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摘要：采煤机螺旋滚筒装煤过程是螺旋葉片将煤沿滚筒轴向推至刮板输送机旁，然后利用螺旋叶片末端将煤抛到刮板输送机内的过程。根据相关资料和学者的研究，不难发现影响滚筒装煤效果的主要因素有滚筒转速、牵引速度、螺旋叶片升角、滚筒外径和筒体直径等。而从根源上说装煤效果主要取决于采煤机滚筒的落煤量和采煤机螺旋滚筒的输送能力的关系，当采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机螺旋滚筒的落煤量时，装煤效果才能理想。
关键词：采煤机;螺旋滚筒;效果
采煤机螺旋滚筒是采煤机采煤的主要工具，其主要作用是落煤和装煤。讨论滚筒的转载效果与牵引速度的关系，采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机滚筒的落煤量时，滚筒才能达到较好的装载效果。
一、滚筒模型的建立
模拟滚筒装煤实验的目的是为了改善采煤机螺旋滚筒的装煤性能，因此，模型与原型之间必须满足相似性要求，尽可能近似的模拟采煤工作面原型滚筒的运行情况。以滚筒的叶片螺旋升角、滚筒转速、牵引速度为研究对象。（1）利用三维建模软件uG，以某型号薄煤层采煤机滚筒为原型进行设计，建立三个螺旋升角分别为15°、18°、21°的三头螺旋滚筒模型。（2）该型号采煤机运动参数：滚筒转速n=44.36r/min，牵引速度v=（0～6）m/min。将滚筒转速上下浮动20%，得滚筒转速三个水平为n=35.49、44.36、53.24r/min。（3）目前，国内采煤机的最大牵引速度为8m/min，且小直径的牵引速度更低，为防止实验过程中发生堵煤，且考虑到本实验建立的煤壁较短，取牵引速度三个水平为v=2、2.5、3m/min。取相似比1：3，滚筒尺寸、煤壁模型按比例缩小。根据相似理论，确定模型与原型有关参数的相似关系，参数换算，
二、螺旋滚筒输送能力
采煤机螺旋滚筒输送能力主要取决于螺旋滚筒的容煤面积和煤在叶片螺旋槽内的轴向运动速度，在理想状态下螺旋滚筒能够把进入滚筒的煤全部运送出去。而螺旋滚筒的容煤面积就是在垂直于滚筒轴线上的横截面内煤可以存在的面积，经过实际测算和根据有关资料推荐总结得到螺旋滚筒的容煤面积的计算公式
式中Dw——螺旋滚筒叶片的外缘直径，m;
Dn——螺旋滚筒叶片的内缘直径，m;
α——螺旋滚筒叶片的中径升角，（°）;
B——叶片的厚度，m;
S——滚筒螺旋叶片的导程，m;
z——螺旋滚筒的头数。
式（1）在计算时考虑了叶片及辅助装载叶片所占的空间，容煤面积就是在叶片所形成的环形面积减去螺旋叶片所占的面积。分析采煤机螺旋滚筒的装载，须确定煤在装载过程中的运动，为了简化计算，取煤流中的一个质点作为运动学研究的对象。取与叶片外缘相接触的煤粒，并假设煤粒间为黏滞体，相互间无相对运动，只考虑煤粒与叶片的摩擦，该质点的速度则为叶片中煤粒速度的最大值。根据相关资料显示叶片中径处的煤粒在叶片作用下轴向运动的平均速度及切向运动的平均速度可分别表示为
式中φ——煤与叶片之间的摩擦角，φ=30～40°;n——螺旋滚筒的转速，r/min。那么，螺旋滚筒每分钟输送煤的体积，即滚筒的输送能力
式中p——煤松散系数，一般p=1.5～1.7;K——煤对滚筒螺旋槽的充满系数。其中，煤被截割下来后，变得松散，体积会增加，滚筒输送的都是疏松的煤，增加了煤的松散系数。在实际生产过程中滚筒截割下来的煤不可能完全充满滚筒的容煤空间，这是因为滚筒截割下来的煤有部分被滚筒运送出去，同时在实际使用过程中会发现，在滚筒叶片靠近端盘和筒体的地方会有一定数量的煤粘结在滚筒体上，占用了滚筒的容煤空间，考虑到以上因素，在理论计算时需要增加煤对滚筒螺旋槽的充满系数K，修正计算公式。根据《采煤机械参数选择》的推荐范围，可以按以下情况对K值进行选择：（1）有弧形挡煤板、且滚筒转速较低、直径较小、叶片升角亦较小时，可取K=0.5;滚筒转速较高、直径较大、叶片升角亦较大时，可取K=0.4;一般可取K=0.45;（2）无弧形挡煤板、且滚筒转速较低、直径较小、叶片升角亦较小时，可取K=0.25;滚筒转速较高、直径较大、叶片升角亦较大时，可取K=0.2;一般可取其平均值。由于滚筒和采煤机是配套使用的，采煤机选定后滚筒的转速固定，所以提高滚筒的装载效果须从滚筒的相关参数上来完善和提高。
