鉆式采煤機的螺旋鉆結(jié)構(gòu)與核心技術(shù)_圖文

1、鉆式采煤機的螺旋鉆結(jié)構(gòu)與核心技術(shù)一、螺旋鉆機組的組成及其工作原理 （1）機組的組成機組的組成如圖3-3所示。機組由主機、鉆機動力設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)、鉆頭和移動裝置等組成。 1-螺旋鉆機組主機 2-托架 3-操作臺 4-液壓系統(tǒng) 5-動力裝置 6-CYB-350AB型控制站 7-礦用接線開關(guān)APSH.1型8-采用BMCH-4.5型風(fēng)機的通風(fēng)系統(tǒng) 9-鉆具 圖3-3 百獅-2型螺旋鉆采煤機組總裝圖（2）機組工作原理螺旋鉆采煤機組傳遞扭矩給和鉆壓給螺旋鉆從鉆采條帶里的煤，并完成采煤過程的送鉆和退鉆。螺旋鉆由一個左旋一個右旋的兩節(jié)鉆桿和它們中間的風(fēng)管組成。 鉆頭的切割部分是一個執(zhí)行機構(gòu)，它由三個鉆頭組成。

2、右邊的螺旋鉆通過減速箱傳扭矩給中間鉆頭。如圖3-6通過風(fēng)管不間斷地向工作面通風(fēng)，并用ATZ-1型瓦斯測量器測控。通過放置在風(fēng)管邊的軟管向執(zhí)行機構(gòu)的噴頭供水，保證降塵。兩個單獨的傳動裝置帶動鉆桿組的旋轉(zhuǎn)。為鎖緊和開啟鉆桿的連接，需把鉆桿連接用的帶有凸輪的離合器調(diào)整到適合的位置，用有旋轉(zhuǎn)傳動裝備的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)來對正。用固定在傳動架上的傳動裝置沿導(dǎo)向進(jìn)行液壓推進(jìn)，機器下面有滑板，滑板支撐在底板上，利用滑板在巷道內(nèi)移動機器。定向機構(gòu)保證機器的傳動架沿著煤層角度進(jìn)行鉆進(jìn)。機組對巷道壁的水平側(cè)推力是用液壓缸來保證的。機組機械化接鉆桿和撤鉆桿時有一個找正裝置，用它來找準(zhǔn)定位需要鉆進(jìn)或撤出的在鉆采帶里的鉆桿和風(fēng)管

3、。鉆桿的安裝、拆卸、儲存是由安裝在巷道的單軌吊完成的。機組采下來的煤是靠放置在巷道里的刮板運輸機運出的。螺旋鉆機、操作臺和動力裝置連接在一起，沿巷道一起移動 圖3-6二、螺旋鉆構(gòu)造如圖3-4所示，螺旋鉆具是由一些很容易組裝、拆卸的構(gòu)件組成。鉆具為兩組螺旋鉆桿和通風(fēng)管，它們都與螺旋鉆機連接。在前右螺旋鉆桿和通風(fēng)管之間由減速箱連接，在前左螺旋鉆桿上安裝了用剛性拉桿與減速箱殼體相連的軸承座。減速箱和軸承座裝在下有彈簧的滑板上。在右螺旋鉆桿的軸承座前面及減速箱的輸出軸上裝有3個鉆頭，鉆頭軸之間的距離為640mm ，兩則的鉆頭按煤層厚度采用不同直徑的625mm,725mm 或825mm 鉆頭。在各種條件

4、下，中間鉆頭的直徑是625mm ，但它的結(jié)構(gòu)隨著兩側(cè)鉆頭的直徑不同而改變。所有鉆頭有通用的連結(jié)節(jié)，以保證把鉆頭安裝在減速箱和軸承座的輸出軸上。執(zhí)行機構(gòu)的減速箱呈圓柱形，由兩個軸齒輪和兩個傳遞齒輪組成。把右螺旋鉆桿的旋轉(zhuǎn)傳遞給中心鉆頭。減速箱的軸齒輪上裝了有3個凸輪的半個離合器，以連接鉆頭和鉆桿，并傳遞扭矩。減速箱的密封由軸上的密封圈來保證。為了避免半個離合器殼體和減速箱頂蓋之間掉進(jìn)煤粉，安裝了迷宮密封。執(zhí)行機構(gòu)的減速箱殼體上的通風(fēng)管路端裝了控制箱，它是一個帶有法蘭盤的箱式結(jié)構(gòu)，利用法蘭盤與通風(fēng)管連結(jié)。控制箱的殼體上裝了可移動的立柱，伸出殼體，并用液壓缸與殼體連結(jié)。煤巖傳感器的兩端液壓缸與立柱相

