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采煤机滚筒测量装置设计,采煤,滚筒,测量,装置,设计
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辽宁工程技术大学 本科生实习报告书 教学单位 机械工程学院 专 业 矿山机电 班 级 11级1班 学生姓名 刘昂 学 号 1107250113 指导教师 师建国 大四下学期刚开始，我们就在师老师的带领下来到了位于学校的辽宁省大型工矿装备实验室和大型工矿装备实验研究中心，开始了为期一周的实习。在实验室中，我们见到许多液压支架和掘进机，还有专门测量采煤机滚筒的装置。测量装置主要由径向直尺、轴向直尺和游标等部件组成，能够测量滚筒的直径、截割宽度、截线、截线距、齿座定位角、叶片外缘升角及端盘齿落差等参数，测量装置安装容易，拆卸方便，能够很好地帮助生产厂家测量滚筒的而各项参数。 结束了在大型工矿装备实验研究中心一周的实习后，我们又在师老师的带领下来到了位于市郊区的百盛机械厂，开始了新的实习。阜新百盛机械有限责任公司位于辽宁省阜新经济开发区。公司始建于1980年，占地2.4万平方米，建筑面积1.7万平方米。现有员工260人，是集科研、开发、生产、经营为一体的产业化实体。拥有一批从事煤矿设备设计、研发并掌握新科学、新技术、新知识的专业队伍。公司依托中国矿业大学、浙江大学、辽宁工程技术大学并建立了紧密的技术合作。现有机电设备260台，生产设备先进、技术力量雄厚、检测手段齐全，所生产的各类矿山设备、配件、油田各种专业工具，品种繁多、品质优良，是辽西地区较具规模的机械加工制造生产企业。在实习期间工厂的工作人员向我们详细介绍了掘进机的分类和构成。掘进机是用于开凿平直地下巷道的机器。掘进机分为开敞式掘进机和护盾式掘进机。主要由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成。随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走。有安全、高效和成巷质量好等优点，但造价大，构造复杂，损耗也较大。我们对掘进机的认识更深了一层。 本次实习为了拓展我们的知识面，扩大与社会的接触面，增加我们在社会竞争中的经验，锻炼和提高我们的能力，以便在以后毕业后能真真正正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，学校允许我们根据自己所学的知识及兴趣爱好寻找单位实习，进一步运用所学知识分析和解决实际专业问题，提高我们的实际工作能力，为毕业实习和顶岗实习打下良好的基础。实习，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且我国的经济飞速发展，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。 短短两个星期的工作过程使我受益匪浅。不仅让我开阔了眼界，见到了书本上没有的知识和经验，最主要的是懂得了如何更好的学以致用。回顾实习生活，感触是很深的，收获是丰硕的。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”在短暂的实习过程中，我深深的感觉到自己所学知识的肤浅和在实际运用中知识的匮乏，刚开始的一段时间里，对一些工作感到无从下手，茫然不知所措，这让我感到非常的难过。在学校总以为自己学的不错，一旦接触到实际，才发现自己知道的是多么少，这时才真正领悟到“学无止境”的含义。 指导教师意见成绩评定：指导教师签字： 年 月 日 实习单位意见负责人签字：（单位盖章）年 月 日备注注：实习结束时，由实习学生填写本表后，交指导教师和实习单位签署意见，最后交所在教学单位归档保管。