毕业设计（论文）-采煤机螺旋滚筒结构优化设计

本科毕业论文(设计)题目：采煤机螺旋滚筒结构优化设计学院：山西大同大学煤炭工程学院班级：机械三班姓名：指导教师：职称：教授完成日期：20XX年5月29日山西大同大学本科生毕业设计中文题目：采煤机螺旋滚筒结构优化设计英文题目：Screwdrumofshearerstructureoptimizeddesign学院：煤炭工程学院姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化班级：机械三班指导教师：职称：完成日期：20XX年5月25日摘要螺旋滚筒式采煤机是迄今为止综采面最重要的工作机器,滚筒作为滚筒式采煤机的关键机构和工作设备,其工作性能和生产效率决定采煤机功能。因此，建立了螺旋滚筒模型和刀齿​​模型，而且对螺旋滚筒载荷的分析，还有对螺旋滚筒参数优化设计具有十分重要的意义。本论文采用理论分析、研究的方法，对滚筒式采煤机截割性能和截割动、力学性质进行了分析研究。本论文以采煤机截煤理论为依据，建立煤岩特性数学模型、螺旋滚筒模型、镐型截齿模型以及截割载荷模型，研究了煤的性质、镐型截齿参数、螺旋滚筒结构参数和运动参数对螺旋滚筒扭矩、比能耗、块煤率的影响，进一步得到了相关参数间的表达式和规律；以理论数据为依据，以MATLAB为工具，对截割载荷进行了分析，得到了截齿载荷变化的波形和随煤岩性质不同的变化趋势；同时，描述了切割破碎煤负载变化滚筒的过程中，破碎煤模型和动态力学模型滚筒建立切割煤岩的基础上得到采煤机的约束。本论文对单齿载荷模型和单齿破煤负荷分布的分析，在此基础上的理论，采用随机理论，建立了单齿随机载荷的典范。在直角坐标系下,对滚筒采煤机滚筒受力进行理论分析,进而建立了随机三向力系和随机三向力矩系的模型,以MATLAB软件做为研究平台,编写了每个随机载荷的理论模拟程序。在螺旋滚筒基本尺寸给定和特定煤层形式情况下,以滚筒的截齿和螺旋叶片布置形式为设计变量,以降低载的荷波动为目的,并利用MATLAB进行优化计算。关键词：滚筒式采煤机；截割理论；采煤机滚筒；滚筒截割性能；载荷;AbstractAtpresent,sheareristheuppermostworkequipmentinfully-mechanizedcoalworkingface,thescrewdrumisshearer`spivotalpartandworkingframework,Itscapabilitystandorfalldecideshearer`sworkperformanceandproductionefficiency.soitissignificanttoestablishpickscrewdrum`sloadmodel,simulatescrewdrum`sload,andoptimizedesignforparametersofthescrewdrum.Withregardtothis,thetheoreticalanalysis,simulationandexperimentarecombinedtoinvestigatethecuttingperformanceshearerdrumanddynamiccharacteristicofthecuttingsysteminthisthsis.Accordingtotheshearercuttingtheory,MathematicalModelforthecoalcharacteristic,thedrum,thepickandthecuttingloadarebuilt.Theinfluenceofthecoalcharacteristic,pickstructureparametersanddrumstructureparametersonthedrumcuttingtorque,cuttingspecificconsumptionandlumpcoalpercentageareinvestigated,andtherelationshipexpressionandvariationlawsareacquired.Accordingtotheexperimentdateandtalkingthewavelettheoryasguidance.RegardMATLABsoftwareastheplatform,thedetailwaveoftheloadchangeandthechangetrendofloadalongwiththecoalcharacteristicchangeareobtained.Andtheinfluencelawsofthecoal-rockinterfaceformonthecuttingsystemfrequencyareacquired,too.theloadvariationisdescribed.Basedonthebuiltconstitutivemodelofcatastropheanddynamicmodel,thecuspcatastrophicmodelofthedrumcuttingcoalisestablished,andtherigidityandenergyconditionsareacquiredfortheshearercuttingavailably.Onthefoundationofthetheorywhichisaboutthesinglepick`saverageload,analyzedloads`sprobabilitydistributionandrelevancewhenasinglepickcutsvariouscoalrock,onthisbasis,utilizingthestochasticprocesstheory,setupthemathematicalmodelaboutthesinglepick`sstochasticloads.UnderthecoordinateofDescartes,analyzedtheloadsofcontinuousmine`scuttingdrum,andsetupthemathematicalmodelaboutdrum`sstochasticstrengthandmomentwhichincludethreedirection.RegardMATLABsoftwareastheplatform,writeeachstochasticloads`ssimulationprogramme.Analyzedthespectrumofsimulatedloadinfrequencyfield,timefieldandamplitudefield,studiedload`sdesityofprobabilitydistribution,since(ormutual)relevance,since(ormutual)desityofthepowerspectrum.Andanalyzedeachparameter`sinfluencetobasewavefrequencyandothermainfrequencyofloads.Setupthefuzzyoptimizemodelswhichregardreducingtheloadsfluctuationasthegoalfunction,andregardassignedformofpickandblade,rotationalspeedofcuttingdrum,swingspeedofrockerarmasdesignedvariable,andoptimizedtheparametersusingcorrespondingoptimizefunctioninMTALBA`soptimizationtoolbox.Keywords:shearer;cuttingtheory;shearerdrum;drumcuttingperformance目录1绪论 11.1滚筒式采煤机概述 11.2国内外采煤机研究现状 21.3本课题的研究目的和意义 31.4本课题的研究内容和方法 42滚筒式采煤机截煤理论 52.1煤的特性 52.1.1煤的结构特性 52.1.2煤的物理机械性质 62.2截齿破煤理论分析 102.2.1截齿破煤过程 102.2.2截齿截煤截割力模型的建立 112.3滚筒截煤理论分析 132.3.1滚筒受力分析 142.3.2滚筒运动学分析 163采煤机螺旋滚筒结构设计与参数分析 183.1采煤机螺旋滚筒参数的计算 183.2截齿结构设计及参数确定 233.2.1齿尖夹角及其对螺旋滚筒截割性能的影响 243.2.2齿身锥角及其对螺旋滚筒截割性能的影响 253.3螺旋滚筒结构设计及参数确定 263.3.1截深的选定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 273.3.2截齿排列的设计及其对螺旋滚筒截割性能的影响 273.3.3截线距的确定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 293.3.4螺旋升角的确定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 313.4端盘结构设计及其参数确定 313.5螺旋滚筒运动参数确定 323.5.1运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的理论分析 333.5.2运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的结论 344MATLAB优化方法和优化程序设计 354.1MATLAB中的M文件 364.1.1M文件的组成 364.1.2M文件编辑器 364.1.3M文件的编写 374.2优化程序设计 39参考文献 41致谢 42山西大同大学煤炭工程学院2014届本科生毕业设计PAGE511绪论1.1滚筒式采煤机概述机械化采矿工程年中的重要设备是螺旋滚筒式采煤机，螺旋滚筒式采煤机是典型的机电和液压系统，直接决定着采煤的效率，有大质量(20~200T)、大功率(300~2400kW)和高产量(100~1000万吨/年)等的特点，在机械化采矿设备中，使用量占到90%以上。螺旋滚筒式采煤机划分为单滚筒和双滚筒采煤机，单滚筒采煤机只适用在薄煤层中，且现在使用量稀少，因此本论文所要讲述的滚筒采煤机指的是双滚筒采煤机。双滚筒螺旋采煤机能免开缺口、适应复杂的顶条件和底板条件，适用于各种性质煤矿，能割硬质煤；采高大，调高较为方便，在斜煤层中其采高为0.65~6.0m，采用无链牵引时能在35°~54°的条件下工作。可根据煤层厚度来选择螺旋滚筒的规格尺寸，极薄煤层0.3~0.5m不可采，薄煤层0.5～1.3m采用滚筒直径为600~1000的滚筒，中厚煤层1.3～3.5m采用直径为1000~3000的滚筒，厚煤层3.5～8.0m，特厚煤层大于8.0，采用直径为3000~3500的滚筒。采煤机选用具有上述好处，滚筒式采煤机很快得到了普及和推广，并在性能和结构方面继续改进和日趋完善。螺旋滚筒式采煤机的结构如图1-1所示，包含四大部分：中间箱、牵引机构、行走机构、截割机构。中间箱为采煤机的动力部分与控制部分。牵引机构是行走机构的动力源与传动部分，牵引方式的不同导致动力源的不同，主要是电牵引和液压牵引两种方式，依靠固定箱下边滑靴与布置在工作面上的输送机轨道相接触，并被支撑起来。行走机构利用牵引电动机或者液压马达输出的动力经过减速后，传到中间箱2-牵引部3-行走部4-截割部图1-1采煤机结构图行走箱行走轮，和输送机上销轨啮合，使滚筒式采煤机行走，可实现无极变速，在破煤过程中随着截割煤层的性质不同进一步调节牵引速度。截割机构包括摇臂与滚筒，摇臂起传动、减速、调节采高的作用，螺旋滚筒转动直接作用在煤壁上，依靠安装其上的镐型截齿破煤，利用叶片将截割下来的煤送到和采煤机配合的输送机上。在以上采煤机的四大机构中，截割机构的螺旋滚筒是滚筒采煤机的工作机构，因而直接作用于煤层，工作条件很恶劣，因此，截割性能的优劣直接影响螺旋滚筒采煤机的使用寿命与截割性能，并对煤矿企业的效益产生直接影响。采煤机螺旋滚筒包括端盘、螺旋叶片、截齿、齿靴、齿座、筒毂和喷嘴七个部分，如图1-2所示。图1-2采煤机螺旋滚筒1.2国内外采煤机研究现状20世纪中后期,英国和前苏联前后对滚筒采煤机的螺旋滚筒作了技术改造,一是螺旋滚筒能在使用过程中调高,解决对煤层存方式的适应性;二是把圆形筒体改成螺旋叶片截割滚筒,大大地提高了装煤的效率。这次改造就给螺旋滚筒采煤机奠定了现代化采煤机械的基础。90当前国内外使用的采煤机主要是能调高的双滚筒式采煤机,经过改造的滚筒采煤机,可追溯到长壁采煤法中的采煤机,前期用于煤底部掏煤槽的采煤机。最早的螺旋滚筒式采煤机是在采煤机的基础之上,将减速箱部分改装成安一根水平轴与截割滚筒而演化形成的。这种螺旋滚筒式采煤机与刮板输送机配套,奠定了矿山开采机械进步的基础。