钻式采煤机的螺旋钻结构与核心技术

钻式采煤机的螺旋钻结构与核心技术-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII钻式采煤机的螺旋钻结构与核心技术一、螺旋钻机组的组成及其工作原理（1）机组的组成机组的组成如图3-3所示。

机组由主机、钻机动力设备、通风系统、钻头和移动装置等组成。

1-螺旋钻机组主机 2-托架 3-操作台 4-液压系统5-动力装置 6-CYB-350AB型控制站 7-矿用接线开关APSH.1型8-采用BMCH-4.5型风机的通风系统 9-钻具图3-3 百狮-2型螺旋钻采煤机组总装图（2）机组工作原理螺旋钻采煤机组传递扭矩给和钻压给螺旋钻从钻采条带里的煤，并完成采煤过程的送钻和退钻。

螺旋钻由一个左旋一个右旋的两节钻杆和它们中间的风管组成。

钻头的切割部分是一个执行机构，它由三个钻头组成。

右边的螺旋钻通过减速箱传扭矩给中间钻头。

如图3-6通过风管不间断地向工作面通风，并用ATZ-1型瓦斯测量器测控。

通过放置在风管边的软管向执行机构的喷头供水，保证降尘。

两个单独的传动装置带动钻杆组的旋转。

为锁紧和开启钻杆的连接，需把钻杆连接用的带有凸轮的离合器调整到适合的位置，用有旋转传动装备的翻转机构来对正。

用固定在传动架上的传动装置沿导向进行液压推进，机器下面有滑板，滑板支撑在底板上，利用滑板在巷道内移动机器。

定向机构保证机器的传动架沿着煤层角度进行钻进。

机组对巷道壁的水平侧推力是用液压缸来保证的。

机组机械化接钻杆和撤钻杆时有一个找正装置，用它来找准定位需要钻进或撤出的在钻采带里的钻杆和风管。

钻杆的安装、拆卸、储存是由安装在巷道的单轨吊完成的。

机组采下来的煤是靠放置在巷道里的刮板运输机运出的。

螺旋钻机、操作台和动力装置连接在一起，沿巷道一起移动图3-6二、螺旋钻构造如图3-4所示，螺旋钻具是由一些很容易组装、拆卸的构件组成。

钻具为两组螺旋钻杆和通风管，它们都与螺旋钻机连接。

在前右螺旋钻杆和通风管之间由减速箱连接，在前左螺旋钻杆上安装了用刚性拉杆与减速箱壳体相连的轴承座。

减速箱和轴承座装在下有弹簧的滑板上。

在右螺旋钻杆的轴承座前面及减速箱的输出轴上装有3个钻头，钻头轴之间的距离为640mm，两则的钻头按煤层厚度采用不同直径的625mm,725mm或825mm钻头。

在各种条件下，中间钻头的直径是625mm，但它的结构随着两侧钻头的直径不同而改变。

所有钻头有通用的连结节，以保证把钻头安装在减速箱和轴承座的输出轴上。

执行机构的减速箱呈圆柱形，由两个轴齿轮和两个传递齿轮组成。

把右螺旋钻杆的旋转传递给中心钻头。

减速箱的轴——齿轮上装了有3个凸轮的半个离合器，以连接钻头和钻杆，并传递扭矩。

减速箱的密封由轴上的密封圈来保证。

为了避免半个离合器壳体和减速箱顶盖之间掉进煤粉，安装了迷宫密封。

执行机构的减速箱壳体上的通风管路端装了控制箱，它是一个带有法兰盘的箱式结构，利用法兰盘与通风管连结。

控制箱的壳体上装了可移动的立柱，伸出壳体，并用液压缸与壳体连结。

煤——岩传感器的两端液压缸与立柱相连，位置传感器的拉杆又与煤—岩传感器的壳体相连。

用齿轮泵来维持控制箱的运行。

通过减速器齿轮泵与执行机构的减速箱轴相连。

控制箱的两端是螺旋钻第一节左右旋钻杆，分别与左轴承节及执行机构的减速箱对接。

钻杆是双头的，直径为570mm。

1－螺旋钻杆 2－中间通风管 3－轴承座4－钻头 5－变速器 6－控制箱图3-4 螺旋钻具3-5 螺旋钻采煤机钻头结构3-6 螺旋钻采煤机现场实物照片钻杆和通风管路与螺旋钻杆和控制箱相连。