辽宁工程技术大学 本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 采煤机滚筒测量装置设计 指 导 教 师 师 建 国 院（系、部） 机 械 工 程 学 院 专 业 班 级 矿 电 11-1 班 学 号 1107250113 姓 名 刘 昂 日 期 2015年4月20日 教务处印制一、 选题的目的、意义和研究现状目的：本次毕业设计的目的是培养我综合运用采掘机械、机械设计、机械系统设计学等课程中所学理论知识的能力；强调设计的独创性和实用性，培养和提高设计者独立分析问题和解决实际问题的能力，为今后适应工作岗位和创造性地开展工作打下坚实基础。在设计过程中，通过运用各方面的知识来达到熟悉和掌握知识的目的。意义：通过这次毕业设计来加深我对所学知识的理解，达到能自主设计的目的。同时这也是对学我的一次毕业前的考核，只有通过了这次综合性的毕业设计，才能证明我已经掌握相关的知识能力。这也是学校对社会输送人才的一种负责的态度，只有通过了毕业设计考核才能予以毕业，才能为建设国家做出贡献。研究现状和存在问题：我国的煤炭开采以井工开采为主，约占煤炭总产量的95%，综合机械化采煤是我国煤炭开采技术的主要方向。采煤机作为主要的井下开采设备，它的需求量将会逐年增加。这将导致采煤机的主要消耗部件-螺旋滚筒的需求量也会逐年而增大。在采煤机工作的过程中，截割部所消耗的功率约占采煤机总功率的85%。作为采煤机的工作机构，螺旋滚筒的参数直接影响了煤炭生产的块煤率、装煤效率、粉尘浓度及工作面的温升，从而影响煤矿的经济效益及工作面工人的身体健康、生命安全等。因此，测量采煤机滚筒的装置就十分有必要了。采煤机滚筒测量装置不仅可以帮助滚筒生产厂家测量滚筒的直径、宽度、截齿的位姿，还能在在煤矿在选购采煤机滚筒时作为辅助工具，检测所选滚筒是否合格。根据由国家发展和改革委员会于2004年12月14日发布的中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 321-2004（代替MT/T 321-1993）可知，滚筒专用测量装置主要测量滚筒的直径、截割宽度、截线、截线距、齿座定位角、叶片外缘升角及端盘齿落差等参数。采煤机滚筒测量装置的研制在很大程度上提升了我国采煤标准化、规范化水平。滚筒测量装置是由径向直尺、轴向直尺和游标组成的设备，通过对轴向、径向直尺及游标角度尺的搭配运用以达到测量滚筒及截齿参数的目的。实际运用表明滚筒测量装置具有测量准确、结构简单、易于组装、安全稳定的优点。我国虽然在采煤机滚筒测量装置的研究方面取得了一些成绩，但是相对于发达国家而言，还存在不足：第一，我国的综采范围和落后的检测技术与产煤第一大国的地位不对应。第二，我国的采煤机滚筒测量装置的研究力度不足。我国传统材料、工艺、性能与世界发达国家还是存在很大的差距。第三，我国的采煤机滚筒测量装置的控制系统研究比较落后，严重制约了测量装置的精度和效率的提高。现在我国采煤机滚筒测量装置还是基本采用手动控制，人工读数、计算。近年来，计算机辅助设计技术的广泛使用，极大地提高了采煤机滚筒测量装置设计水平，但仍然存在一些突出问题，主要有以下几点：（1）目前广泛使用的位姿求解主要有双四元数法、正交矩阵法和奇异值分解法等，较常用的是奇异值分解法。奇异值分解法法由于建模困难只能对个别部件进行分析，无法对整个滚筒分析。(2)由于缺少对整体强度的分析，导致对不同情况下装置受力趋势分析不明确。(3)在使用接触法计算处理各个组件的连接问题时，往往由于接触面选择困难，使分析效率低下。 二、 研究方案及预期结果本论文主要由实现测量滚筒直径功能结构、实现测量滚筒宽度功能的结构以及实现测量截齿位姿功能的结构的总体方案设计。具体内容包括以下几部分：1滚筒直径测量方案的确定2滚筒宽度测量方案的设计3截齿齿座安装角测量方案的设计4截齿位姿的测量与计算5测量装置的结构设计6测量装置的总体布置三、 研究进度第三四周 任务分析查阅相关资料；第五六周 综合实习，计划设计安排，完成开题报告第七八周 完成绪论与滚筒参数简及影响第九十周 完成滚筒宽度、直径的测量方案第十一十二周 完成滚筒截齿位姿的测量方案第十三十四周 完成各测量装置的结构设计第十五十六周 完成测量装置的总体布置第十七十八周 编写设计说明书并绘制测量装置的图纸四、 主要参考文献1李峰,刘志毅.现代采掘机械.