早期的螺旋滚筒采煤机有两方面坏处,第一：采煤滚筒安装高度不能在使用中调节(固定滚筒),对煤层厚度适应性较差;第二：破煤滚筒的装煤效果不佳(圆形滚筒),限制了采煤机生产效率。第三：我国滚筒的尺寸系列难以达到要求。前苏联、德国等是世界的采矿大国,所以对采煤机螺旋式滚筒和载荷都进行了研究,而且研究的较早。特别是在20世纪中叶成绩比较突出。中叶前苏联就开始了对煤层的机械特性和抗切削强度理论研究,对截齿破煤载荷理论计算进行了探讨。中期前苏联采用计算机模拟对采煤机螺旋滚筒截煤时的负荷进行了理论研究。英国对破煤做了理论研究和大量的实验,提出了新的破煤理论。70年代后期,前苏联、英国利用数字计算机，做了滚筒及镐型截齿的负荷模拟实验研究。我国采煤机械从是20世纪中后期主要靠进口采煤机满足我国的生产需求,对采煤机的理论研究处于萌芽时期，大部分是引进、再到仿制阶段。近些年来,有关于滚筒采煤机的文献和试验研究越来越多,有较多以采煤机机械实验系统的模型为基础,从力学、运动学、煤层力学的角度,对采煤机性能进行了研究和探讨,例如,适应半煤岩采煤机的研制和开发;增大块煤率的螺旋滚筒无级调速理论研究;电牵引采煤机的水介质调高和高压喷雾灭尘系统理论研究,利用工作面乳化液作为传动介质的调高系统理论研究;特殊环境下采煤机的理论研究,如螺旋钻采煤机开发;工况的监测、故障的诊断、显示和自动的控制也自动调高系统开发等。1.3本课题的研究目的和意义采煤机螺旋滚筒工作在煤岩分布不均、特性多变且具有很大的随机性的工作面上,其载荷成分复杂,容易引起机器的振动,进而影响滚筒采煤机的使用寿命和工作时的可靠性,因此,很有必要对螺旋滚筒载荷进行研究。研究的内容：第一：改进滚筒的材料强度。机械化采矿的核心机器是采煤机,螺旋滚筒又是采煤机的重要工作机构,起截煤与装煤任务。世界各国都对滚筒采煤机进行研究和设计,除了分析和计算外,还要对其的材料进行实验研究。第二：该井摇臂和滚筒的连接部。在物理模型上进行仿正。因为经济性、安全性和可行性方面考虑,在实际的采煤机上进行不宜做到。然而采煤机滚筒工作比较复杂,影响因素比较多,很难用理想的物理模型进行研究。只对单一参数的模型进行分析研究，加强连接的强度。第三：我国滚筒的尺寸系列难以达到要求。因此,用先进计算机模拟技术对采煤机滚筒的载荷进行仿正研究。对大直径惊醒强度模拟，设计大直径高强度滚筒。对螺旋滚筒进行优化设计研究,对煤炭生产向着高效和高产方向发展有一定实际意义与经济价值。1.4本课题的研究内容和方法本文基于基础知识通过计算的方法对滚筒载荷进行研究主要包括以下二部分：第一部分：以截齿的破煤理论为依据,研究左、右滚筒上单齿截割煤岩时的截割阻力、牵引阻力的值的变化情况,在此基础上,结合前苏联学者对齿载荷的统计方法和成果,利用计算机的MATLBA平台进一步分析研究单齿截割煤岩时载荷的分布。第二部分：以单齿的载荷理论、载荷的分布为基础,建立单齿的载荷的力学模型,通过分析滚筒所承受的三向力和三向力矩,并考虑煤岩夹层对载荷影响,建立滚筒三向力和三向力矩的数学力学模型。根据所建立的数学力学模型,在MATLAB中编写相应的载荷模拟程序,对载荷进行力学模拟分析。2滚筒式采煤机截煤理论煤岩是滚筒采煤机滚筒的截割对象，对采煤机的螺旋滚筒的受力、比能耗、块煤率和生产效率、机器的寿命、功率等均有直接的影响。因此，要了解煤岩的结构性质、物理性质用以提高采煤机效率。与此同时，为研究采煤机的截割的机理，探索采煤机螺旋滚筒破煤过程的合理的运动参数、结构参数，以提高螺旋滚筒式采煤机的稳定性和可靠性，使它更有效的生产和工作，需对镐型截齿的破煤理论、螺旋滚筒的力学性质和运动性质进行分析研究计算。2.1煤的特性煤岩是采煤机的破碎对象，煤的结构特性及其物理机械特性对采煤机螺旋滚筒的载荷、截割比能耗、块煤率、效率、可靠性、运行平稳性和使用寿命均有直接影响，且对采煤机的选型和使用约束条件也有影响。因此，对螺旋滚筒式采煤机破煤理论的研究，须了解煤岩的结构特性以及煤的物理和机械性质。2.1.1煤的结构特性煤岩是远古时期的沉积物，在高温、与空气隔离和高压环境下，经力漫长碳化过程而形成的。原始的沉积物不同，碳化变质程度的不同，使煤的物理机械特性和煤的结构特点在不同地域有很大不同。煤岩层在沉积过程中形成的分层面称为层理，地压使煤破碎而形成的裂面称为节理，使煤处处的性质不尽同，即煤是一种各向异性非均质性的脆性的产品。煤的结构特性主要有以下两个方面：(1)原生性构造特点原生性的构造特点是由煤生成时的地质条件导致，像生成煤岩材料、当时的自然的环境等。人们用一下几个概念描写原生性构造特点，节理、层理和非均质性等。原生性的构造特点属于潜伏性的特点有层理和节理，指在煤岩层中固有的结构中，是一种不连续性的弱结合面。肉眼是不易观察到它们的，只能在煤层遭到破碎过程中表现出来，这时我们能注意到的是光滑的离层面。(2)次生性构造特点次生性构造是由于动力形成的煤的性质，一般运用裂隙和断裂这两概念来描述。断裂指在煤岩层内很是较明显的分离面；裂隙是指煤层内崩开着很明显的大裂纹。煤岩层中存在着的弱结合面，使煤层的强度大大降低。在煤岩的开采中，为降低能耗和延长采煤机的寿命，采煤机采煤中应利用弱结合面的煤层的强度低的这一特点。煤层的裂纹主要有以下几种形态性质：多缝性：几条参差不齐的裂缝同时存在；不规则性：裂缝走向呈现不规则的折线状；易窜性：普遍情况下，煤层厚度小，裂纹不可能一直在煤岩层中延伸，易窜至顶板和底板甚至更远；复杂性：垂直纹、水平纹、斜交纹同时存在的可能性很大。煤岩的结构很复杂，有时在煤岩的小分层中有整层的其它矿物杂质成分，比煤岩强度高，称之为夹矸。岩石夹矸有泥板、粉沙，少有石灰岩或沙岩。矿物成分包括硫化物类、碳酸盐类和硅化物矿。为了评价采煤面的煤岩中含有岩石的夹层夹矸的含量及特性，需要测量出其煤层厚和夹矸层的厚，以确定夹矸的岩石学类别和抗切削的强度。2.1.2煤的物理机械特性煤的物理机械特性对采煤机的螺旋滚筒、镐型截齿种类的选择和截割载荷的大小均有很大的影响，所以必须知道与采煤机破破煤过程相关的煤岩的物理机械特性。煤岩的物理性质由其形成过程的环境、成分和构造因素等决定的，包含湿度、容重、导电性、空隙度和传热性等，与煤岩开采相关的有湿度和容重。煤的机械特性是煤岩体受到所施加的外力时表现出来的抵抗外力的能力特性，如接触强度、摩擦与磨蚀性、强度、弹性、截割阻抗与坚硬度等。在破煤时可利用煤岩的机械特性选择镐型截齿对煤岩体作用力的形式和镐型截齿的种类和形状等。所以知道煤岩的机械特性很重要。对采煤机镐型截齿的破煤过程、截齿选型、螺旋滚筒设计有重大影响的煤的物理机械特性有如下几点：(1)煤的容重煤的容重又称煤的体重或假比重，它是包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。