滚筒采煤机截割部分的设计

1 引言
煤是重要的能源物质，在我国有着很大的储量。

采煤一直以来都被人们看作一项非常危险的事情。

在以前国内有很多小型煤窑，由于规模小，技术落后，大部分都是靠人工进行挖煤、运输煤。

因此经常出现各种事故，而且大量浪费了资源。

大型的采煤机械的出现使这一现象得到了改观。

采煤机作为采煤的主要工具是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。

机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。

它对提高煤的采掘效率有着重要的影响。

因此国内外采煤机的设计、改进一直都在以较快的速度向前发展。

最早的滚筒采煤机出现在英国，它是把截煤机的减速箱部分改成允许安装一根横轴和截割滚筒。

由于其水平轴截割滚筒的设计优于截煤机，因此其改进型比刨煤机更适宜英国开采条件，但在20世纪50年代这种采煤机并非是唯一应用的采煤设备。

另外有一种有竞争的采煤机是钻削式采煤机。

这种采煤机配有一个按螺钻原理设计的主截割部，其应用范围主要局限与薄煤层。

滚筒采煤机经过多次改进设计而得到不断的发展。

最早设计的滚筒采煤机仅能单向采煤，输送机和液压支架在向前推移之前，留在轨道上采出的煤在回空段被装载。

后来又研发了双向采煤的滚筒采煤机。

然而由于这种采煤机受到调向的限制，加之固定滚筒缺乏自由性，因此摇臂滚筒采煤机应运而生。

20世纪60年代末，久益公司生产出10CM、11CM 系列的连续采煤机，它是现代这种机型的雏形。

到70年代末，在11CM型基础上又生产出12CM系列连续采煤机。

经过对12CM 系列连续采煤机的不断改进、完善和提高，生产出适用于开采中硬煤层的12CM12—10B、12CM18—10D和B型机，以及适用于特别坚硬煤层的12HM31C型和B型机(神东常用12CM12—10B、12CM18—10D)。

80年代后期至今连续采煤机在采煤业中得到了广泛的应用，并且得到了长足的发展。

我国对这种连续型采煤机的应用始于70年代中期。

那时主要靠引进外国的产品，80年代以前主要是引进单机。

随着国内采煤机技术的发展到了90年代变成以配套引进为主。

目前国内在采煤机研发和设计方面和国外有很大的差距。

煤炭科学研究总院太原分院早在1990年就开始进行连续采煤机的研究，曾完成了轻型连续采煤机的设计、引进设备的国产化大修等工作。

煤炭科学研究总院上海分院也承担了一些项目。

尽管国内各大科研院所、生产厂家、煤矿企业曾开展过规模不等的连续采煤机等技术的国产化研究，但均存在一些问题，仍没有真正在煤矿上见到国产连采机的新产品。

我国引进连续采煤机早期使用效果不好的主要问题是：连续采煤机及其配套设备体积大、吨位高，我国老矿井条件受到限制，设备下井困难；缺乏支护、清道、除尘等配套设备，生产能力受到一定限制；引进的连续采煤机设备电气防爆性能与我国防爆标准不一致；主要部件或零件在国内买不到，备件进口渠道不畅通、价格昂贵；国内没有对连续采煤机开采的成套技术进行系统研究；对回采工艺，支护方式和工艺及煤岩柱控制等相关问题没有得到闭，对通风管理不利；对有自然发火危险的矿井，煤体暴露多，带来了安全隐患。

因此我国需要自己对采煤机进行设计、改进使其适合我国的煤矿生产情况。

连续采煤机的特点是截割滚筒长，截割功率大，因此截割能力强，生产效率高，调动灵活，可控性好。

尚需研究的主要内容如下。

1 连续采煤机总体参数的研究。

机器牵引力及速度的确定，滚筒长度、直径、功率、转速及切割牵引力大小和变化等研究。

2 整机截割稳定性的研究。

机器的重心位置、截割臂长度、截割速度、功率等切割参数对机器工作稳定性的影响。

3 截割机构方式的研究。

根据电机不同的安装形式，其截割机构方式的确定须进行专项调查研究与分析对比。

4 切割技术的研究。

截割滚筒上截齿排列对机器的截割效率、振动及截齿的寿命有着重要的影响，必须利用计算机进行截齿排列优化设计和实验室模拟试验。

5 行走电机变频调速系统的研究。

连续采煤机工作时，需要频繁调动；截割时，根据煤的硬度，行走速度在0～4m／rain之间自动调整，以适应截割电
动机的工作特性；调动时，需以20m／rain的行走速度实现快速调动。

