是不相同的。所以，前苏联学者制作了一种专业截齿，标准截齿(截割宽度为20mm，截角为40°，后角为10°)，对煤体进行破落试验，测得的单位截割厚度煤作用在镐型截齿上的阻力值，定义该这个阻力值作为截割阻抗Z ，如式(2-1)所示。

Z=F/h (N/mm)(2-1) 式中 F —截齿所受截割阻力，N ；

h —切削厚度，mm 。

煤截割阻抗，能用于计算采煤机滚筒受力与采煤机械选型，能全面体现矿井环境下的影响，是体现煤岩的性能的一个重要指标，与此同时也是对镐型截齿和滚筒进行分析、优化的基础。

煤的截割阻抗大部分在30~420N/mm，从采煤机的角度分，能将煤岩层依据截割阻抗，分为一下三大类：

Z= 30~180 N/mm，称为软质煤，设计采煤机螺旋滚筒时，可选择较小的功率，且截线距可较大些。

Z=180~240N/mm ，称为中硬质煤层，根据煤层韧性煤或者脆性煤，来计算进一步合理设计采煤机螺旋滚筒与截齿布置方式，选择合理功率；

Z=240~420N/mm ，称为硬质煤，截割这种煤层时，必须要用较大功率的采煤机，并且截线距要适当的减小，进而提螺旋高滚筒破煤力。

(5) 煤的坚固性系数

煤坚固性系数 f ，又叫煤坚硬度，是前苏联学者普罗托季雅柯诺夫20世纪初提出，所以又叫作普氏系数，主要作为衡量煤被破碎的难易程度的重要指标。其综合反映了煤强度、硬度、塑性因素。我国通常依据其坚固性系数来分采煤机的适用范围，并根据这个系数对煤层分类，规定：

f < 1.5的煤为软质煤，f = 1.5 ~ 3的煤为中硬质煤，f = 3~ 4的煤为硬质煤。根据理论，抗压强度、截割阻抗和坚固性系数是不能换算的，但是由大量实际应用应用表明，可用坚固性系数来确定煤层单向抗压强度σy 与截割阻抗Z，其近似关系为：

σy = 10f( MPa )，Z≈120f( N/mm )(2-2)

(6) 煤的破碎特性指数

螺旋滚筒采煤机所破煤的块度，与采煤机结构类型与结构参数有关系，也取决于被破煤岩的破碎性质。前苏联的学者实验表明，在破碎煤岩总量中块度服从的规律表达式如(2-3)所示。

错误！未找到引用源。(2-3) 式中

W —透过筛孔d (mm)的碎小煤量在截落煤岩总量中的比重，%；

λ —由所采取截割方法和参数决定的破碎程度参数，值越小，破碎越严重；

m —破碎性指数，对于煤层为常数，一般为0.4~1.3，与截割工况无关，值越大，

煤破碎越严重，块度越小。

破碎特性指数m 的公式对式(2-3)两边取对数得到：

lnd ln -）-11（lnln m λW

= (2-4)

破碎特性指数是确定煤岩脆性程度指数基本参数，同样是煤岩煤尘生成能力划

分的基础，根据煤岩脆性程度指数来预测开采块煤率。因此，设计采煤机螺旋滚筒

时，可通过优化螺旋滚筒截齿排列方式或者采煤机运动参数来避免煤尘，并提高块

煤率和效益。

(7) 煤的脆性程度指数

脆性对煤岩截割过程影响很大，前苏联的学者通过实验确定脆性程度指数B 和

崩裂角?与切削厚度h 之间的数学关系：

错误！未找到引用源。 tan ?=B

1h 5。0- (2-5)

因此，截齿截割时的截槽横断面面

错误！未找到引用源。 (2-6)

式中 S —截槽的横断面面积，mm2；

b —截齿的计算宽度，mm 。

根据截割比能耗:错误！未找到引用源。可得其计算公式为：

错误！未找到引用源。

(2-7)

式中 错误！未找到引用源。截割比能耗错误！未找到引用源。；

K 综合考虑煤情况、截齿参数、截割条件、脆塑性、截齿布置等参数的系数

条件。

在参数 b 、h 、A 一定条件下，截割比能耗受到煤的脆性程度指数的影响，

脆性程度指数越大煤质越脆，截割比能耗就越小。所以在一定程度上，脆性程度指

数能描述煤炭截割比能耗。

依据前苏联的学者研究，以脆性程度指数B 与煤的破碎性能指数m 的关系为

基础，得到确定煤岩脆性程度指数的表达式：

错误！未找到引用源。(2-8)