根据煤岩种类不同，容重在1300~1500kg/m范围内。多数情况下，煤的容重小，所处煤岩层的层理、节理也就发达，强度也小，采煤也容易。对容重小煤岩层，可提增大煤机牵引速度从而提高效率。(2)煤的湿度煤的湿度是单位的体积煤的含水量，指煤缝隙中存在的水与煤固体的重量比。含水量较高的煤体，其结构特性被弱化，强度明显低。开采湿度大的煤岩时，功率消耗低，产尘小，可使采煤机的牵引速度设定值比开采常规煤层时的牵引速度的大，提高效率。煤的强度煤是非均匀各向异性物质，单轴抗压强度：5~49MPa，抗拉强度：2.0~16MPa，抗剪强度：1~4.9MPa。所以在选择采煤的采煤方式和设计螺旋滚筒或者布置截齿，要充分用煤岩的强度不同的特点，利用剪切与拉伸破截割岩，降低截齿载荷和采煤机能量消耗。与此同时，因为煤岩的各向异性，不仅不同的地域、不同煤层的煤岩强度不同，即使相同煤岩体不同方向强度是不同的。如，对煤岩的单一轴的抗压强度，前苏联学者通过试验证明，对于垂直于层理受力与平行于层理方向受力比较，前者的所受抗压强度比后者大30～50%，可以能大到2倍。(4)煤的截割阻抗设计采煤机螺旋滚筒时，首先要确定镐型截齿受力状况，再计算截割部所需的功率。从实践中我证明：对于一种煤岩，用同一种结构参数的截齿进行破煤时，截割深度的阻抗大致为定值；对不同地区以致到不同煤岩层的工作面，用同一种截齿进行破煤时，测量单位深度的阻力是不相同的。所以，前苏联学者制作了一种专业截齿，标准截齿(截割宽度为20mm，截角为40°，后角为10°)，对煤体进行破落试验，测得的单位截割厚度煤作用在镐型截齿上的阻力值，定义该这个阻力值作为截割阻抗Z，如式(2-1)所示。Z=F/h(N/mm)(2-1)式中F—截齿所受截割阻力，N；h—切削厚度，mm。煤截割阻抗，能用于计算采煤机滚筒受力与采煤机械选型，能全面体现矿井环境下的影响，是体现煤岩的性能的一个重要指标，与此同时也是对镐型截齿和滚筒进行分析、优化的基础。煤的截割阻抗大部分在30~420N/mm，从采煤机的角度分，能将煤岩层依据截割阻抗，分为一下三大类：Z=30~180N/mm，称为软质煤，设计采煤机螺旋滚筒时，可选择较小的功率，且截线距可较大些。Z=180~240N/mm，称为中硬质煤层，根据煤层韧性煤或者脆性煤，来计算进一步合理设计采煤机螺旋滚筒与截齿布置方式，选择合理功率；Z=240~420N/mm，称为硬质煤，截割这种煤层时，必须要用较大功率的采煤机，并且截线距要适当的减小，进而提螺旋高滚筒破煤力。(5)煤的坚固性系数煤坚固性系数f，又叫煤坚硬度，是前苏联学者普罗托季雅柯诺夫20世纪初提出，所以又叫作普氏系数，主要作为衡量煤被破碎的难易程度的重要指标。其综合反映了煤强度、硬度、塑性因素。我国通常依据其坚固性系数来分采煤机的适用范围，并根据这个系数对煤层分类，规定：f<1.5的煤为软质煤，f=1.5~3的煤为中硬质煤，f=3~4的煤为硬质煤。根据理论，抗压强度、截割阻抗和坚固性系数是不能换算的，但是由大量实际应用应用表明，可用坚固性系数来确定煤层单向抗压强度σy与截割阻抗Z，其近似关系为：σy=10f(MPa)，Z≈120f(N/mm)(2-2)(6)煤的破碎特性指数螺旋滚筒采煤机所破煤的块度，与采煤机结构类型与结构参数有关系，也取决于被破煤岩的破碎性质。前苏联的学者实验表明，在破碎煤岩总量中块度服从的规律表达式如(2-3)所示。W=1-exp⁡（式中W—透过筛孔d(mm)的碎小煤量在截落煤岩总量中的比重，%；λ—由所采取截割方法和参数决定的破碎程度参数，值越小，破碎越严重；m—破碎性指数，对于煤层为常数，一般为0.4~1.3，与截割工况无关，值越大，煤破碎越严重，块度越小。破碎特性指数m的公式对式(2-3)两边取对数得到：(2-4)破碎特性指数是确定煤岩脆性程度指数基本参数，同样是煤岩煤尘生成能力划分的基础，根据煤岩脆性程度指数来预测开采块煤率。因此，设计采煤机螺旋滚筒时，可通过优化螺旋滚筒截齿排列方式或者采煤机运动参数来避免煤尘，并提高块煤率和效益。(7)煤的脆性程度指数脆性对煤岩截割过程影响很大，前苏联的学者通过实验确定脆性程度指数B和崩裂角与切削厚度h之间的数学关系：QUOTEtanφ=Bh-0.5tan=Bh(2-5)因此，截齿截割时的截槽横断面面S=h(b+htanφ)=h(b+B式中S—截槽的横断面面积，mm2；b—截齿的计算宽度，mm。根据截割比能耗:HwHw=KAb式中Hw截割比能耗kW.mK综合考虑煤情况、截齿参数、截割条件、脆塑性、截齿布置等参数的系数条件。在参数b、h、A一定条件下，截割比能耗受到煤的脆性程度指数的影响，脆性程度指数越大煤质越脆，截割比能耗就越小。所以在一定程度上，脆性程度指数能描述煤炭截割比能耗。依据前苏联的学者研究，以脆性程度指数B与煤的破碎性能指数m的关系为基础，得到确定煤岩脆性程度指数的表达式：B=exp⁡一般的情况下，煤的脆性程度指数B在1.3~8之间，2.1<B：韧性煤；B=2.1~3.5：脆性煤；B>3.5：极脆性煤。2.2截齿破煤理论分析镐型截齿，采掘机械当中常用的截割和破煤设备，直接截割煤岩时,工作条件很恶劣,是易损零件，且采掘机的绝大部分功率消耗在截齿破煤上。截齿的性能好坏，直接影响采煤机破煤机构的质量，是降低成本、降低比能耗、增加使用寿命、提高截割效率、提高可靠性与效益的最佳途径。因此对螺旋滚筒采煤机破煤理论的研究，要对截齿截割机理进行研究分析。采煤机用的截齿有楔型截齿与镐型截齿，两种破煤机理相类似，但是因为楔型截齿破硬煤能力比较弱，逐渐淘汰，为此，本论文研究的截齿类型是镐型截齿。2.2.1截齿破煤过程截齿破煤经过是进行破煤理论分析和建立截齿力学模型的基础，因此，要对截齿进行破没理论分析，破煤的过程如图2-1所示。以截割速度v截煤岩时，在接触面上产生较高的压力，并且集中在很小的区域内。因为煤是脆性物质，当接触力达到极限应力值时，煤岩开始局部被压裂，形成较细粉末状，形成煤粉状密实核结构。在截齿割入的过程中，煤粉状密实核部将会以很高的速度沿截齿齿身面射出，进而压碎区域逐渐扩大，密实核随着不断扩大，核内煤粉受挤压积聚能量，并向密实核周围的煤岩体施加压力，截齿截割阻力同时随着逐渐扩大。当密实核扩大到煤和截齿前刀面接触点D时，该处煤会发生小块脱离，密实核区域Ⅱ的煤粉受到强烈压缩进而高速射出，积聚的能量突然放出，截割阻力同样骤然减小。煤粉高速喷图2-1截齿破煤过程出的时候，与截齿齿身面发生强烈摩擦，使在齿尖部形成聚集物区域Ⅰ，它粘在齿尖上并且与截齿一起运动，也对煤体产生的楔入作用。