6 机器的自动控制、工况检测和故障诊断系统的研究。

连续采煤机常在环境恶劣、安全得不到保障的工况下工作，因此必须使机器具有自动化控制功能，装设离机摇控系统。

为了提高机器的可靠性，需研制工况检测和故障诊断系统，使连续采煤机具有监控电流、电压、电机功率、油温油位油压等的自动监测、存储、显示、报警及故障提示等功能。

7 机载集尘装置的研究。

需进行水喷雾集尘系统的试验研究。

8 对专用电动机、传感器、扭矩轴等特性元部件的研究。

我国在长期煤炭生产实践中，也已陆续研制生产了一系列国产采煤机，并且在借鉴国外先进机型的基础上，迅速发展了大功率电牵引采煤机(总装机功率达1 400KW 以上)，但是和国外先进的技术和设备相比较还有很大的差距。

因此我们必须抓住机遇，加快采煤机的设计和改进步伐，加快缩短与国外技术和设备的差距。

关于采煤机的设计可以从以下方面着手进行改进设计：
1 横向布置多个电动机。

即将截割部、牵引部、泵站和破碎机构设计成横向布置方式。

采用这种电动机布置方式，可将摇臂回转传动装置取消，而代之不传动功率的铰接轴，简化了结构，减少了薄弱环节和故障因素；可将传动链中锥齿轮取消，消除了加工、装配、维修锥齿轮的复杂工艺，提高了可靠性；各电动机传动系统功能单一，无过轴、旁轮等多余饥件和交叉重叠环节，部件为自封闭，部件之间无饥械传动，只有管线等柔性联接，故结构简单、紧凑、机身长度可缩短；便于组装拆卸及在维修更换部件、换摇臂及截割电动机时不需拆卸底托架和对口螺栓。

2 将机身设计成使部件可侧面拉装的整体箱式。

即整个机身是个箱形结构的焊接件，根据需要分成若干个间隔室，安放变压器电控部电牵引部、液压站等部分；而在采空区一侧将其敞开，可以将上述具有自封结构的部件方便地装入固定和拆下拉出，而机身两端铰接的截割部及其电动机也可以从采空区侧拆装。

采用这种机身设计方式，可以为井下组装维修创造更方便快捷的条件，同时可实现整个机身无对口螺栓，也无底托架，强度大，刚性好，免除了螺栓紧固的麻烦可将机身做成两段拼装，并用液压螺栓紧固。

3 破碎机采用单独电动机传动。

即将滚筒做成电动滚筒，由单独电动机经行星传动机构驱动破碎滚筒。

采用这种破碎机驱动方式，可以利用按钮控制破碎机，操作方便，而且单独电动机还便于控制和保护。

改进挡煤板传动装置。

即用中低速摆线马达，通过内齿轮或柱销传动。

比如，可在挡煤板回转臂环架圆周安装轴向柱销，利用固装在摇臂上的液压马达带动长牙齿轮驱动柱销翻转挡煤板。

采用这种挡煤板传动装置，可使挡煤板结构更可靠，且不怕煤粉堵塞，不易存煤泥，可大幅减少故障。

4 增大截煤深度。

截深在750mm 以上方能称为大截深，由于加大了截深，相应的滚筒轴、轴承和摇臂强度也应加大，同时适当增大螺旋叶片的升角(一般大于等于20)，以
改善装煤效果。

采用强力截齿。

由于速度加大，截齿的切削厚度增大，可采用齿伸较长(120mm -l50mm 左右)、大断面齿柄(30*50ram)、硬质合金片厚度达l8ram以上的强力截齿，同时加大齿座尺寸和强度，这样可减少截齿数、降低截齿消耗、增大块煤率和降低煤尘。

5 增大块煤率，减少煤尘生成。

即采用双行星传动截割头，适当降低滚筒转速，使其转速在22—24r／rain左右，以增大块煤率，减少二次破碎；或减少截齿数，增大截距(60ram左右)以使块煤率增加；滚筒结构上还可采用碟形端盘开窗口，轮毂采用锥形或指数曲线形，以使截落的煤快速排出，从而减少二次破碎；此外还可在螺旋叶片上采用盘形滚刀以及采用抽风和吸尘滚筒。

