王曉峰，劉志英

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

鉆式采煤機螺旋鉆桿參數(shù)化設(shè)計研究

王曉峰，劉志英

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121)

鉆式采煤機主要是應(yīng)用在較薄煤層開采中的一種開采設(shè)備，螺旋鉆桿主要是鉆式采煤機傳遞動力、運輸煤炭的重要部件，因此螺旋鉆桿的設(shè)計和使用性能會對整個鉆式采煤機的工作性能產(chǎn)生重要的影響。要實現(xiàn)采煤機螺旋鉆桿的合理參數(shù)化設(shè)計，需要對煤塊顆粒和螺旋葉之間的動力學(xué)等關(guān)系進(jìn)行分析，并合理分析參數(shù)化公式，結(jié)合參數(shù)化的設(shè)計方法，建立用戶界面，從而實現(xiàn)螺旋鉆桿的自動裝配、干涉檢查等，保證不同參數(shù)系列的模型，最終縮短設(shè)計的周期，并提高設(shè)計的效率，實現(xiàn)螺旋鉆桿產(chǎn)品的系列化和科學(xué)化。

鉆式采煤機；螺旋鉆桿；參數(shù)化設(shè)計

隨著采煤業(yè)相關(guān)機械和設(shè)備等的不斷發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)條件也逐漸成熟。鉆式采煤機主要應(yīng)用在較薄層的煤層開發(fā)中，該設(shè)備的使用大大提升了煤炭的資源回收率，對節(jié)約社會資源等有重要意義。

從部件功能來講，螺旋鉆桿在整個采煤機作業(yè)中有著重要作用，是其快速優(yōu)質(zhì)采煤的重要影響部分，所以需要重視其參數(shù)化設(shè)計，需要對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行認(rèn)真分析，在此基礎(chǔ)上對螺旋鉆桿的主要參數(shù)計算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并結(jié)合公式，借助相關(guān)軟件研究其程序的參數(shù)、原則等，實際應(yīng)用中還需要結(jié)合具體采煤情況，對螺旋桿零件和裝配件進(jìn)行分析，并檢查其是否符合工作要求，從而最終實現(xiàn)鉆式采煤螺旋桿的參數(shù)化設(shè)計，提高采煤的效率和質(zhì)量。

1 螺旋鉆采煤機相關(guān)概述

我國目前對螺旋采煤法的研究較多，應(yīng)用不斷擴大，其主要是運用于淺層的煤層開采中，屬于無人工作面的開采法。該設(shè)備的研究和使用改變了傳統(tǒng)薄煤層開采中回踩工人在工作面中需要爬行工作的方式，是采煤方式的巨大變革，也在很大程度上保障了采煤工作的安全性。

螺旋鉆采煤機可以實現(xiàn)巷道兩側(cè)雙向的鉆孔采煤，并且在不需要其他設(shè)備輔助的條件下實現(xiàn)落煤的回收工作，因此，這樣大大減少了采煤工作的工序。其關(guān)鍵的施工設(shè)備即是螺旋采煤機，主要由主機、多功能操作臺及液壓泵站等多個設(shè)備組成，螺旋鉆采煤機主要是由螺旋鉆具工作，包括鉆頭和螺旋桿等組成，鉆具部分主要根據(jù)具體的開采條件，來進(jìn)行鉆頭的安裝，一般可安裝2～4個鉆頭，如如果是平地進(jìn)行煤層開采，需要2～3個鉆孔，保證能部分地對鉆孔間媒枝進(jìn)行破碎，鉆孔的密度可以適當(dāng)增加到2.7m左右，保證提高煤炭資源的回收率。鉆具上安裝五種傳感器，對鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛取@頭的旋轉(zhuǎn)扭矩及鉆孔導(dǎo)向等進(jìn)行監(jiān)控，了解鉆頭和煤層頂?shù)装鍘r層的間隙等，并通過多功能控制裝置從而實現(xiàn)集中控制，能很好地解決鉆孔的導(dǎo)向。

2 螺旋鉆桿的介紹

2.1 結(jié)構(gòu)分析

由圖1可知，導(dǎo)向連接軸的作用不可忽視，主要引導(dǎo)后一節(jié)鉆桿與前一節(jié)鉆桿的插入連接，在退桿過程中需要承受一定的拉力，通過上環(huán)形槽與前一節(jié)的凹聯(lián)接器進(jìn)行聯(lián)接配套，最終達(dá)到固定鉆桿的目的，避免在退桿中鉆桿脫開的現(xiàn)象。