截齿接着前进，密实核的体积再次扩大，截割阻力也再次扩大，一直到再次发生小块媒体剥离及煤粉喷出时，截割阻力又一次下降。而后截齿到了B点时，密实核内部产生相当大挤压力，使煤岩体内部产生剪切裂，此裂随截者齿破煤的进行而扩散到煤体的上表面，这时的截割阻力到达最大值。从而煤块BCD沿者裂BC剥离，密实核消失不见，截割阻力随之降到最小。由此可见，截齿截煤过程是截入、密实核形成、跃进破碎的过程。2.2.2截齿截煤截割力模型的建立对截齿截割力的分析研究，国内外学者从最大剪力、最大拉力、断裂力角度对镐型截齿进行了分析研究，并作为计算和设计采煤机截齿和滚筒的理论基础。但由于这部分公式是在用切割理论下得出来的，作为采煤机的镐型截齿的截割的力的计算公式可用，用到采煤机螺旋式滚筒截齿受力公式需要进行转化。后面论文中给出了采煤机螺旋式滚筒任意位置的截齿的三向力的计算的规律，对计算采煤机螺旋式滚筒叶片截齿截割力提供了理论研究基础，但是对采煤机螺旋滚筒的端盘镐型截齿的截割力计算有一定的误差，没考虑端盘的截齿的倾斜角对截割力的影响；同时，采煤机螺旋滚筒在运转时，端盘上的截齿比叶片上的截齿受力状况更复杂，端盘上的截齿受力分析的准确性对设计采煤机螺旋滚筒有相当大影响。采煤机螺旋滚筒上的截齿的安装角分为：倾斜角、冲击角、歪斜角。冲击角在螺旋滚筒的横截面内，是截齿轴线和螺旋滚筒的径向线夹角，如图2-2所示，螺旋滚筒横截面指过齿尖且垂直于螺旋滚筒轴线的平面，滚筒的径向线指齿尖所在的螺旋滚筒的横截面内，齿尖和中心点之间的连线；倾斜角为截齿的轴线面以图2-3中齿尖处的滚筒的切线做为旋转轴，旋转一定角度以后与螺旋滚筒的横截面形成的二面角，其中截齿的轴线面指通过截齿的轴线和齿座的底面中心线的平面，如图2-3中所示；歪斜角为截齿的轴线面以图2-2中齿尖处螺旋滚筒的径向线做为旋转轴，旋转一定角度后和螺旋滚筒的横截面形成的二面角，它是截齿的轴线面绕螺旋滚筒的横截面中过截齿的齿尖的径向线旋转而得到的。在螺旋滚筒的制造过程中，截齿定位是以齿尖做为基准。螺旋叶片上截齿有3个安装角，冲击角非零，其它两个角都为零，且此时截齿的轴线面和螺旋滚筒的径向面重合。而端盘上的截齿的3个安装角度是随截齿在端盘上周向位置的不同而变化。但是，滚筒上所有的截齿的冲击角都是相等。并且，端盘截齿的总数占滚筒截的齿总数的一半左右，由此可见，分析螺旋滚筒的受力，不能忽略端盘截齿倾斜角和歪斜。图2-2截齿安装图图2-3截齿组装图螺旋滚筒的截齿以转速n绕螺旋滚筒轴线转动，以牵引速度v截割煤体。在螺旋滚筒旋转一周的过程中，每个截齿有一半的时间部在截割煤岩。随着螺旋滚筒的运行，截齿破煤切削厚度从零一直到最大值，在从从最大值到零，过程如图2-4所示，图中的黑色区域是单个截齿旋转一周的切割煤岩体，成月牙形；H是螺旋滚筒旋转一周后的进给量，值为H=1000vn,和截齿切削厚度的最大值与h之间的关系为：hmax=H根据以上的分析可知，随着截齿的安装角的增大，截齿截割阻力将会以指数形式不断增大，随着截齿的冲击角的增大，反而截齿的截割阻力会以指数形式不断减小；并且随着截齿倾斜角和歪斜角的增大，截齿安装角也在增大，将会导致截齿的截割阻力和进给阻抗与侧向力以指数的形式不断的增大。分析可得到，截齿安装角度数的不同，造成截齿的三向力也不同；并且截齿的倾斜角和歪斜角越大将会对截齿的受力也越不利，磨损也将更加剧。图2-4单齿切割过程2.3滚筒截煤理论分析图2-5采煤机滚筒截煤过程滚筒采煤机，以牵引速度Vq顺着工作面运行，螺旋滚筒以转速n破煤，其破煤过程如图2-5所示。在滚筒采煤机破煤中，螺旋滚筒消耗的功率占采煤机功率的80~90%以上，主要用于截齿破煤与滚筒叶片输煤。采煤机螺旋滚筒受力状况和运动参数间的匹配关系优劣将会对采煤机的性能和寿命均有直接的影响，为此，对采煤机螺旋滚筒截割煤的过程研究要对其受力与运动进行分析研究是必要的滚筒受力分析图2-6滚筒上的作用力分布螺旋滚筒截割的过程受的载荷是所有参与截齿负荷综合作用结果，它包括螺旋滚筒所受三向力与力矩。由图2-4和图2-5所示，当螺旋滚筒截入煤岩体时，随着螺旋滚筒转过不同的角度，同一截齿所处在的位置也不同，参与破煤的截齿总数量也在变化。螺旋滚筒截割过程中所受三向力如式(2-9)所示Fx=式中NjgFxFyFz—滚筒X、Y、Z轴上的合力，Fy中的负号表明受力的方向与本文规定牵引的方向不同，计算结果取绝对值。为得到螺旋滚筒的力矩，将坐标系从螺旋滚筒的端面移到螺旋滚筒的中心，如图2-12所示。Mx=式中Mx—滚筒受x轴向的力矩，N••My—滚筒受y轴向的力矩，N•MZ—滚筒受z轴向的力矩，N•Lxy达式分别为：L式中—螺旋滚筒上第i个截齿到图2-6中yz面的距离，mm；D—滚筒直径，mm。根据式(2-10)与式(2-11)可得螺旋滚筒扭矩与截齿力之间的关系，如式(2-13)所示。Mx(2-13)由式(2-13)可以得出，参与截割的截齿数量与位置，将影响采煤机螺旋滚筒扭矩每个分量的大小与性质。即使作用在每个截齿上的截割力是稳定不变的，随着螺旋滚筒转动参与截割的截齿的数量和位置都在改变，各负荷分量也在随之变化。与此同时，可分析采煤机螺旋滚筒的运动参数、结构参数、截齿参数与所截割煤岩体强度性质对扭矩每个分量的影响。2.3.2滚筒运动学分析螺旋滚筒运动学的参数影响者采煤机的载荷大小、截割性能与装煤性能好坏、采煤机运转的稳定性和采煤机的可靠性性能指标，但是对镐型截齿的运动状态影响最为突出，截齿直接破煤，运动状态的好坏直接影响截割比能耗与性能参数，为此，要运动参数对截齿运动状态的影响进行分析研究。为了使煤岩从煤壁上不断脱离，固定在螺旋滚筒上的镐型截齿随螺旋滚筒旋转，随滚筒采煤机沿工作面作直线运动。为了达到调节采高的目的，还要随者摇臂作旋转运动，但是此运动相对绕者螺旋滚筒轴线旋转与沿工作面做直线运动的速度小很多，并且调高次数也少。截齿的齿尖的运动如图2-7所示，图中M点表示第i个截齿的齿尖的初始位置，M1为螺旋滚筒运动时间t后第i个截齿的齿尖的位置，并且此时螺旋滚筒中心的坐标xoy也变成了。图2-7截齿齿尖运动图根据图2-7中的参数间关系能得截齿的运动方程，如式(2-14)所示。(2-14)式中R—滚筒半径，mm；ϕ—截齿转过的角度，rad；t—运动时间，s。图2-8滚筒瞬心图因为截齿固定在螺旋滚筒叶片与端盘叶片上，可以把螺旋滚筒与截齿做为一个刚体，当截齿随螺旋滚筒转动时，螺旋滚筒的瞬心也是截齿的运动的瞬心。从图2-15可以知，M点的速度方向为牵引速度与切向速度的合成速度方向，沿V的方向。