加设高压水射流喷雾装置。

即在采煤机上加装增压水泵(60—70kW )，使喷雾水压达到l8MPa以上，流量达到140L／min以上，这样可有效降低煤尘和防止截割时产生火花。

另外减少喷雾喷嘴的直径(0．5—0．8ram)，可形成高压射流，起到辅助切割作用，以减少截齿受力，降低能耗。

同时还可加设流量压力自动控制型水泵，使采煤机滚筒只在割煤时喷雾洒水，以节约水能源。

改进滚筒材质和结构。

即采用国际最新耐磨合金钢板制造滚筒，以提高其刚度、强度和耐磨性，同时加大轮毂板厚度和叶片板厚度。

在有条件的情况下，我国煤机厂可适当引进国外成型高强度滚筒。

由上述分析，我们确定了我国新型采煤机的设计的大方向以及在设计中应该注意的方面。

下面我就对本次采煤机设计作一个总体的介绍。

本次采煤机设计采用电牵引，多电机横向布置。

该机具有电机横摆、结构先进、运行可靠、可实现电液互换、大功率能力强等特点。

截割电机、牵引电机的启动、停止等操作采用旋转开关控制外，其余控制如牵引速度调整、方向设定、左右摇臂的升降，急停等操作均由设在机身两端操作站的按钮进行控制，操作简单、方便。

所有电机横向布置。

机械传动都是直齿传动。

电机、行走箱驱动轮组件等均可从老塘侧抽出。

故传动效率高，容易安装和维护。

采用强力耐磨滚筒，提高割煤效果和滚筒寿命，降低截齿消耗量和用户成本。

可通过更换电控部或液压传动部而成为交流变频调速电牵引或液压牵引采煤机以实现电液互换，而其它部件通用。

两动力输入部位可安装液压马达，也可安装40Kw牵引电机。

两种形式联接尺寸相同。

2 技术任务书
2.1滚筒的数量和位置
滚筒采煤机有单滚筒和双滚筒之分。

由于滚筒直径不宜过大，当煤层较厚
单滚筒采煤机往返截割两个行程才能推进一个截深；双滚筒采煤机每截割一个行程就可以推进一个截深，对煤层变化和顶板、底板的起伏，适应性也好。

在滚筒采煤机的设计中虽然也曾出现过三滚筒或四滚筒，但因出煤碎、粉尘多、结构复杂，却对提高采煤机性能无益，故不予考虑。

综上述本次设计采用双滚筒。

对于双滚筒可有两种位置布置，一是对称布置于两端，另一种就是两滚筒都布置于一端即采用不对称布置。

不对称布置虽然设计相对简单，但是其工作稳定性不好。

所谓工作稳定性就是采煤机在工作过程中保持不翻转、倾斜和不脱离导向物的能力。

工作稳定性好将有利于正常工作。

而对称布置的滚筒采煤机受到的外力基本是平衡的，因而工作稳定性较好。

因此采用双滚筒对称布置。

2.2 调高方式
本机采用摇臂调高，这种调高方式不仅调高范围大，并且随时可以调高。

2.3 摇臂
采用大角度弯摇臂。

这样可以加大过煤空间，提高装煤效果，卧底量大。

2.4 轴承
轴承主要有滑动轴承和滚动轴承。

滑动轴承的润滑和密封条件一般都比较差，轴承的磨损可能引起摇臂较大的径向窜动。

截割部主减速箱最后一级传动不宜用圆锥齿轮，以免摇臂的径向窜动严重影响齿轮的啮合质量。

滚动轴承的密封和润滑问题比较好解决，轴承的磨损也比较轻微。

本机采用滚动轴承。

2.5 牵引方式
滚筒采煤机有各种不同的牵引方式。

牵引部和截割部联结成一个整体，在工作面上来回移动，称为内牵引。

工作面上只有截割部，却把牵引部设在工作面短头上下顺槽里，牵引部不跟截割部一起移动，只随工作面向前推移，则为外牵引。

外牵引只能为有链牵引，而内牵引可以为有链条牵引和无链牵引。

有链牵引有断链和跳链的危险，链条的弹
性振动和链传动造成的速度脉动，使采煤机受到较大的动负荷，链条对于滚筒的装载、运输机和液压支架的推移也有一定的妨碍，所以有链牵引有很多不足之处。

而无链牵引和有链牵引相比具有很多优点：
（1）采煤机移动比较平稳，保证了采煤机的载荷比较稳定；
(2) 提高了设备的可靠性和生产的安全；
（3）采煤机移动所消耗的能量较少；
（4）采煤机的运转噪音较低，有利于改善工作面的劳动条件；
（5）提高了采煤机的爬坡能力；
（6）在一个工作面上可能采用多台采煤机同时作业，以提高工作面量。