一般的情况下，煤的脆性程度指数B 在 1.3 ~ 8 之间，2.1 < B：韧性煤；B =2.1 ~ 3.5：脆性煤；B > 3.5：极脆性煤。

2.2 截齿破煤理论分析

镐型截齿，采掘机械当中常用的截割和破煤设备，直接截割煤岩时,工作条件很恶劣,是易损零件，且采掘机的绝大部分功率消耗在截齿破煤上。截齿的性能好坏，直接影响采煤机破煤机构的质量，是降低成本、降低比能耗、增加使用寿命、提高截割效率、提高可靠性与效益的最佳途径。因此对螺旋滚筒采煤机破煤理论的研究，要对截齿截割机理进行研究分析。采煤机用的截齿有楔型截齿与镐型截齿，两种破煤机理相类似，但是因为楔型截齿破硬煤能力比较弱，逐渐淘汰，为此，本论文研究的截齿类型是镐型截齿。

2.2.1 截齿破煤过程]2[

截齿破煤经过是进行破煤理论分析和建立截齿力学模型的基础，因此，要对截齿进行破没理论分析，破煤的过程如图2-1 所示。以截割速度v 截煤岩时，在接触面上产生较高的压力，并且集中在很小的区域内。因为煤是脆性物质，当接触力达到极限应力值时，煤岩开始局部被压裂，形成较细粉末状，形成煤粉状密实核]17[

结构。在截齿割入的过程中，煤粉状密实核部将会以很高的速度沿截齿齿身面射出，进而压碎区域逐渐扩大，密实核随着不断扩大，核内煤粉受挤压积聚能量，并向密实核周围的煤岩体施加压力，截齿截割阻力同时随着逐渐扩大。当密实核扩大到煤和截齿前刀面接触点 D 时，该处煤会发生小块脱离，密实核区域Ⅱ的煤粉受到强烈压缩进而高速射出，积聚的能量突然放出，截割阻力同样骤然减小。煤粉高速喷

图2-1 截齿破煤过程

出的时候，与截齿齿身面发生强烈摩擦，使在齿尖部形成聚集物区域Ⅰ，它粘在齿尖上并且与截齿一起运动，也对煤体产生的楔入作用。截齿接着前进，密实核的体积再次扩大，截割阻力也再次扩大，一直到再次发生小块媒体剥离及煤粉喷出时，截割阻力又一次下降。而后截齿到了B点时，密实核内部产生相当大挤压力，使煤岩体内部产生剪切裂，此裂随截者齿破煤的进行而扩散到煤体的上表面，这时的截割阻力到达最大值。从而煤块BCD沿者裂BC剥离，密实核消失不见，截割阻力随之降到最小。由此可见，截齿截煤过程是截入、密实核形成、跃进破碎的过程。

2.2.2 截齿截煤截割力模型的建立

对截齿截割力的分析研究，国内外学者从最大剪力、最大拉力、断裂力角度对镐型截齿进行了分析研究，并作为计算和设计采煤机截齿和滚筒的理论基础。但由于这部分公式是在用切割理论下得出来的，作为采煤机的镐型截齿的截割的力的计算公式可用，用到采煤机螺旋式滚筒截齿受力公式需要进行转化。后面论文中给出了采煤机螺旋式滚筒任意位置的截齿的三向力的计算的规律，对计算采煤机螺旋式滚筒叶片截齿截割力提供了理论研究基础，但是对采煤机螺旋滚筒的端盘镐型截齿的截割力计算有一定的误差，没考虑端盘的截齿的倾斜角对截割力的影响；同时，采煤机螺旋滚筒在运转时，端盘上的截齿比叶片上的截齿受力状况更复杂，端盘上

的截齿受力分析的准确性对设计采煤机螺旋滚筒有相当大影响。

采煤机螺旋滚筒上的截齿的安装角分为：倾斜角、冲击角、歪斜角。冲击角在螺旋滚筒的横截面内，是截齿轴线和螺旋滚筒的径向线夹角，如图2-2所示，螺旋滚筒横截面指过齿尖且垂直于螺旋滚筒轴线的平面，滚筒的径向线指齿尖所在的螺旋滚筒的横截面内，齿尖和中心点之间的连线；倾斜角为截齿的轴线面以图2-3 中齿尖处的滚筒的切线做为旋转轴，旋转一定角度以后与螺旋滚筒的横截面形成的二面角，其中截齿的轴线面指通过截齿的轴线和齿座的底面中心线的平面，如图2-3 中所示；歪斜角为截齿的轴线面以图2-2 中齿尖处螺旋滚筒的径向线做为旋转轴，旋转一定角度后和螺旋滚筒的横截面形成的二面角，它是截齿的轴线面绕螺旋滚筒的横截面中过截齿的齿尖的径向线旋转而得到的。在螺旋滚筒的制造过程中，截齿定位是以齿尖做为基准。螺旋叶片上截齿有3个安装角，冲击角非零，其它两个角都为零，且此时截齿的轴线面和螺旋滚筒的径向面重合。而端盘上的截齿的3 个安装角度是随截齿在端盘上周向位置的不同而变化。但是，滚筒上所有的截齿的冲击角都是相等。并且，端盘截齿的总数占滚筒截的齿总数的一半左右，由此可见，分析螺旋滚筒的受力，不能忽略端盘截齿倾斜角和歪斜。