2.2 輸煤機的原理

其原理分析需要對螺旋距離、多螺旋頭、螺旋軸線、煤顆粒等進(jìn)行分析，主要是對其受力分析進(jìn)行分析。

3 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計分析

近些年來，螺旋鉆桿采煤機的應(yīng)用也逐漸增廣，其在淺層采煤作業(yè)中起著重要的作用。國內(nèi)外都逐漸采用優(yōu)化的設(shè)計方法對其進(jìn)行設(shè)計，對螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，采煤機鉆桿優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)對在裝機功率、生產(chǎn)率及當(dāng)前制造工藝的條件下，能研究出最優(yōu)的鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，從而保證采煤的平均塊度，減少浮煤量和煤塵量，采煤機的能耗量較少，同時其鉆桿的載荷波動較小，壽命長。但是常見的設(shè)計沒有考慮到影響螺旋狀安結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)因素，因此相關(guān)的設(shè)計方干很難更好地符合客觀的實際。所以需要對采煤機螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)化數(shù)學(xué)模型的建立

結(jié)合相關(guān)的理論，對螺旋鉆桿裝煤的生產(chǎn)率作為目標(biāo)函數(shù)，并分析影響其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)等可變參數(shù)，將其作為設(shè)計變量，并編程計算，得到影響鉆桿裝煤生產(chǎn)率的可變參數(shù)，保證在其最優(yōu)值的前提下實現(xiàn)裝煤生產(chǎn)率的最大化，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為鉆桿設(shè)計、制造等研究提供參考。

3.2 螺旋鉆桿主要參數(shù)的設(shè)計

螺旋鉆桿主要參數(shù)包括其外徑（設(shè)為D），螺旋內(nèi)徑d，距離S，葉片的厚度t，在模塊化設(shè)計自動裝配的過程中，則需要根據(jù)相關(guān)的參數(shù)完成創(chuàng)建的整個過程。

（1）螺旋葉片。螺旋葉片上任意一點的法線與螺旋軸線的夾角可以稱之為該點的螺旋角升角，

公式為：

其中，Di表示螺旋葉片某點的直徑。由公式（1）可推導(dǎo)：

上述公式中，L為螺旋葉片外援的螺旋升角；l表示螺旋葉片內(nèi)緣的螺旋升角，一個螺距內(nèi)螺旋葉片外緣螺旋線長和一個螺距內(nèi)旋葉片內(nèi)緣的螺旋線長。

（2）螺旋鉆桿轉(zhuǎn)速的分析。螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速大小對采煤質(zhì)量及速度都會產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)其轉(zhuǎn)速較大或較小時，會打破煤承受力的平衡度，這種條件下其轉(zhuǎn)動方向就會產(chǎn)生離心力，煤在垂直于輸送方向出現(xiàn)跳躍，最終會降低其傳輸?shù)男?，因此，必須避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就需要對速轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定的分析和控制，此外，還需要注意的是，葉片處的離心力最大，在分析其轉(zhuǎn)速時需要對葉片處的受力考慮進(jìn)去。

（3）對煤顆粒運動的分析。在對采煤機參數(shù)結(jié)構(gòu)等選擇中，還需要對煤顆粒進(jìn)行分析，煤顆粒會對旋轉(zhuǎn)螺旋產(chǎn)生一定的作用和影響，會對螺旋運動帶來變化，對煤顆粒速度的計算可以采用矢量三角形的方法進(jìn)行求解。

3.3 螺旋鉆桿參數(shù)化設(shè)計

（1）螺旋鉆桿零件的組成。研究表明，DriveWorks Solo軟件有助于實現(xiàn)零件的自動創(chuàng)建及組裝，在實現(xiàn)的過程中，需要結(jié)合實際情況，對螺旋鉆桿的按照配合等進(jìn)行生成，結(jié)合實際的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立相關(guān)產(chǎn)品系列庫。

（2）在參數(shù)設(shè)計時，還要結(jié)合用戶的需求，對基本的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和選擇，保證在短時間內(nèi)形成產(chǎn)品。但如果為現(xiàn)有的產(chǎn)品，也可以直接調(diào)用，對其中涉及到的新型的參數(shù)問題，需要結(jié)合具體的情況對相關(guān)的零部件進(jìn)行自動生成和裝配，在此基礎(chǔ)上對螺旋鉆桿進(jìn)行性能的分析，并根據(jù)其強度輸出結(jié)果。

4 結(jié)語

綜上所述，采煤機在實際應(yīng)用中需要積極運用新的技術(shù)，積極研究螺旋鉆桿采煤機具有重要的現(xiàn)實意義，對其參數(shù)化設(shè)計，能保證其工業(yè)裝配的要求，同時有效提升產(chǎn)品的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，能不斷減少產(chǎn)品建模的時間，從而提升工作效率，在淺層采煤作業(yè)中應(yīng)用較多。本文主要結(jié)合鉆式采煤機的發(fā)展和工作概況，對鉆式采煤機參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了分析。

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TD421.6

A

1671-0711（2016）12（下）-0119-02

2016年河南省科技廳科技計劃項目（162102310239）。