过M点与V的方向垂直直线OM，是M点截齿的运动的法线的方向。在螺旋滚筒上M1点处的截齿的速度的方向为V1，垂线交于y轴，与直线O1M交于O1点，据理论力学知识可知O1点为螺旋滚筒的运动的瞬心。可知，M点的速度V大于M1点的速度V1，因此螺旋滚筒上的截齿速度不是处处相等的。截齿破煤过程中，绕滚筒作转动，还随着采煤机向前运动，设计螺旋滚筒时，采煤机螺旋滚筒的牵引速度、转速和截齿安装角确定后，为了减少截齿的磨损，并改善截齿受力的状况，要根据这个式来设计或者选择截齿的齿尖角度。3采煤机螺旋滚筒结构设计与参数分析对螺旋式滚筒截割性能影响较大的是镐型截齿的排列方式和镐型截齿的安装参数、结构参数、螺旋叶片的相关参数和滚筒的运动参数，这些参数选择的是否合理，直接影响采煤机螺旋式滚筒截割性能。为了找出每个参数与滚筒截割性能的关系，本论文通过改变螺旋式滚筒的截齿和螺旋叶片的相关参数和螺旋式滚筒的运动参数对螺旋式滚筒截割的性能的影响进行了分析讨论与研究。而对一定高度的煤层，所用到滚筒的直径是确定的，为此，本论文讨论不同因素对相同直径的螺旋滚筒截割性能的影响，并且利用螺旋滚筒截割比能耗、截割扭矩、截割块煤率和截割过程中负荷的波动性作为衡量螺旋滚筒截割性能好坏的指标。同时，这一章重点是研究螺旋滚筒参数的设计对截割性能的影响。3.1采煤机螺旋滚筒参数的计算本论文以采煤机滚筒直径mm进行研究。根据中华人民共和国煤炭行业标准MT/T321-2004、MT/T246-2006和MT/T247-2006表3-1滚筒头数的选取序号滚筒直径(mm)滚筒截深(mm)叶片头数(头)每只滚筒重量(kg)118006303260021800800327003200063043500420008004420052000100044300根据《破煤理论》截齿的径向和构造出刀量表3-2截齿的径向和构造出刀量（cm）工作机构切削的最大厚度(mm)径向出刀量(mm)径向构造出刀量(mm)切向构造出刀量(mm)螺旋式钻销式链式钻头和圆盘式4~4.55~5.57~7.53.01.83.06.06.58.06.59.06.58.06.59.010.012.516.0————————mm对应最大切削厚度是70~75，径向出刀量为105，（3-1）式中—叶片直径；—径向出刀向；由（3-1）可得根据《采掘机械》中（3-2）式中—筒毂直径；得895，为了提高块煤率，取880.（1）根据滚筒截割扭矩均值与螺旋外升角的关系表达式：（3-3）式中—螺旋外升角—滚筒截割扭矩滚筒的截割扭矩均值与螺旋升角成抛物线形式变化。为得到最大截割扭矩对应的螺旋升角，对式(3-3)求导整理可得：（3-4）由式（3-4）可得滚筒最大截割扭矩所对应的螺旋升角为20.79°。（2）截割比能耗与螺旋升角的关系表达式：（3-5）截割比能耗与螺旋升角成抛物线形式变化。为求得最大比能耗所对应的螺旋升角，对式(3-5)求导整理得：(3-6)由式(3-6)可得最大截割比能耗所对应的螺旋升角为20.8°。（3）装煤量与螺旋升角的关系表达式：（3-7）式中—装煤量。滚筒装煤量与螺旋升角成抛物线形式变化。为得到最大装煤量对应的螺旋升角，对式(3-7)求导整理得：(3-8)由式(3-8)可得滚筒装煤量对应的螺旋升角α为19.0357°。综上（1）、（2）、（3）所述，本论文选取整数α为20°。根据(3-9)式中m—头数；s—叶片螺距；带输入数据得s=1006根据L=ms（3-10）式中L—叶片导程；带输入数据得L=4024根据(3-11)得本论文取把α=20°带入（3-5）得截割比能耗与线截距的关系：（3-12）式中t—线截距；得t根据(3-13)式中N—总截线数得N=30根据（3-14）式中z—每个截线上的截齿数；得z=2根据(3-15)得z=60根据(3-16)式中—内螺旋升角；得根据（2-2），可知A，根据（3-17）式中P截割阻力；A截割阻抗；H截割厚度；根据（3-18）式中S—切削图面积；其中（3-19）式中b—截齿计算宽度国家标准为20；其中（3-20）式中B—煤的脆性程度；联立（3-17）、（3-18）、（3-19）、（3-20）带入H=0.682，给定地址条件f和B，求出h。h带入(3-21)验证h的合理性。可以得出h和对应的S。根据（3-22）式中可求出根据（3-23）式中n—滚筒转速；可求出n；综上所述，参数计算结果如下表3-3表3-3参数一览表参数滚筒直径(mm)截深(mm)叶片直径(mm)筒毂直径(mm)头数(头)外升角(度)内升角(度)计算结果20001000179088042035.58参数叶片导程(mm)叶片螺距(mm)包角(度)每线齿数(个)端盘齿数(个)截线数(条)总齿数(个)计算结果4024100689.462213081参数截齿计算宽度(mm)截齿锥度齿柄直径(mm)齿柄长度(mm)叶片厚度(mm)端盘厚度(mm)叶片高度(mm)计算结果201:5359370100903.2截齿结构设计及其参数确定镐型截齿是常用的破煤工况机械设备，破煤时直接要与煤岩体接触,工作条件极为恶劣,是易损件，并且采煤机的大部分功率消耗在镐型截齿的截割煤岩体上。镐型截齿的结构参数的好坏，直接或间接的影响着滚筒采煤机的螺旋滚筒运行质量，优化镐型截齿的结构参数来提高螺旋滚筒的截割性能就是降低生产的成本、提高截割效率、降低比能耗、提高安全可靠性、增加使用年限和经济效益的根本方法。为此，对滚筒采煤机螺的旋滚筒的截割性能的研究要对镐型截齿结构参数进行分析与研究，分析镐型截齿的不同结构的参数对螺旋滚筒性能的影响，为采煤机螺旋滚筒设计中的镐型截齿的设计提供理论性基础。滚筒采煤机上使用的截齿有楔型截齿与镐型截齿，两者的破煤理论相似，但是楔型截齿的截割硬煤的能力弱，被逐渐淘汰出局，因此本论文中所涉及的截齿指镐型截齿。镐型截齿有两种型式：阶梯型与锥型，结构如图3-1所示，镐型截齿的结构参数主要包含截齿长度L、截齿齿身长度L、截齿齿柄直径D、截齿齿尖夹角α、截齿齿尖合金头直径d和截齿齿身锥角α等参数。本论文采用锥型，材料采用低合金结构钢35CrMnStA,齿身锥度为1:5，结构如图3-2，由于改变截齿长度与齿身长会导致螺旋滚筒直径的变化，而齿柄的直径影响截齿强度，为此，本论文主要研究齿身锥角、齿尖合金头直径和齿尖夹角对采煤机螺旋滚筒截割性能影响，为镐型截齿设计提供理论支持。图3-1截齿结构3.2.1齿尖夹角及其对螺旋滚筒截割性能的影响截齿齿尖夹角的作用是使镐型截齿在截割煤岩时易截入，其大小影响螺旋滚筒破煤过程中粉尘的大小。从实验理论进行分析，如果截齿齿尖的夹角越大，截割阻力也会越大，也使截割效率降低；而且截齿齿尖夹角越大，截齿齿尖处被压实的煤岩体面积也将就会越大，在截割的过程中造成的粉尘也将会越大。