图2-2 截齿安装图图2-3 截齿组装图

螺旋滚筒的截齿以转速n绕螺旋滚筒轴线转动，以牵引速度v截割煤体。在螺旋滚筒旋转一周的过程中，每个截齿有一半的时间部在截割煤岩。随着螺旋滚筒的运行，截齿破煤切削厚度从零一直到最大值，在从从最大值到零，过程如图2-4 所

示，图中的黑色区域是单个截齿旋转一周的切割煤岩体，成月牙形；H 是螺旋滚筒旋转一周后的进给量，值为错误！未找到引用源。,和截齿切削厚度的最大值

h与

max

h 之间的关系为：错误！未找到引用源。，

z每条截线上的截齿数。

1

根据以上的分析可知，随着截齿的安装角的增大，截齿截割阻力将会以指数形式不断增大，随着截齿的冲击角的增大，反而截齿的截割阻力会以指数形式不断减小；并且随着截齿倾斜角和歪斜角的增大，截齿安装角也在增大，将会导致截齿的截割阻力和进给阻抗与侧向力以指数的形式不断的增大。分析可得到，截齿安装角度数的不同，造成截齿的三向力也不同；并且截齿的倾斜角和歪斜角越大将会对截齿的受力也越不利，磨损也将更加剧。

图2-4 单齿切割过程

2.3 滚筒截煤理论分析

图2-5 采煤机滚筒截煤过程

滚筒采煤机，以牵引速度错误！未找到引用源。顺着工作面运行，螺旋滚筒以

转速n 破煤，其破煤过程如图2-5所示。在滚筒采煤机破煤中，螺旋滚筒消耗的功率占采煤机功率的80~90%以上，主要用于截齿破煤与滚筒叶片输煤。采煤机螺旋滚筒受力状况和运动参数间的匹配关系优劣将会对采煤机的性能和寿命均有直接的影响，为此，对采煤机螺旋滚筒截割煤的过程研究要对其受力与运动进行分析研究是必要的。

2.3.1滚筒受力分析

图2-6 滚筒上的作用力分布

螺旋滚筒截割的过程受的载荷是所有参与截齿负荷综合作用结果，它包括螺旋滚筒所受三向力与力矩。由图2-4 和图2-5 所示，当螺旋滚筒截入煤岩体时，随着螺旋滚筒转过不同的角度，同一截齿所处在的位置也不同，参与破煤的截齿总数量也在变化。螺旋滚筒截割过程中所受三向力如式(2-9)所示

错误！未找到引用源。(2-9) 式中错误！未找到引用源。—截煤区参与截割的截齿总数；

错误！未找到引用源。—滚筒X 、Y 、Z 轴上的合力，错误！未找到引用源。中的负号表明受力的方向与本文规定牵引的方向不同，计算结果取绝对值。为得到螺旋滚筒的力矩，将坐标系从螺旋滚筒的端面移到螺旋滚筒的中心，如图2-12 所

示。可得螺旋滚筒的合力矩沿三个坐标的方向分力矩为：

错误！未找到引用源。(2-10) 式中错误！未找到引用源。—滚筒受x 轴向的力矩，N ?mm；

错误！未找到引用源。—滚筒受y 轴向的力矩，N ?mm；

错误！未找到引用源。—滚筒受z 轴向的力矩，N ?mm

错误！未找到引用源。—为滚筒受合力矩作用点力臂，mm，其表

达式分别为：

错误！未找到引用源。(2-11)

L—螺旋滚筒上第i 个截齿到图2-6 中yz面的距离，mm；

式中i

B

D —滚筒直径，mm。

根据式(2-10)与式(2-11)可得螺旋滚筒扭矩与截齿力之间的关系，如式(2-13)所示。

(2-13)

由式(2-13)可以得出，参与截割的截齿数量与位置，将影响采煤机螺旋滚筒扭矩每个分量的大小与性质。即使作用在每个截齿上的截割力是稳定不变的，随着螺旋滚筒转动参与截割的截齿的数量和位置都在改变，各负荷分量也在随之变化。与此同时，可分析采煤机螺旋滚筒的运动参数、结构参数、截齿参数与所截割煤岩体强度性质对扭矩每个分量的影响。

2.3.2滚筒运动学分析

螺旋滚筒运动学的参数影响者采煤机的载荷大小、截割性能与装煤性能好坏、采煤机运转的稳定性和采煤机的可靠性性能指标，但是对镐型截齿的运动状态影响