三、滚简装煤仿真研究
1.转向对装煤性能的影响研究。采煤机滚筒有两种装煤形式，顺转和逆转。顺转是指滚筒截割方向与截落煤岩方向相同，而逆转是指滚筒截割方向与截落煤岩方向相反。现利用螺旋升角为21°的滚筒，通过改变滚筒位置、煤壁形状，来研究滚筒转向对装煤效率的影响。转向实验对比结果表明：相同的运动条件时，滚筒逆转装煤效率比顺转高9.3%左右。原因在于逆转装煤时，出煤口位置较高，颗粒轴向速度不受堆积煤的影响，能够顺利被抛送至输送机处，而顺转装煤时，颗粒从滚筒底部被带到滚筒后部，由叶片推挤进行装煤，出煤口位置较低，靠近煤壁侧的堆积煤会对其造成阻碍，被推出的难度增加。但逆转时颗粒被抛出的距离较远，可能会被抛送至采空区。因此滚筒转速应尽量取较小值，以防止过抛现象发生。
2.叶片螺旋升角、转速、牵引速度对滚筒装煤性能的正交实验研究。研究单因素对滚筒装煤的影响，需要进行大量实验，且无法反映各因素间的交互影响。而采用正交实验的方法，能在将全部影响因素包含在内的前提下降低试验次数，又能得到各因素影响的显著性特征。因此，采用三因素三水平正交实验的方法来研究叶片螺旋升角、滚筒转速及牵引速度对装煤效率的影响，滚筒转向全部设为逆转。采用不考虑交互作用的正交表，对三个因素的每一个水平进行搭配组合。每次仿真滚筒行走距离一定，每次截割的颗粒总数相同。
四、采煤机滚筒的落煤量
采煤机滚筒的落煤量主要是针对单个滚筒完全进入煤壁来计算的，主要取决采煤机螺旋滚筒的截深J、采煤机滚筒直径D和采煤机的牵引速度v，采煤机螺旋滚筒的截深一般有600 mm、630mm、800 mm、865mm等，根据实际情况进行选取。采煤机的落煤量
Q0=JDvp
要想采煤机螺旋滚筒达到一个较好的装载效果就必须满足采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机螺旋滚筒的落煤量Q>Q0，即
从式（2）就能清楚地看出影响螺旋滚筒装载效果的各个因素之间是一个复杂的、相辅相成的关系，即相互影响，又相互制约。
总之，只有采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机螺旋滚筒的落煤量时，滚筒才能具有较好的装煤效果，反之就会造成采煤机螺旋滚筒的堵塞，发生循环煤，这样不但装载效果不好，而且会增加扬尘量和采煤机的截割功率。
关键词：采煤机;螺旋滚筒;效果
采煤机螺旋滚筒是采煤机采煤的主要工具，其主要作用是落煤和装煤。讨论滚筒的转载效果与牵引速度的关系，采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机滚筒的落煤量时，滚筒才能达到较好的装载效果。
一、滚筒模型的建立
模拟滚筒装煤实验的目的是为了改善采煤机螺旋滚筒的装煤性能，因此，模型与原型之间必须满足相似性要求，尽可能近似的模拟采煤工作面原型滚筒的运行情况。以滚筒的叶片螺旋升角、滚筒转速、牵引速度为研究对象。（1）利用三维建模软件uG，以某型号薄煤层采煤机滚筒为原型进行设计，建立三个螺旋升角分别为15°、18°、21°的三头螺旋滚筒模型。（2）该型号采煤机运动参数：滚筒转速n=44.36r/min，牵引速度v=（0～6）m/min。将滚筒转速上下浮动20%，得滚筒转速三个水平为n=35.49、44.36、53.24r/min。（3）目前，国内采煤机的最大牵引速度为8m/min，且小直径的牵引速度更低，为防止实验过程中发生堵煤，且考虑到本实验建立的煤壁较短，取牵引速度三个水平为v=2、2.5、3m/min。取相似比1：3，滚筒尺寸、煤壁模型按比例缩小。根据相似理论，确定模型与原型有关参数的相似关系，参数换算，
二、螺旋滚筒输送能力
采煤机螺旋滚筒输送能力主要取决于螺旋滚筒的容煤面积和煤在叶片螺旋槽内的轴向运动速度，在理想状态下螺旋滚筒能够把进入滚筒的煤全部运送出去。而螺旋滚筒的容煤面积就是在垂直于滚筒轴线上的横截面内煤可以存在的面积，经过实际测算和根据有关资料推荐总结得到螺旋滚筒的容煤面积的计算公式
式中Dw——螺旋滚筒叶片的外缘直径，m;
Dn——螺旋滚筒叶片的内缘直径，m;
