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摘要：采煤机螺旋滚筒是采煤机用于落煤和装煤的关键部件，工作在环境恶劣的综采工作面。同时，螺旋滚筒在采煤机工作中起着十分重要的作用，它对采煤机的影响不亚于牵引部、截割部、电动机等。本文对采煤机螺旋滚筒的装载与牵引速度进行了详细的探讨。
关键词：采煤机;螺旋滚筒;装载
一、采煤机滚筒的结构与装载机理
螺旋滚筒主要包括筒毂、螺旋叶片、端盘、齿座、截齿等部分。筒毂是滚筒的主要承载单元，同时通过其内部的连接盘起到与摇臂连接和传动的作用;螺旋叶片是装煤的主要部分;端盘用于固定螺旋叶片和其上截齿;截齿是滚筒割煤的工作部件。
螺旋滚筒的工作环境恶劣，其装载过程复杂，给滚筒装载机理的认识带来了困难。从宏观的角度分析，螺旋滚筒装载时类似于半开式的水平螺旋输送器。工作时扭矩从减速器的输出端传入，使滚筒以某一角速度旋转，随着采煤机的行走，被截割下来的煤块不断落入螺旋叶片形成的容煤空间中，利用叶片旋转时产生的轴向推力把煤块从煤壁侧逐渐推向老塘侧，并落入刮板输送机。
在这一过程中，是由于重力和摩擦力的作用使散体煤块沿着叶片不断向下滑动，把势能转化为动能。在工作过程中散体煤块之间的摩擦力及其与滚筒之间摩擦力，而滚筒就是利用摩擦力，通过旋转提升散体煤块，增加了其势能。
二、采煤机螺旋滚筒国内外研究现状
目前，我国螺旋滚筒的设计能力已得到飞速发展，接近了国际同行业的技术水平，但由于我国滚筒较国外滚筒性能落后，主要体现在以下几方面：1）结构设计不合理。2）滚筒的强度低、可靠性差。3）截割系统不合理。4）截齿稳定性差。因此，造成镐型截齿刀头脱落，齿座的定位孔间隙变大，引起截齿丢失及螺旋叶片磨损，直接引起采煤机工况的恶化，加剧所截割的煤体或岩体对采煤机传动系统的冲击。这样不仅降低了螺旋滚筒的使用寿命，也降低了采煤机的开采效率。
三、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，如图1所示。
经过实际测算和根据有关资料推荐总结得到螺旋滚筒容煤面积的计算公式为：
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）中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，需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—煤与叶片间的摩擦角;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：ρ—煤松散系数;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，从而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間，这是因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，在理论计算时需增加煤对滚筒螺旋槽的充满系数K，并修正计算公式。根据《采煤机械参数选择》的推荐范围，可按以下情况对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。
因滚筒和采煤机配套使用，采煤机选定后滚筒的转速固定，所以提高滚筒的装载效果需从滚筒的相关参数上来完善和提高。
四、采煤机滚筒的落煤量
采煤机滚筒的落煤量主要针对单个滚筒完全进入煤壁来计算，主要取决采煤机螺旋滚筒的截深、采煤机滚筒直径和采煤机的牵引速度，采煤机螺旋滚筒的截深一般有600mm、630mm、800mm、865mm等，根据实际情况进行选取。采煤机的落煤量
Q0=JDvp （5）
要想采煤机螺旋滚筒达到一个较好的装载效果，必须要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（6）能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。
五、影响滚筒装载的因素
影响滚筒装载的因素包括：①螺旋滚筒结构参数，包括滚筒的直径、筒毂的直径、叶片的高度、叶片的头数、滚筒的截深和叶片螺旋升角大小等;②滚筒的工作参数，主要包括滚筒的角速度、转向、采煤机的行走速度及采煤机与输送机之间的配套参数;另外，还有煤块的密度、形状、煤块之间的摩擦因数、煤块与滚筒之间的静摩擦因数、滚动摩擦系数、煤块的恢复系数及黏性阻尼系数等。
六、结语