5、連，位置傳感器的拉桿又與煤巖傳感器的殼體相連。用齒輪泵來維持控制箱的運行。通過減速器齒輪泵與執(zhí)行機構(gòu)的減速箱軸相連?？刂葡涞膬啥耸锹菪@第一節(jié)左右旋鉆桿，分別與左軸承節(jié)及執(zhí)行機構(gòu)的減速箱對接。鉆桿是雙頭的，直徑為570mm 。 1螺旋鉆桿 2中間通風(fēng)管 3軸承座 4鉆頭 5變速器 6控制箱圖3-4 螺旋鉆具 3-5 螺旋鉆采煤機鉆頭結(jié)構(gòu) 3-6 螺旋鉆采煤機現(xiàn)場實物照片鉆桿和通風(fēng)管路與螺旋鉆桿和控制箱相連。左邊鉆桿是右旋的，涂紅色。右邊鉆桿是左旋的，涂淺灰色。鉆桿是一根管子，管子上焊了一些直徑為480mm 的葉片。管子的端部裝了有3個凸輪的、作連接用的半離合器。前面的半離合器上固定了一個輸出軸

6、，用它來對接鉆桿；后面的半離合器上有自動鎖，用以鎖定上述的輸出軸。在控制箱的殼體上還有兩個徑向的推桿，利用專門裝置壓推桿鎖就可以打開。 通風(fēng)組件的直線段是一根直徑為320mm 的管子，它的端部焊了有鎖定和對接單元的法蘭盤。前面法蘭盤的外圓（槽）上有旋轉(zhuǎn)環(huán)，旋轉(zhuǎn)時它進(jìn)入導(dǎo)向銷釘上的槽溝，使這些管子相互鎖定。直線段的內(nèi)腔有用浸有橡膠織物制成的船帆形葉片。上部在閥旁邊的管子上有個從旋轉(zhuǎn)頂蓋外部能蓋得上的切口。在管路接長時，空氣通過管子上部的切口流入。與此同時，閥門從外部關(guān)上了在管子對接時開啟后端的空氣出口。沿著通風(fēng)管路的左端，從上面固定了一個帶著蓋子的箱子，箱子裝在可活動的連接頭上。沿著蓋子通過空氣

7、流通線路，并把執(zhí)行機構(gòu)與螺旋鉆機連在一起。管子下部有兩個收集器，它們是管子的切口，并焊在法蘭盤附近的軸上，其位置在定心裝置中間的夾子上。 為了保持兩個螺旋鉆桿軸線之間距離能穩(wěn)定，安裝了一穩(wěn)定器。穩(wěn)定系統(tǒng)是一個通風(fēng)管路的直線段，在其側(cè)面裝了兩個圓筒，在圓筒里裝有直徑為450mm 的雙頭螺旋鉆桿。穩(wěn)定器圓筒管子下面有個雙頭犁板，用以清理鉆孔的中間部分。三、螺旋鉆核心技術(shù)1 螺旋鉆的葉片、鉆桿設(shè)計技術(shù)螺旋鉆桿是螺旋鉆采煤機一個非常重要的部件，同時它也是煤層鉆孔的常用設(shè)備之一。但由于長期以來對螺旋鉆桿設(shè)計參數(shù)研究甚少，其結(jié)構(gòu)不盡合理，在使用過程中常常不盡如人意。為此，有必要對螺旋鉆桿參數(shù)進(jìn)行研究和討論

8、。 3-7螺旋鉆葉片、鉆桿采煤工作面照片1 3-8螺旋鉆葉片、鉆桿采煤工作面照片21）螺旋鉆的葉片 煤塊在葉片上的運動學(xué)分析 如圖3-9所示，取一小塊煤A 為研究對象。當(dāng)螺旋鉆桿以轉(zhuǎn)速n 旋轉(zhuǎn)時，（忽略煤自重和葉片與煤塊間的摩擦力），螺旋鉆桿獲得圓周速度v g 。假定現(xiàn)在煤塊與螺旋葉片的相對滑移速度為v 11，兩速度合成使煤塊以v m1的絕對速度沿葉片的法向方向運動。但是實際中由于煤塊和葉片間存在摩擦力，使v 11變成v 12，相應(yīng)地使v m1變成v m2，絕對速度方向偏離法向一個摩擦角。則在葉片平均處煤塊的絕對速度：cos sin cos sin cos 12nD v v v g m m =