因此，镐型截齿的齿尖夹角大小在截割煤岩中起着极其关键作用。螺旋滚筒的扭矩和镐型截齿的齿尖夹角成指数变化的关系，随截齿的齿尖夹角增大而增大；螺旋滚筒的截割扭矩的标准差也将会随截齿齿尖夹角增大而增大，表明，螺旋滚筒在截割过程中的载荷的波动是随截齿齿尖夹角增大而增大；在实际中的牵引速度也随截齿的齿尖夹角增大而减小，表明截齿的齿尖夹角增大将会导致截割阻力的增大。截齿齿尖夹角如越大，截齿齿身与煤岩体干涉的机率也就越大，摩擦阻力也将变大，导致扭矩的增大。螺旋滚筒的截割比能耗随截齿的齿尖夹角的变化对造成螺旋滚筒的影响不怎么大，在本论文中研究的截齿齿尖夹角的变化在范围内两者显现线性增长关系，并随者截齿的齿尖夹角的增大螺旋滚筒截割比能耗也随之增大。采煤机的螺旋滚筒的截割块煤率和截齿的齿尖夹角显现的是指数关系，随截齿的齿尖夹角的增大而减小。虽然截齿齿尖的夹角越大，齿尖处的压实面积也越大，随着截齿的继续破煤应有较大块度的煤岩体脱落，由于牵引速度小，螺旋滚筒转速较高，单割截齿的切削厚度较小，截齿齿尖处的煤体被研磨进而脱离，因此，在研究范围内截齿的齿尖夹角越大将会对于提高煤岩块煤率不一定有利。综合考虑本论文采用锥角锥度为1:1.5的硬质合金齿尖，如图3-2所示。图3-2锥形截齿3.2.2齿身锥角设计与其对螺旋滚筒截割性能的影响截齿的齿身锥角的作用是便于截齿截入煤岩层，起楔入的作用，使煤岩体崩裂，提高破碎的效率。从理论上分析，截齿齿身的锥角越大越不利于截齿的齿身的截入煤岩，使破碎煤岩沿齿身崩离出来，并且在这种情况下，截齿齿身的磨损现象比较严重；若齿身锥角越小，虽然有利于截齿截入煤岩层，但不利煤岩体崩裂落下。不同的截齿齿身锥角截割扭矩的最大值、最小值与齿身锥角都成指数关系，并在试验范围内随着截齿齿身锥角的增大而不断线性增大。截割时载荷的波动性随截齿齿尖夹角增大而增大；并且由不同的截齿截割时的实际的牵引速度也可以得知，随截齿齿身锥角的增大而截割阻力也是增大的。截割比能耗和截齿齿身锥角显现指数关系，随着截齿齿身锥角的增大而增大。截割块煤率和截齿齿身锥角显现指数关系，随着截齿齿身锥角的增大而增大。可以看出，截齿齿身锥角的增大有利于煤岩体的崩落脱离，形成比较大的煤块，对于提高块煤率是有利的。以上所讲述为截齿的结构参数对采煤机螺旋滚筒截割性能影响的分析，可看出截齿齿尖夹角与截齿齿身锥角对螺旋滚筒截割性能影响比较大，在截割过程中截齿和煤岩体直接相接触，因此，在选择镐型截齿时，要综合考虑螺旋滚筒截割性能的每一个指标，使选泽的截齿达到最好的截割效果。为了协调截齿齿尖的锥度与满足滚筒的截割性能需求，因此截齿的齿身锥角锥度为1:5；如图3-2所示。3.3螺旋滚筒结构设计及其参数确定图3-3采煤机滚筒如图3-3，螺旋滚筒参数主要包含滚筒直径(D)、筒毂直径（D)、叶片直径(D)、滚筒截深(B)、截齿布置方式、截线距（S)、螺旋叶片外升角(α)。滚筒直径是截齿的齿尖测量，而对特定煤岩层螺旋滚筒的直径选择要根据单个截齿的平均切削厚度的最大的原则来选择，这是因为在其余条件相同的状况下，切削厚度越大截割比能耗就越小、块煤率越大，有益于提高经济效益。而对双螺旋滚筒采煤机的后螺旋滚筒，其截割高度一般小于滚筒直径。经验公式D0.5H（3-24）式中H—采煤机采高；由式(3-24)可以看出，对于特定的煤岩层采煤机的螺旋滚筒的直径是确定的。而对于滚筒的筒毂直径，值越大，螺旋滚筒的叶片输煤的空间就越小，碎煤岩在螺旋滚筒叶片之间循环、重复的破碎的概率也就会越大，进而粉尘也增大、块煤率降低、截割比能耗增大，对装煤不好。为此，在满足螺旋滚筒和摇臂行星头装配的尺寸的条件下，尽力的减小筒毂的直径，保证叶片的直径和筒毂的直径的合适比例。并且为了平衡截割煤岩层受轴向力在叶片另一侧加设加强板。3.3.1截深的选定与其对螺旋滚筒截割性能的影响螺旋滚筒截深指螺旋叶片的第一条截距线到端盘的最后的一条截距线的轴向间距，它的值小于螺旋滚筒的宽度。螺旋滚筒的截深小，能用煤岩层的压酥效应。煤岩层的压酥效应的形成：由于顶板作用与裂隙带岩层在达到平衡前的下沉，长壁采煤法的工作面的煤壁的前方的煤岩体要承受本身的上岩层重量，还要承受煤层裂隙带岩层上方部分上覆岩层的重量，在煤岩体内形成随工作面的移动而移动的支承应力。此压应力导致靠近采空侧煤壁的压酥效应，使煤壁内部的应力降低，采深和采高越大，压酥效应区也将会越大，可加大螺旋滚筒的截深，但是将会引起螺旋滚筒截割的扭矩减小、截割比能耗的增大。螺旋滚筒的扭矩和截深是显现指数关系，并随截深的增大随之而增大。随截深的增大，同时截割的截齿数也将增多，进而可知随截齿总数的增大截割扭矩并不是是线性增加，这主要是因为螺旋滚筒的机械结构参数导致的。螺旋滚筒截割比能耗和截深是显现指数关系，并随截深的增大而增大。但截割比能耗的增幅变化不怎么大，这是因为虽然截深的增加，截割扭矩的增大，而截割破落的煤岩体的质量也是以指数形式增大导致的。块煤率和截深的关系不是线性关系也不是指数关系，而偏偏是在试验的范围内符合S型函数关系，随截深增大，螺旋滚筒的块煤率是减小的。这是因为截深越大，截割破煤岩在螺旋叶片输送过程中被二次破碎的概率增大，导致块煤率的下降。本论文结合直径系列而给定了截深为1m。3.3.2截齿排列的设计与其对螺旋滚筒截割性能的影响截齿的排列方式是截齿在螺旋滚筒上的排列规律，指的是截齿的齿尖在螺旋滚筒展开图中的相应位置。截齿排列是螺旋滚筒设计的关键环节，截齿排列是否合理，直接影响着采煤机螺旋滚筒的比能耗、载荷特性、块煤率和粉尘等指标。截齿的排列情况可用截齿平面排列图来表示，截齿排列图上能显示所有镐型截齿在螺旋滚筒上的对应位置。螺旋滚筒的截齿排列图是螺旋滚筒上截齿齿尖所在圆柱面上的展开图，图3-4为一个右旋4头叶片的滚筒展开图，By=900mm为叶片截割宽度，Bd=100mm为端盘截割宽度。图中截齿的齿尖所在的水平线称截线，是截齿运动的轨迹；相邻的截线的距离称截线距。螺旋滚筒上的截齿排列包括两部分：端盘的截齿排列和螺旋叶片的截齿排列。图3-4螺旋滚筒展开图端盘截齿的排列采煤机螺旋滚筒在工作时，破煤是由里向外的，端盘紧贴在煤壁上工作，截割出新而又整齐的工作面，为螺旋叶片的截齿提供自由工作面，工作条件极其恶劣，而且受载荷大。因此，端盘的截齿密度较大，越接近煤壁截齿数量也越多、截线距也越小、齿尖直径也越小。端盘上齿尖直径、截距的减小都是靠调节截歪斜角和齿倾斜角来达到的，尽可能的让齿尖落在同一圆弧上，改善端盘上的截齿的工作环境。