综上所述，采煤机的工作机构螺旋滚筒，是采煤机的截割机构，其装载能力的高低是采煤机工作性能好坏的一项主要指标。而截煤性能和装煤性能是影响采煤机滚筒性能的两个关键因素，虽然许多学者通过理论分析、仿真、试验的方法研究了影响滚筒装煤的因素，并取得了一定的成果，但影响滚筒装载性能的因素很多，需要进一步将研究的结论在实际使用中加以验证和完善。
关键词：采煤机;螺旋滚筒;装载
一、采煤机滚筒的结构与装载机理
螺旋滚筒主要包括筒毂、螺旋叶片、端盘、齿座、截齿等部分。筒毂是滚筒的主要承载单元，同时通过其内部的连接盘起到与摇臂连接和传动的作用;螺旋叶片是装煤的主要部分;端盘用于固定螺旋叶片和其上截齿;截齿是滚筒割煤的工作部件。
螺旋滚筒的工作环境恶劣，其装载过程复杂，给滚筒装载机理的认识带来了困难。从宏观的角度分析，螺旋滚筒装载时类似于半开式的水平螺旋输送器。工作时扭矩从减速器的输出端传入，使滚筒以某一角速度旋转，随着采煤机的行走，被截割下来的煤块不断落入螺旋叶片形成的容煤空间中，利用叶片旋转时产生的轴向推力把煤块从煤壁侧逐渐推向老塘侧，并落入刮板输送机。
在这一过程中，是由于重力和摩擦力的作用使散体煤块沿着叶片不断向下滑动，把势能转化为动能。在工作过程中散体煤块之间的摩擦力及其与滚筒之间摩擦力，而滚筒就是利用摩擦力，通过旋转提升散体煤块，增加了其势能。
二、采煤机螺旋滚筒国内外研究现状
目前，我国螺旋滚筒的设计能力已得到飞速发展，接近了国际同行业的技术水平，但由于我国滚筒较国外滚筒性能落后，主要体现在以下几方面：1）结构设计不合理。2）滚筒的强度低、可靠性差。3）截割系统不合理。4）截齿稳定性差。因此，造成镐型截齿刀头脱落，齿座的定位孔间隙变大，引起截齿丢失及螺旋叶片磨损，直接引起采煤机工况的恶化，加剧所截割的煤体或岩体对采煤机传动系统的冲击。这样不仅降低了螺旋滚筒的使用寿命，也降低了采煤机的开采效率。
三、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，如图1所示。
经过实际测算和根据有关资料推荐总结得到螺旋滚筒容煤面积的计算公式为：
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）中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，需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—煤与叶片间的摩擦角;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：ρ—煤松散系数;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，从而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間，这是因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，在理论计算时需增加煤对滚筒螺旋槽的充满系数K，并修正计算公式。根据《采煤机械参数选择》的推荐范围，可按以下情况对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。
因滚筒和采煤机配套使用，采煤机选定后滚筒的转速固定，所以提高滚筒的装载效果需从滚筒的相关参数上来完善和提高。
四、采煤机滚筒的落煤量
采煤机滚筒的落煤量主要针对单个滚筒完全进入煤壁来计算，主要取决采煤机螺旋滚筒的截深、采煤机滚筒直径和采煤机的牵引速度，采煤机螺旋滚筒的截深一般有600mm、630mm、800mm、865mm等，根据实际情况进行选取。采煤机的落煤量
Q0=JDvp （5）
要想采煤机螺旋滚筒达到一个较好的装载效果，必须要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（6）能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。
五、影响滚筒装载的因素
影响滚筒装载的因素包括：①螺旋滚筒结构参数，包括滚筒的直径、筒毂的直径、叶片的高度、叶片的头数、滚筒的截深和叶片螺旋升角大小等;②滚筒的工作参数，主要包括滚筒的角速度、转向、采煤机的行走速度及采煤机与输送机之间的配套参数;另外，还有煤块的密度、形状、煤块之间的摩擦因数、煤块与滚筒之间的静摩擦因数、滚动摩擦系数、煤块的恢复系数及黏性阻尼系数等。
六、结语
综上所述，采煤机的工作机构螺旋滚筒，是采煤机的截割机构，其装载能力的高低是采煤机工作性能好坏的一项主要指标。而截煤性能和装煤性能是影响采煤机滚筒性能的两个关键因素，虽然许多学者通过理论分析、仿真、试验的方法研究了影响滚筒装煤的因素，并取得了一定的成果，但影响滚筒装载性能的因素很多，需要进一步将研究的结论在实际使用中加以验证和完善。