α——螺旋滚筒叶片的中径升角，（°）;
B——叶片的厚度，m;
S——滚筒螺旋叶片的导程，m;
z——螺旋滚筒的头数。
式（1）在计算时考虑了叶片及辅助装载叶片所占的空间，容煤面积就是在叶片所形成的环形面积减去螺旋叶片所占的面积。分析采煤机螺旋滚筒的装载，须确定煤在装载过程中的运动，为了简化计算，取煤流中的一个质点作为运动学研究的对象。取与叶片外缘相接触的煤粒，并假设煤粒间为黏滞体，相互间无相对运动，只考虑煤粒与叶片的摩擦，该质点的速度则为叶片中煤粒速度的最大值。根据相关资料显示叶片中径处的煤粒在叶片作用下轴向运动的平均速度及切向运动的平均速度可分别表示为
式中φ——煤与叶片之间的摩擦角，φ=30～40°;n——螺旋滚筒的转速，r/min。那么，螺旋滚筒每分钟输送煤的体积，即滚筒的输送能力
式中p——煤松散系数，一般p=1.5～1.7;K——煤对滚筒螺旋槽的充满系数。其中，煤被截割下来后，变得松散，体积会增加，滚筒输送的都是疏松的煤，增加了煤的松散系数。在实际生产过程中滚筒截割下来的煤不可能完全充满滚筒的容煤空间，这是因为滚筒截割下来的煤有部分被滚筒运送出去，同时在实际使用过程中会发现，在滚筒叶片靠近端盘和筒体的地方会有一定数量的煤粘结在滚筒体上，占用了滚筒的容煤空间，考虑到以上因素，在理论计算时需要增加煤对滚筒螺旋槽的充满系数K，修正计算公式。根据《采煤机械参数选择》的推荐范围，可以按以下情况对K值进行选择：（1）有弧形挡煤板、且滚筒转速较低、直径较小、叶片升角亦较小时，可取K=0.5;滚筒转速较高、直径较大、叶片升角亦较大时，可取K=0.4;一般可取K=0.45;（2）无弧形挡煤板、且滚筒转速较低、直径较小、叶片升角亦较小时，可取K=0.25;滚筒转速较高、直径较大、叶片升角亦较大时，可取K=0.2;一般可取其平均值。由于滚筒和采煤机是配套使用的，采煤机选定后滚筒的转速固定，所以提高滚筒的装载效果须从滚筒的相关参数上来完善和提高。
三、滚简装煤仿真研究
1.转向对装煤性能的影响研究。采煤机滚筒有两种装煤形式，顺转和逆转。顺转是指滚筒截割方向与截落煤岩方向相同，而逆转是指滚筒截割方向与截落煤岩方向相反。现利用螺旋升角为21°的滚筒，通过改变滚筒位置、煤壁形状，来研究滚筒转向对装煤效率的影响。转向实验对比结果表明：相同的运动条件时，滚筒逆转装煤效率比顺转高9.3%左右。原因在于逆转装煤时，出煤口位置较高，颗粒轴向速度不受堆积煤的影响，能够顺利被抛送至输送机处，而顺转装煤时，颗粒从滚筒底部被带到滚筒后部，由叶片推挤进行装煤，出煤口位置较低，靠近煤壁侧的堆积煤会对其造成阻碍，被推出的难度增加。但逆转时颗粒被抛出的距离较远，可能会被抛送至采空区。因此滚筒转速应尽量取较小值，以防止过抛现象发生。
2.叶片螺旋升角、转速、牵引速度对滚筒装煤性能的正交实验研究。研究单因素对滚筒装煤的影响，需要进行大量实验，且无法反映各因素间的交互影响。而采用正交实验的方法，能在将全部影响因素包含在内的前提下降低试验次数，又能得到各因素影响的显著性特征。因此，采用三因素三水平正交实验的方法来研究叶片螺旋升角、滚筒转速及牵引速度对装煤效率的影响，滚筒转向全部设为逆转。采用不考虑交互作用的正交表，对三个因素的每一个水平进行搭配组合。每次仿真滚筒行走距离一定，每次截割的颗粒总数相同。
四、采煤机滚筒的落煤量
采煤机滚筒的落煤量主要是针对单个滚筒完全进入煤壁来计算的，主要取决采煤机螺旋滚筒的截深J、采煤机滚筒直径D和采煤机的牵引速度v，采煤机螺旋滚筒的截深一般有600 mm、630mm、800 mm、865mm等，根据实际情况进行选取。采煤机的落煤量
Q0=JDvp
要想采煤机螺旋滚筒达到一个较好的装载效果就必须满足采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机螺旋滚筒的落煤量Q>Q0，即
从式（2）就能清楚地看出影响螺旋滚筒装载效果的各个因素之间是一个复杂的、相辅相成的关系，即相互影响，又相互制约。
总之，只有采煤机螺旋滚筒的输送能力大于采煤机螺旋滚筒的落煤量时，滚筒才能具有较好的装煤效果，反之就会造成采煤机螺旋滚筒的堵塞，发生循环煤，这样不但装载效果不好，而且会增加扬尘量和采煤机的截割功率。