9、 式中:D煤塊在葉片平均處直徑，m螺旋葉片平均升角，(2/g y +=，（） 圖3-9 煤塊在螺旋葉片上的運動分析 y 螺旋葉片外升角，tan (y y D L /=，（） g 螺旋葉片內(nèi)升角，tan (g g D L /=，（） 螺旋鉆桿的排煤速度：(cos cos sin cos 2+=+=nD v v m y2 螺旋鉆桿裝煤生產(chǎn)率的計算螺旋鉆桿最大可能煤流斷面積( -=cos 14221L m D D S g y式中：y D 葉片外緣直徑，mg D 葉片內(nèi)緣直徑，mm 葉片頭數(shù)葉片厚度，0.030.04 m L 葉片導(dǎo)程，L tan D ，m設(shè)螺旋鉆桿裝煤時煤流的充滿系數(shù)為，則煤流實際斷

10、面積S 1S 。因此可計算處鉆桿的裝煤生產(chǎn)率：Q=S v y (cos cos sin +nD ( -cos 1422L m D D g y( -+-cos 1cos sin 4222L m D D D n gy 圖3-9螺旋鉆葉片現(xiàn)場實物圖 圖3-10 螺旋鉆鉆具現(xiàn)場實物圖2）螺旋鉆的鉆桿螺旋鉆采煤機的鉆桿是實現(xiàn)快速優(yōu)質(zhì)鉆進(jìn)的重要部件, 是鉆機與孔內(nèi)鉆頭的動力傳遞環(huán)節(jié), 承受和傳遞作用于鉆頭上的給進(jìn)力、回轉(zhuǎn)扭矩和回拖力。螺旋鉆頭采下的煤也通過螺旋鉆桿向外輸送。鉆桿在輸煤過程中, 由于煤炭的相互擠壓, 很容易造成二次破碎。因此在設(shè)計螺旋鉆桿時, 應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮, 通過優(yōu)化設(shè)計, 選擇合理的

11、參數(shù), 才能達(dá)到提高塊煤率和輸煤效果的目的。以下對螺旋鉆桿的輸煤機理進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上, 選擇螺旋鉆桿輸煤生產(chǎn)率作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo), 以鉆桿葉片內(nèi)徑、鉆桿工作轉(zhuǎn)速、葉片螺旋升角和導(dǎo)程為設(shè)計變量, 同時考慮了塊煤率、浮煤量和單位能耗等因素的影響, 建立了數(shù)學(xué)模型, 以使鉆桿參數(shù)的設(shè)計結(jié)果更能符合工作要求。1 螺旋輸送機布置時傾斜角度也將影響物料的輸送效果。隨著傾斜角度增大, 輸送能力即下降。另外傾斜角度的大小還會影響填充系數(shù)。傾斜輸送系數(shù)見表3-2。物料在料槽中的填充系數(shù)對物料的輸送和能量的消耗有很大影響。當(dāng)填充系數(shù)較小時, 物料堆積高度較低, 大部分物料靠近螺旋外側(cè), 因而具有較高的軸向速度

12、和較低的圓周速度, 物料在輸送方向上的運動要比圓周方向顯著得多, 運動的滑移面幾乎平行于輸送方向, 這時垂直于輸送方向的附加物料流減弱, 能量消耗降低; 相反, 當(dāng)填充系數(shù)較高時, 物料運動的滑移面很陡, 其在圓周方向的運動將比輸送方向的運動強, 這將導(dǎo)致輸送速度的降低和附加能量的消耗。因而, 填充系數(shù)適當(dāng)取小值較有利, 一般取0,即/2-. 因為螺旋葉片內(nèi)徑D g 處的螺旋升角g 最大, 而該處的煤顆粒軸向速度v1最小, 故g /2-。煤與葉片的摩擦因數(shù)=0.58,而=tan, 由此可以得到煤與葉片的摩擦角=30, 故螺旋葉片內(nèi)徑D g 處的螺旋升角g 必須小于60。實踐表明, 螺旋鉆桿的葉