通过以上比较本机采用无链牵引中的液压传动。

2.6 驱动方式
采煤机驱动的方式有以下几种：
1）单驱动方式——用一台电动机驱动采煤机的各个部分，包括牵引部、全部截割部及其他辅助装置等
2）分别驱动方式——各截割部由单独的电动机驱动，牵引部和其他辅助装置可以由截割部电动机驱动，或另设电动机驱动；
3）联合驱动方式——把两台电动机结合成整体，共同驱动采煤机的各部分。

分别驱动时，各电动机的功率一般相同。

双滚筒采煤机每台截割部电动机的功率只有单机驱动和联合驱动时的一半，截割部可以设计的较小，且结构简单，可以取消易引起发热等问题的横贯牵引部的过轴。

本次设计采用分别驱动方式，用两个250KW的电机分别驱动两个截割部，用两个40KW的电动机驱动牵引部，也可用液压马达驱动牵引部。

2.7 采煤机的附属设备
灭尘方式：采煤机在工作中会产生很多的粉尘，需要采取多方面的处理措施。

主要有喷雾灭尘、泡沫灭尘和吸尘器捕尘。

喷雾灭尘就是用喷嘴把具有一定压力的水高度扩散，使其雾化，形成把粉尘源与外界隔离的水幕。

泡沫灭尘虽然具有一定的优点但是泡沫灭尘需要较复杂的设备，目前还不能大量生产高效、无毒和廉价的泡沫剂，因此在采煤机上未能得到推广。

吸尘器从粉尘源吸取尘空气，排入捕尘器，利用扩散、碰撞或离心力等，使粉尘与空气分离，沉积在捕尘器的壳体内壁，然后用水冲洗排入运输机，净
化空气直接排出。

通过吸尘器的粉尘约95%-98%，灭尘效率相当高。

但是，吸风管口要靠近粉尘源，吸入的含尘空气要多，否则含尘空气在旁边流走，就达不到净化空气的目的了。

本机采用喷雾灭尘方式。

喷雾灭尘有可分为内喷雾灭尘和外喷雾灭尘，在这里我们选择内外喷雾结合灭尘。

3 设计计算说明书
3.1 采煤机的滚筒
本采煤机采用双滚筒对称布置，采用液压缸调高，调高范围：1.3~3.0（米）。

由经验和理论基础取滚筒水平中心距为10810mm、两摇臂铰接中心距为6700mm、两牵引轮中心距为5591mm，机身宽为1210mm。

3.2 采高和截深
采高为：1.6~3.2（米）。

截深为 0.62m 0.66m。

滚筒直径分别为：1400m 1600m。

牵引速度为0~8（米/分）
3.3 设计生产功率
设计生产功率：[1]
Q = 60·J·H·Vq·γ（3-1）式中 J——滚筒的有效截深（米）J = 0.63；
H——采煤机的平均采高（米）H = 2.4；
Vq——采煤机的最大工作牵引速度（米/分）Vq =8；
米）。

γ = 1.35——煤的重率（吨/2
Q = 60×0.63×2.4×8×1.35
= 979.7（吨/时）
= 979.7/60（吨/分）
3.4 装机功率
装机功率：[1]
12600.60.4WBX WBX Q N H H K K •'=
•+•（） （3-2） 312
600.60.4WBX Q H K K K •••+•=（）（千瓦） 式中 1K ——功率利用系数，以为该机的驱动方式为分别驱动所以1K =0.8。

2K ——功率水平系数，由表3—1查得2K =0.9。

3K ——后滚筒的工作条件系数，3K =0.8。

WB H ——采煤机的比能耗，由表3—2查得WB H =0.44（KW.h/T ）。

WBX H =X WB A H A
• X A ≈A =300N/mm 。

0.44./WBX WB H H KW h T ==（）。

3WBX
WBX H K H '=• 60979.70.60.40.8600.80.9
N ⨯=⨯+⨯⨯⨯（） ≈550（KW ）
取 N = 591KW 。

K
表3—1功率水平系数
2
H
表3—2螺旋滚筒采煤机比能耗
WB
3.5 摇臂和电动机
弯摇臂 2055.02mm，摇臂上摆角36.3°，下摆角17.3°。

装机功率P=591KW，机重36T。

本机采用无链牵引，多电动机横向布置同时驱动，可以电液互换。

截割电机功率为：2×250 = 500KW。

电牵引速度为0~8（m/min），液压牵引速度为0~6.9（m/min）。

滚筒转速40~50（r/min）。

灭尘方式：内外喷雾。

3.6 滚筒采煤机截割部设计
3.6.1 螺旋滚筒设计 [1] [17] [12]
螺旋滚筒是一个带有螺旋叶片的圆柱体，刀具装在焊于螺旋叶片上的齿座中，工作时滚筒转动并作径向移动，截割破碎煤炭，再由螺旋叶片把煤沿滚筒的轴线方向推运出来，装进工作面运输机。