左边钻杆是右旋的，涂红色。

右边钻杆是左旋的，涂浅灰色。

钻杆是一根管子，管子上焊了一些直径为480mm的叶片。

管子的端部装了有3个凸轮的、作连接用的半离合器。

前面的半离合器上固定了一个输出轴，用它来对接钻杆；后面的半离合器上有自动锁，用以锁定上述的输出轴。

在控制箱的壳体上还有两个径向的推杆，利用专门装置压推杆锁就可以打开。

通风组件的直线段是一根直径为320mm的管子，它的端部焊了有锁定和对接单元的法兰盘。

前面法兰盘的外圆（槽）上有旋转环，旋转时它进入导向销钉上的槽沟，使这些管子相互锁定。

直线段的内腔有用浸有橡胶织物制成的船帆形叶片。

上部在阀旁边的管子上有个从旋转顶盖外部能盖得上的切口。

在管路接长时，空气通过管子上部的切口流入。

与此同时，阀门从外部关上了在管子对接时开启后端的空气出口。

沿着通风管路的左端，从上面固定了一个带着盖子的箱子，箱子装在可活动的连接头上。

沿着盖子通过空气流通线路，并把执行机构与螺旋钻机连在一起。

管子下部有两个收集器，它们是管子的切口，并焊在法兰盘附近的轴上，其位置在定心装置中间的夹子上。

为了保持两个螺旋钻杆轴线之间距离能稳定，安装了一稳定器。

稳定系统是一个通风管路的直线段，在其侧面装了两个圆筒，在圆筒里装有直径为450mm的双头螺旋钻杆。

稳定器圆筒管子下面有个双头犁板，用以清理钻孔的中间部分。

三、螺旋钻核心技术1 螺旋钻的叶片、钻杆设计技术螺旋钻杆是螺旋钻采煤机一个非常重要的部件，同时它也是煤层钻孔的常用设备之一。

但由于长期以来对螺旋钻杆设计参数研究甚少，其结构不尽合理，在使用过程中常常不尽如人意。

为此，有必要对螺旋钻杆参数进行研究和讨论。

3-7螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面照片13-8螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面照片21）螺旋钻的叶片１ 煤块在叶片上的运动学分析如图3-9所示，取一小块煤A 为研究对象。

当螺旋钻杆以转速n 旋转时，（忽略煤自重和叶片与煤块间的摩擦力），螺旋钻杆获得圆周速度v g 。

假定现在煤块与螺旋叶片的相对滑移速度为v 11，两速度合成使煤块以v m1的绝对速度沿叶片的法向方向运动。

但是实际中由于煤块和叶片间存在摩擦力，使v 11变成v 12，相应地使v m1变成v m2，绝对速度方向偏离法向一个摩擦角β。

则在叶片平均处煤块的绝对速度：βαπβαβcos sin cos sin cos 12nD v v v g m m === 式中:D ——煤块在叶片平均处直径，mα——螺旋叶片平均升角，()2/g y ααα+=，（°） 图3-9 煤块在螺旋叶片上的运动分析y α——螺旋叶片外升角，tan ()y y D L πα/=，（°）g α——螺旋叶片内升角，tan ()g g D L πα/=，（°）螺旋钻杆的排煤速度：()()ββααπβαcos cos sin cos 2+=+=nD v v m y 2 螺旋钻杆装煤生产率的计算螺旋钻杆最大可能煤流断面积()⎪⎭⎫ ⎝⎛--=αδπcos 14221L m D D S g y 式中：y D ——叶片外缘直径，mg D ——叶片内缘直径，mm ——叶片头数δ——叶片厚度，δ＝0.03－0.04 mL ——叶片导程，L ＝απtan D ，m设螺旋钻杆装煤时煤流的充满系数为ψ，则煤流实际断面积S ＝1S ψ 。