13、片內(nèi)緣升角g 一般在2545范圍內(nèi)比較合適。由于螺旋鉆桿葉片內(nèi)徑的范圍一般為0.3 D y 0.4D y , 而同一鉆桿的葉片內(nèi)外緣導(dǎo)程一樣, 因此螺旋葉片外緣升角g 選取一般為822, 即g4(x=x4-220g5(x=8-x40g6(x=x5-450g7(x=25-x50(4螺旋葉片導(dǎo)程L 的約束條件。螺旋鉆桿輸煤過程中, 應(yīng)考慮物料運動速度各分量間的合理分布問題, 既要使煤具有盡可能大的軸向輸送速度同時, 又要使軸向速度盡可能大于圓周速度, 即v2v1, 將式(1代入整理得:L 2r(/4-在螺旋葉片外緣處,2r= Dy , 上式可寫成:LD y (/4-同時, 為了使兩葉片之間的空間能

14、順利排煤而不被大塊煤卡住, 兩葉片間距應(yīng)滿足:mL c cos 0.250.4 螺旋葉片的螺距與葉片深度之比應(yīng)滿足:1.0(2g y D D m l -4.4 則g8(x=x3-D y tan(/4- 0g9(x=0.4m-x3cos(x4+x5/2 0g10(x=m(Dy -x1-2x30g11(x=x3-2.2m(Dy -x1 0(5等式約束。螺旋葉片任意直徑處的導(dǎo)程相等, 即L=D y tan u (外緣L=D y tan g (內(nèi)緣得 g12(x=D y tanx4-x3=0g13(x=x1tanx5-x3=0根據(jù)以上條件, 螺旋鉆采煤機鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為min-F(x= (2

15、124x D y - -+m x y g 2cos 3x2K c cos 54+x x X= x1 x2 x3 x4 x5T = Dg n L y g T (=+= -=0x3-x1tanx5g13(x0x3-tanx4D g12(x0x1 -2.2m(D-x3g11(x02x3-x1 -m(Dg10(x0x4x3cos -0.4m g9(x04tan D -x3g8(x0x5-25g7(x045-x5g6(x0x4-8g5(x022-x4g4(x00.4D -x1g2(x0x1-0.3D g1(x1y y y y y st 利用螺旋鉆采煤機鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型, 在確定螺旋鉆桿的葉片外徑

16、、頭數(shù)和厚度后, 編計算機程序計算, 可以得出螺旋鉆桿有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值, 指導(dǎo)螺旋鉆桿的優(yōu)化設(shè)計。2 螺旋鉆鉆具的組裝連接、定向、穩(wěn)定控制技術(shù)在螺旋鉆采煤機鉆進(jìn)的過程中, 由于諸多因素影響, 鉆頭的方向往往偏離預(yù)先設(shè)定的理想方向, 鉆具理想的推進(jìn)方向是鉆具沿著煤層方向, 并且垂直于巷道方向推進(jìn)。影響鉆具鉆進(jìn)方向的因素是多方面的, 但主要有3個方面, 即煤層的地質(zhì)條件、鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)工藝參數(shù)。地質(zhì)條件因素是不可人為改變的, 因此保證鉆進(jìn)方向主要是通過合理設(shè)計鉆具結(jié)構(gòu)和調(diào)整鉆進(jìn)的工藝參數(shù)來實現(xiàn)。1 影響鉆具定向鉆進(jìn)的因素(1煤層地質(zhì)條件地質(zhì)因素是客觀因素, 一旦選定煤層和鉆孔方向, 地質(zhì)條件因

17、素就是不可改變的。煤層在沉積過程中形成的分層面、地質(zhì)力使煤層破碎形成的斷裂面, 使煤層各處的性質(zhì)不同, 即煤是一種非均質(zhì)性各向異性的物質(zhì), 而且煤層中還經(jīng)常夾雜著巖石在鉆具鉆進(jìn)過程中, 它們將造成鉆頭受力不均衡, 鉆頭將沿著阻力最小的方向鉆進(jìn), 導(dǎo)致鉆具偏斜。(2鉆具結(jié)構(gòu)因素螺旋鉆采煤機的鉆具主要由鉆頭和鉆桿組成，鉆頭的結(jié)構(gòu)將影響其均衡受力, 如果鉆頭受力不均衡, 將使鉆頭偏離理想的鉆進(jìn)方向。為了能達(dá)到要求的鉆進(jìn)深度, 鉆桿需采用多節(jié)鉆桿連接組合, 長距離鉆桿, 要考慮鉆桿抗彎剛度的影響, 因為長距離鉆桿其本身的重量將會使它產(chǎn)生彎曲, 而鉆桿的連接處間隙以及鉆具軸向推進(jìn)力的作用, 都會加大這種