端盘截线数为3~7条，平均截距为叶片平均截距的一半左右；端盘的每条截线上的截齿数比螺旋叶片每条截线上的截齿数多2~3个，且越靠近煤壁截线，其上的截齿越多，利于减轻截齿的磨损。为了使在截割的时候减小螺旋滚筒的截割扭矩的波动，让螺旋滚筒载荷均匀，端盘截齿需要周向均匀布置。大部分端盘的截齿分为2~8组，每组包括角度齿和零度齿，但是端盘最外面的截齿倾斜角不超过50°。本论文优化的滚筒端盘3条截线，每条截线7个齿，第一条截线（最先接触煤壁的）上的截齿安装角为+25°，第二条截线0°，第三条接线-25°。叶片截齿排列螺旋叶片截齿截割的宽度比较大，其截齿是否合理布置，粉尘大小、块煤率、截割比能耗都受影响比较大。块煤率不高不仅导致增大了比能耗，而且降低了煤的价格，直接影响效益。工作面粉尘量严重影响工人身体健康，甚至造成人生安全。因此，需对螺旋叶片排列进行实验，找到最好截齿排列和布置方式。（a）顺序式（b）棋盘式（c）畸变式3-5截齿排列图（a）顺序式配置，螺旋头数与同一截线上的截齿数相等。这种配置方式用的很普遍，适用于硬煤。（b）棋盘式配置，截割条件好，截齿不受侧向力，一般双头螺旋和四头螺旋可用这种配置方式。（c）畸变式配置每条截线上只有一个截齿，每三个为一组，截齿受侧向力，三头螺旋叶片在脆性煤层中可用这两种配置。本论文优化的是四头螺旋，因此选择（b）棋盘式配置，3.3.3截线距的确定与其对螺旋滚筒截割性能的影响截线距指两条截线之间的间距，截线距的不同将会导致镐型截齿的截割形式和截割槽面积形状的不同。截割形式的不同是因为煤岩体裸露表面相互位置和截齿相对被截割面的位置的不同才引起的；而截割槽面积形状是截齿破煤后留在煤壁上的痕迹的横断面的形状。截割形式对采煤机螺旋滚筒载荷与截割比能耗有极其重要影响。（a）顺序式截割（b）棋盘式截割3-6典型截割形式下的截槽形状(1)顺序式截割。如图3-6（a）所示，其的特点是被截割的煤岩体单向的裸露，相邻两个镐型截齿在破煤的方向上没有任何一个超前，煤可向两侧崩离脱落，镐型截齿受来自非裸露煤岩层的侧向压应力。当截齿采用顺序式排列时，得到了这种破煤的形式。(2)棋盘式截割。如图3-6（b）所示，相邻两个截齿在破煤方向上互相交错、一后一前并且超前一个截线距的截割方式称棋盘式截割。其优点侧向力较平衡，当螺旋滚筒截齿采用这种配置时，得到此种破煤岩形式。由上述分析得知，截线距的不同，导致截割的形式的不同，并影响截割比能耗、截割力的大小、块煤率和载荷的波动性。对采煤机螺旋滚筒上相邻的镐型截齿截线距的分布情况可分为三种情况，如图3-7所示，(a)截线距较小(过分破碎)(b)理想截线距(成块破碎)(c)较大截线距(截槽间形成脊梁)图3-7截齿截线距图中S称截线距，单位mm。在相同的切削厚度下，若截线距太小(图3-7a)，由于煤岩体过度被破碎，使效率不怎么高、截割比能耗也较大；而截线距太大(图3-7c)，使两个截割槽的槽间形成脊梁，截割很是不充分，易形成全封闭式的截割，这时，截割比能耗也最大、截割效率低下。由此可见，对相同的切削厚度的情况下，一定存在一个最理想的截线距(图3-7b)，使其截割比能耗最小。对截齿的最佳截线距的确定，目前在采煤机螺旋滚筒设计中还是主要靠经验，对其进行理论研究比较少。螺旋滚筒的截割扭矩和截线距显现指数关系，随截线距的增大而增大；随截线距的增大，螺旋滚筒在截割的过程中载荷波动也将会增大；由实际的牵引速度知，对于同一个型号的螺旋滚筒，当增大截线距的时候，虽然块煤率得到了增大，但截割阻力和载荷波动也将会相应增大。对截线距和截割比能耗的关系，由（3-12）可知，当切削厚度在一定的情况下，随截线距的增大，截割比能耗先是减小而后增大，存在一个最理想截线距。综合考虑结构要求和性能需求本论文计算得出截线距为30mm，为优化滚筒的最佳截线距。3.3.4螺旋升角的确定对螺旋滚筒截割性能的影响螺旋叶片包括螺距、叶片升角、叶片头数与叶片在筒毂上的包角四个主要参数，对螺旋滚筒破煤、装煤都有影响，但是对装煤影响最大。螺旋叶片的螺距、导程、包角都和螺旋叶片升角有关，且叶片升角的大小对滚筒装煤效率影响也比较大，因此，本论文主要对不同螺旋叶片升角对螺旋滚筒的截割性能的影响进行理论分析研究，本论文研究的螺旋升角均是指螺旋叶片的外升角，用α表示。由（3-3）得知螺旋滚筒的扭矩值和螺旋升角显现抛物线规律变化，有最大值。由（3-5）得知螺旋滚筒截割比能耗与螺旋升角显现抛物线规律变化，有最小值。由（3-7）得知螺旋滚筒的装煤效率与螺旋升角显现抛物线形式变化，有最大值。因而综合考虑三个的影响得到了最合适的螺旋外升角，为20度。3.4端盘结构设计对其截割性能的影响端盘位于滚筒端部，工作时与煤壁相对。常见的端盘结构由平端盘的蝶形端盘，平端盘因在截割过程中，端盘与煤壁之间几乎没有容煤空间，两者之间有很大的摩擦，使端盘磨损剧烈，减低了工作机构的使用寿命，很少使用。为改善滚筒的工作条件，本论文设计的端盘为整体蝶形端盘，如图3-8整体蝶形端盘是焊接在筒毂上的，从而使端部形成一定的容煤空间，在截割煤层时，进入该空间的煤不易排出，不断的被端盘和煤壁挤压、摩擦，一方面继续破碎，另一方面加剧了工作机构的磨损，又增大了滚筒的轴向力，为避免这种现象，在端盘上开排屑槽，根据螺旋头数而定减小，因此本论文研究的端盘开四个排屑槽。如图3-8中的。图3-8蝶形端盘在截割过程中，端盘工作在全封闭的条件下，截割工况差，煤岩与端盘摩擦剧烈，使端盘、截齿、齿座磨损严重，采煤机截割功率损耗大。为了改善端盘的截割条件，提高块煤率，减小截割比能耗，减小单齿受力，减小轴向力，所以本论文才装设角度齿，装6组角度齿，每组以+25度、0度、-25度三个截齿出现。如3-3滚筒展开图所示。3.5螺旋滚筒运动参数确定螺旋滚筒运动参数包含牵引速度、滚筒转速，选择运动参数是否合适，直接影响螺旋滚筒截割的装煤效果、平稳性、产生粉尘多少、产出块煤率鱼截割比能耗性能指标。为研究螺旋滚筒的运动参数对截割性能影响，首先要进行运动参数和每个性能指标关系的理论研究分析。3.5.1运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的理论分析运动参数对截割阻力影响把（3-23）h=带入（2-1）Z=F/h得：Z=（3-25）根据（3-25）知当牵引速度一定而且较小时，随螺旋滚筒转速增大，截割阻力成非线性降低；当牵引速度较高时，随着螺旋滚筒转速增加，截割阻力是线性的降低。与此同时，在螺旋滚筒转速一定，牵引速度在比较高速度区域内变化时，截割阻力是成线性降低；当螺旋滚筒转速一定，且牵引速度在低速度区域内改变化，截割阻力成非线性变化。这个结论适用螺旋滚筒截割扭矩和运动参