因此可计算处钻杆的装煤生产率：Q=S v y＝()ψββααπcos cos sin +nD ()⎪⎭⎫ ⎝⎛--αδπcos 1422L m D D g y ＝()()⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-αδβααψπcos 1cos sin 4222L m D D D n g y图3-9螺旋钻叶片现场实物图图3-10 螺旋钻钻具现场实物图2）螺旋钻的钻杆螺旋钻采煤机的钻杆是实现快速优质钻进的重要部件,是钻机与孔内钻头的动力传递环节,承受和传递作用于钻头上的给进力、回转扭矩和回拖力。

螺旋钻头采下的煤也通过螺旋钻杆向外输送。

钻杆在输煤过程中,由于煤炭的相互挤压,很容易造成二次破碎。

因此在设计螺旋钻杆时,应从多方面进行考虑,通过优化设计,选择合理的参数,才能达到提高块煤率和输煤效果的目的。

以下对螺旋钻杆的输煤机理进行分析研究的基础上,选择螺旋钻杆输煤生产率作为优化设计的目标,以钻杆叶片内径、钻杆工作转速、叶片螺旋升角和导程为设计变量,同时考虑了块煤率、浮煤量和单位能耗等因素的影响,建立了数学模型,以使钻杆参数的设计结果更能符合工作要求。

1 螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响物料的输送效果。

随着倾斜角度增大,输送能力即下降。

另外倾斜角度的大小还会影响填充系数。

倾斜输送系数见表3-2。

物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的消耗有很大影响。

当填充系数较小时,物料堆积高度较低,大部分物料靠近螺旋外侧,因而具有较高的轴向速度和较低的圆周速度,物料在输送方向上的运动要比圆周方向显著得多,运动的滑移面几乎平行于输送方向,这时垂直于输送方向的附加物料流减弱,能量消耗降低;相反,当填充系数较高时,物料运动的滑移面很陡,其在圆周方向的运动将比输送方向的运动强,这将导致输送速度的降低和附加能量的消耗。

因而,填充系数适当取小值较有利,一般取Ψ<50%，煤的填充系数Ψ值为0.2-0.25。

表3-2 倾斜输送系数倾斜角度（0） 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 倾斜输送系数 1．0 0．97 0.94 0.92 0.88 0.82 0．76 0.70 0.64 0.58 0.52 0.462 螺旋钻杆结构参数优化数学模型1） 螺旋钻杆输煤机理设螺旋为标准的等螺距、等直径的多头螺旋。

以距离螺旋轴线r 处的煤颗粒M 作为研究对象。

当钻杆以角速度ω绕轴旋转时,M 的运动速度可由图2的速度三角形求解。

叶片上O 点的线速度v 0=r ω可用矢量OA 表示,方向为沿O 点回转的切线方向;M 相对于螺旋面相对滑动的速度,平行于O 点的螺旋线切线方向,可用矢量AB 表示。

当不考虑叶片摩擦时,则M 绝对运动的速度v 应是螺旋面上O 点的法线方向,可用矢量OB 表示。

由于煤与叶片有摩擦,煤颗粒M 运动速度v 的方向应与法线偏转一摩擦角Ф。

对v 进行分解,则可得到煤颗粒的轴向速度v1和圆周速度v2。

v1就是煤的输送速度,而v2则对煤的输送有阻滞和干扰。

根据煤颗粒M 运动速度图的分析,可计算出煤轴向移动的速率为:1v =)tan 1(60cos 2αμα-Ln (1) 式中 L ——螺旋叶片导程,m;n ——螺旋钻杆转速,r/min;α——O 点的螺旋升角,(°);µ——煤与叶片间的摩擦因数, µ＝tan Ф；Ф——煤对螺旋面的摩擦角,( °)。

本节在理论分析基础上,以螺旋钻杆输煤生产率为目标函数,对影响其结构参数和运动参数等可变参数作为设计变量,在一定约束条件下进行优化设计,以指导螺旋钻杆的设计工作。

2.1 螺旋钻杆输煤生产率的计算螺旋钻杆输煤生产率Q 为 图3-11 煤颗粒运动速度分析Q=60v p SK c (2)式中 K c ——煤流的充填系数; S ——钻杆的最大可能装载截面积,m 2; V p ——煤沿螺旋钻杆轴向流动速度,m/s 。