钻式采煤机的螺旋钻结构与核心技术样本.docx

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钻式采煤机的螺旋钻结构与核心技术样本

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。

右边的螺旋钻经过减速箱传扭矩给中间钻头。

如图3-6

经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。

经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。

经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能够打开。

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,空气经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。

沿着盖子经过空气流通线路,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见设备之一。

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1

3-8螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面照片2

1）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vg。

假定现在煤块与螺旋叶片的相对滑移速度为v11,两速度合成使煤块以vm1的绝对速度沿叶片的法向方向运动。

可是实际中由于煤块和叶片间存在摩擦力,使v11变成v12,相应地使vm1变成vm2,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:

式中:

D——煤块在叶片平均处直径,m

——螺旋叶片平均升角,,（°）图3-9煤块在螺旋叶片上的运动分析

——螺旋叶片外升角,tan,（°）

——螺旋叶片内升角,tan,（°）

螺旋钻杆的排煤速度:

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

式中:

——叶片外缘直径,m

——叶片内缘直径,m

——叶片头数

——叶片厚度,＝0.03－0.04m

L——叶片导程,L＝,m

设螺旋钻杆装煤时煤流的充满系数为,则煤流实际断面积S＝。

因此可计算处钻杆的装煤生产率:

Q=

＝

＝

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经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,经过优化设计,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

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

0.46

2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v0=rω可用矢量表示,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:

=

（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＝tanФ;

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=60vpSKc

（2）

式中Kc——煤流的充填系数;

S——钻杆的最大可能装载截面积,m2;

Vp——煤沿螺旋钻杆轴向流动速度,m/s。

煤沿螺旋钻杆轴向流动的速度可按螺旋叶片平均升角αc（αc=）处的煤流速度v简化计算,和为螺旋叶片内、外径的升高角。

由式

（1）得:

vp=（3）

螺旋钻杆的最大可能装载截面积S为

S=（4）

则

Q=nKc（5）

式中Dy,Dg,δ分别为螺旋叶片外径、内径、厚度;m为螺旋叶片头数。

由式（5）可知,影响Q的参数共有10个,其中m,δ可根据螺旋钻杆结构预先确定;Dy可由钻头直径和截齿径向外伸长度确定;Kc能够根据煤的机械物理性能确定;Dg,n,L,αy,αg为5个不确定参数,在进行优化设计时,将其作为设计变量,则优化设计变量X可表示为:

X=[x1x2x3x4x5]T=[DgnLαyαg]T

螺旋钻杆输煤生产率Q是X的函数,可用如下形式构造螺旋钻杆输煤生产率的等价目标函数:

min[-F（x）]=x2Kc（6）

2.2优化约束条件的建立

（1）螺旋叶片内径Dg的约束条件。

为保证螺旋叶片具有足够的装煤空间,防止堵塞或过多的循环煤量,在钻杆结构布置时应尽量减小钻杆叶片内径,这样能够增大装煤空间,对提高装煤生产率有利。

可是随着叶片内径的减小,煤的循环量增大,因此内径一般推荐为

0.3Dy≤Dg≤0.4Dy

则g1（x1）=0.3Dy-x1≤0

g2（x）=x1-0.4Dy≤0

（2）钻杆工作转速n的约束。

煤颗粒随螺旋钻杆的转动,使得煤产生一个附加的循环流。

当钻杆超过一