许 愿

（晋能控股集团煤业公司忻州窑矿，山西 大同 037001）

引言

滚筒式采煤机是进行煤矿综采的重要设备，具有较大的功率及产量，在煤矿的机械化采煤设备中具有较大的用量。滚筒式采煤机能适应复杂的煤层条件，进行硬煤的截割，且可采高范围大，在自动化采煤中被广泛应用。作为重要的采煤设备，滚筒的截割性能对于采煤作业的效率及可靠性具有重要的影响[1]。在进行不同煤层的开采作业时，对于作业参数的选取往往依靠经验进行选择，而不是针对煤层的特性及采煤机的结构参数及运动参数对截割效率的影响进行分析确定，从而造成采煤机参数的选择不合适，使得采煤机零件损坏或者截割效率不高[2]。针对这一问题，采用试验分析的方式，对采煤机截割性能进行分析，从而建立滚筒的截割性能和相关参数的关系，选取有利的参数来提高采煤机滚筒的截割效果。

1 煤岩截割试验系统的建立

采用试验的方式对滚筒的截割效果进行分析，依据相似性理论，建立煤岩的截割试验系统。建立煤岩截割试验台，主要包括主传动、辅助传动及测试系统三部分，主传动系统用于实现滚筒的旋转截割，滚筒进行旋转运动，依靠变频器进行速度调节，实现不同的滚筒转速，依据采煤机的滚筒转速[3]，设定试验台的滚筒转速为0~115 r/min；辅助传动系统用于模拟采煤机作业时牵引速度的调节，辅助传动系统采用液压驱动的形式，通过变量泵的调节，实现滚筒的推进移动，主传动系统固定于导轨上，通过液压缸的伸缩实现滚筒的前进和后退，设定滚筒的移动速度为0~2 m/min；试验中的测试系统采用集流环的形式进行滚筒旋转三向力的测定，并通过扭矩传感器进行滚筒的扭矩及转速的测定，所测得的数据以频率的形式输送到相应的信号转换器中，通过电压的形式输出到采集卡中，并在屏幕中进行显示。

进行煤岩截割效果的试验分析，所使用的截割材料对结果具有直接的影响，为保证结果的准确性，截割材料应采用均质的结构[4]。采用天然粉煤为本体结构，并结合水泥、黏合剂进行截割材料的配置，将煤样制品制成为圆柱体结构，高径比为2∶1，以抗拉强度为主要参数进行模拟截割材料的配置，在进行配置的过程中，水泥的质量不变，通过改变粉煤的质量来实现一定的抗拉强度，得到试验用的煤样制品[5]。

进行滚筒的截割效果分析，采用的滚筒直径为530 mm，煤壁的抗压强度为1.97 MPa，初始条件为牵引速度为1 m/min，采用截齿的冲击角为50°，截割深度为210 mm，螺旋叶片的升角为25°，选取滚筒的转速为70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min，对不同滚筒转速下的截割效果进行分析。

2 不同切削厚度下的截割效果试验分析

当滚筒移动的牵引速度一定时，在不同的滚筒转速下，所对应的切削厚度不同，滚筒的转速为70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min，在试验条件下对应的切削厚度（h）分别为5.36 mm、4.69 mm、4.17 mm、3.75 mm，对滚筒的煤岩截割过程进行试验，得到不同的切削厚度下滚筒的截割扭矩的时域变化曲线如下页图1所示。进一步将滚筒的截割扭矩值进行统计，并将数据进行拟合处理，得到如下页图2所示的截割扭矩与切削厚度的关系曲线。

从图1、图2中可以看出，随着切削厚度的增加，则滚筒的截割扭矩也随之增加，并且呈现一定的指数变化的关系。由此可知，在滚筒的转速变化时，则滚筒的截割扭矩与切削厚度呈指数形式的增加。

图1 不同切削厚度下截割扭矩的时域变化

图2 截割扭矩与切削厚度的拟合曲线

在滚筒截割的过程中，截割比能耗表示进行单位体积的煤层截割所消耗的能量的大小，截割比能耗的值越小，则截割效率越高，滚筒的能量损失越小，对截割过程越有利。截割过程中的能耗大部分作用于对煤岩的破坏作用[6]，依据不同切削厚度时的截割扭矩值的大小及截落的煤岩的质量，可以得到截割比能耗与切削厚度的关系曲线如图3所示。从图3中可以看出，在滚筒的结构参数不变的情况下，随着切削厚度的增加，截割比能耗逐渐减小，并且与切削厚度呈一定的指数关系。

图3 截割比能耗与切削厚度的拟合曲线

煤炭开采过程中的块煤率是评估煤炭质量的重要指标，块煤率越高，则越有利于煤炭的清洁使用，煤炭的价格更高，提高块煤率同时可以降低煤炭的粉尘率，有利于煤炭的开采环境的改善。对不同滚筒转速下的块煤率进行分析，对截割得到的煤岩进行粒度分级，并依据相应的块煤标准，可以得到不同的切削厚度下块煤率的变化关系曲线如图4所示。从图4中可以看出，块煤率与切削厚度呈指数形式的变化，并且随着切削厚度的增加，块煤率增加。

图4 块煤率与切削厚度的拟合曲线

3 结论

滚筒式采煤机是煤矿开采的重要设备，在开采过程中，滚筒的参数对于煤岩的截割效果具有直接的影响。采用试验分析的形式，制定相应的煤样制品，通过试验台的测定，对不同切削厚度下的截割效果进行分析。在试验过程中，滚筒的截割扭矩、截割比能耗及块煤率均与切削厚度呈现一定的指数关系，在进行煤矿的开采时，应依据煤岩的性质，合理地选择滚筒的参数，从而依据截割扭矩、截割比能耗及块煤率与切削厚度的关系曲线确定最优的截割效果，提高采煤机的截割效率，保证煤矿的高效开采。