通常所说的滚筒直径是指刀尖所在的圆的直径c D 。

齿座焊到叶片上后，螺旋叶片的最大回转直径，称为叶片直径y D 。

螺旋叶片的内缘和筒彀相结合处的直径g D 称为筒彀直径。

3.6.2 螺旋叶片的表面是螺旋面，其上任意点的螺旋升角为 i i i S a arctg
D π= （4-1） 式中 i D 、i S ——该点所在螺旋线的直径和螺距（采用多头螺旋滚筒时则应为导程）。

3.6.3 切削厚度 [1] max 100(.q
v h n m =•厘米） （4-2）
式中 max h ——最大切削厚度；
m ——刀具同一条轨迹（截线）上安设的刀具数；
n ——滚筒的转速（转/分）；
q v ——牵引速度（米/分）。

刀具的平均切削厚度可用月牙形面积和截割长度相除而得：
- 11 -
max 263.8q c c v D h D n m
π••==••p h （厘米） 式中 p h ——平均切削厚度。

3.6.4 螺旋滚筒的转向
为了保证螺旋叶片向运输机装煤，而不是向煤壁推煤，滚筒叶片的螺旋方向应与滚筒转向相适应。

站在采空区一侧看滚筒，右螺旋滚筒应是顺时针方向转动，左螺旋滚筒应是逆时针方向转动。

在采煤机往返采煤的过程中，滚筒转向虽然不变，却有两种不同的情况：顺转时，刀具截割方向与碎煤下落方向相同；逆转时，刀具截割方向与碎煤下落的方向相反。

为了增强采煤机的工作稳定性，避免两个滚筒受到的截割阻力方向相同，双滚筒采煤机的两个滚筒的转向应该相反。

两滚筒的转向有前顺后逆和前逆和顺两种方案。

滚筒直径较大时，滚筒生产率大于运输机生产率，确定滚筒转向应偏重于节省能耗和提高工作稳定性及操作安全的要求。

前滚筒截煤量大于后滚筒，后滚筒装煤量大于前滚筒，是采煤机骑座运输机工作的一般情况，因此在该采煤机中滚筒采用前顺后逆。

3.6.5 滚筒的三个直径
双滚筒采煤机一般要在每个行程中开采全部采高，滚筒直径不宜小于采高的一半。

根据保持两滚筒装煤量相同的要求确定滚筒的直径，设滚筒直径c D 与采高H 的比值为a ，滚筒的装载效率是η，则：
A ·H = （1-a ）·H + （1-η）ah （4-3） aH 和（1-a ）H 分别是两个滚筒的截割高度，（1-η）ah 是前滚筒丢剩的浮煤量，应由后滚筒装走。

整理即得 11a η=
+ 大直径滚筒的装载效率约为70~80%，所以a = 0.6。

c D = 0.6×H = 0.6×1.6~0.6×3.2
- 12 -
= 0.96~1.98（米）
由经验类比取两滚筒的c D 分别为1.4米和1.6米。

滚筒的最大切削厚度受到最大截距的限制：
max max 2t b h tg ϕ-=
• （4-4） 式中 max t ——滚筒刀具的最大截距（厘米）；
b ——刀具的截刃宽度（厘米）截刃宽一般取12~20mm ，本机取b = 15mm=1.5cm ； ϕ——截槽侧面的崩角，由表4—1取值。

ϕ=38°。

表4—1截槽崩裂角与煤质和切削厚度的关系
max max 2tan t b h ϕ
-= 整理得 max max 2tan t h b ϕ=•+
- 13 - =2×0·7813×7·75+1.5=13.6cm
为了避免螺旋叶片与截槽间残留的煤棱相抵触，滚筒的最大切削厚度不得超过刀具伸出刀座长度的70%，即
max ()t 0.7()c y t b c g D D ϕ-•≤- （4-5） 整理得 max 1.43()y c D D ctg t b ϕ≤-••-
≦c D -22.15=1600-221.5 =1278.5mm
取y D =1.2m ，
叶片直径与筒彀直径应保持适当的比例，大直径滚筒应保持比值 y
g
D D 大于或者等于2。

因此取：
0.62y
g D
D ==m。