18、彎曲趨勢, 使鉆具在鉆進(jìn)過程中偏離理想的鉆進(jìn)方向。(3鉆進(jìn)的工藝參數(shù)鉆進(jìn)的工藝參數(shù)主要指鉆具的推進(jìn)力和轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)工藝參數(shù)的選取與所用鉆進(jìn)方法、煤層情況、生產(chǎn)率要求以及鉆頭、鉆桿的技術(shù)參數(shù)等相關(guān)。在鉆具鉆進(jìn)過程中, 可能產(chǎn)生跑偏現(xiàn)象或鉆桿彎曲, 這時鉆具推進(jìn)力將影響鉆具撓曲變形的程度。推進(jìn)力加大, 鉆具彎曲的趨勢也將增大, 當(dāng)其超過臨界軸向壓力時, 還會造成鉆具失穩(wěn)的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速的大小決定了鉆具回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生離心力的大小。同樣, 在鉆具鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生跑偏現(xiàn)象時, 離心力增大, 將加大鉆桿撓曲變形程度。另外, 鉆具轉(zhuǎn)速越低, 截割下的煤屑尺寸越大。煤塊加大, 不僅容易造成卡鉆, 阻塞煤的正常輸送, 而且煤

19、塊有可能堆積在鉆孔與鉆具環(huán)狀間隙里, 使鉆具受力不平衡, 加大鉆具的跑偏。2 鉆具定向控制實現(xiàn)鉆具定向鉆進(jìn)的有效手段是選擇合理的鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)工藝參數(shù)。由于鉆頭的結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)過程中的徑向力、切向力及軸向力的作用方向和作用形式有著密切的關(guān)系, 因而鉆頭的結(jié)構(gòu)對鉆具的定向鉆進(jìn)起著重要作用?？梢酝ㄟ^對鉆頭的優(yōu)化設(shè)計, 保證鉆頭截齒的均衡受載、平穩(wěn)截割, 使鉆頭受力均衡。本文主要從鉆具的其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。(1穩(wěn)定器組合鉆具一般情況下鉆具由鉆頭、螺旋鉆桿和鉆桿連接器組成。但為了保證在長距離鉆進(jìn)過程中鉆具能夠按要求方向定向鉆進(jìn)以及鉆桿的穩(wěn)定, 可以給鉆具安裝穩(wěn)定器, 形成穩(wěn)定器組合鉆具。穩(wěn)定器用其內(nèi)圓柱表面

20、套在鉆桿上, 其外徑基本接近所用鉆頭的外徑, 對鉆桿起支撐和穩(wěn)定作用, 相當(dāng)于支點。同時, 通過穩(wěn)定器不同的安裝位置, 使鉆頭保持理想的鉆進(jìn)方向, 以達(dá)到控制鉆頭方向的目的。一般來講, 穩(wěn)定器不同的安裝位置可以使鉆頭的鉆進(jìn)方向上仰、平直或下斜。上仰：將第1個穩(wěn)定器配裝在靠近鉆頭的位置上, 第2個穩(wěn)定器配置在遠(yuǎn)離第1個穩(wěn)定器的位置上。這樣在鉆進(jìn)過程中, 在靠近鉆頭的穩(wěn)定器的支撐作用下, 充分利用該穩(wěn)定器后鉆桿的自重使前部鉆具上翹, 從而使鉆頭鉆進(jìn)方向上仰。平直：如果要使鉆頭仍沿原鉆孔軸線平直鉆進(jìn), 則應(yīng)在鉆頭后等距離配置數(shù)個穩(wěn)定器(一般不少于3個且間距不宜過大。這樣整個鉆具在鉆進(jìn)過程中, 由于穩(wěn)定器的支撐和定位作用, 鉆頭則可以沿平直方向鉆進(jìn)。下斜：為使鉆頭下斜鉆進(jìn), 可將第1個穩(wěn)定器的位置向后移, 拉大它與鉆頭的間距。這樣在鉆進(jìn)過程中減小穩(wěn)定器對鉆頭的束縛, 增加其自由度, 依靠鉆頭和與之相連的鉆桿的自重作用, 使鉆頭鉆進(jìn)方向下斜。(2穩(wěn)定器間受壓鉆桿的力學(xué)模型在鉆具鉆進(jìn)過程中, 兩穩(wěn)定器之間的鉆桿, 由于自身重力作用, 有可能緊貼在下孔壁上, 取該段鉆桿來分析, 其受力狀態(tài)如圖1所示。在兩端處鉆桿其它部分對該段