煤炭工业出版社,2007.32中国煤炭教育协会职业教育教材编审委员会.采煤机.煤炭工业出版社，20113李晓豁,沙永东.采掘机械.冶金工业出版社,2011.94朱龙根.机械系统设计.机械工业出版社,2001.55廖林清,王华培,石晓辉,杨翔宇,曹建国,邓国红.机械设计方法学.重庆大学出版社,2003.36孙志礼,冷兴聚,魏延刚,曾海泉.机械设计.东北大学出版社,2000,97中华人民共和国煤炭行业标准MT/T321-2004.采煤机螺旋滚筒，1999，9.7中华人民共和国煤炭行业标准MT/T321-2004.采煤机螺旋滚筒.国家发展和改革委员会,2004.12.148王慧,许琢.掘进机器人的位姿与机体定位.制造业自动化，2013,49罗芳,邹方,周万勇.飞机大部件对接中的位姿计算方法.航空制造技术,2011,310刘继红,庞英仲,邹成.基于关键特征的飞机大部件对接位姿调整技.计算机集成制造系统,2013,511段广洪,张辉,周潜,南仁东,王启明.刚体空间位姿测量装置及其测量方法发明专利申请公开说明书.知识产权出版社,2004,5,1212徐建文,曹伟康,田素川,魏垂胜.采煤机滚筒参数对块煤率的影响.现代矿业,2010,413李永俊,陈双喜.采煤机滚筒参数对出块率的影响.煤矿机械,2005,514赵立均,刘晓龙,赵燕燕.采煤机参数对装煤效果的影响.煤矿机械,2012,10.15李晓豁.采煤机参数对工作面温升的影响.煤炭科学技术，2010.616金全,赵晓斌.采煤机滚筒参数优化设计.煤矿机械，2003.1 17李晓豁.采煤机截齿排列参数对粉尘爆炸率的影响.辽宁工程技术大学学报，2007.1018刘送勇,杜长龙,崔新霞,程雪.采煤机滚筒运动参数的分析研究.煤炭工业出版社，2008.719程雪,杜长龙,李建平.采煤机滚筒与块煤率的关系分析.煤矿机械，2008.1220A.E.Hall.Coal Cutting by Winning Machines - E. Z. Pozin, V.Z. Melamed & V. V. Ton.Taylor & Francis Journal,1990,8 五、指导教师意见 指导教师签字：中文题目：采煤机滚筒测量装置设计外文题目：DESIGN OF SHEARER DRUM MEASURING DEVICE毕业设计（论文）共 60 页（其中：外文文献及译文22页） 图纸共4张 完成日期 2015年6月 答辩日期 2015年6月摘要滚筒是采煤机截割煤、运输煤的关键部分，其消耗的功率占采煤机装机功率的80%90%，而采煤机滚筒的参数直接影响煤炭生产的块煤率、装煤效率及粉尘浓度等各项指标，进而影响煤矿的经济效益和工作面工人的生命安全。因而必须设计相应的装置来测量采煤机的螺旋滚筒。采煤机滚筒的结构参数包括滚筒的直径、筒毂直径、螺旋叶片的头数、螺旋叶片的螺旋角以及截齿的安装尺寸与数量等，这些参数对煤块率、装煤效率等都有着不同程度的影响。本文对采煤机滚筒的结构、各个参数的影响进行了综合阐述，对测量螺旋滚筒参数的原理进行了研究，论述了螺旋滚筒两种定位方式的利弊；分析了测量装置各部件间的联接结构和总体布置。本次设计参考中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 321-2004中对螺旋滚筒专用测量装置的要求，所设计的测量装置不仅可以帮助滚筒生产厂家测量滚筒的直径、宽度、截齿的位姿等参数，还能在煤矿在选购采煤机时作为检测工具，检验所选滚筒的各项数据是否达标。关键词：采煤机；螺旋滚筒；测量装置；截齿位姿1Abstract Is a key part of the drum of the shearer cutting coal, coal transportation, the consumption of power for shearer installed power machine of 80% to 90%, and the parameters of shearer drum directly affect coal production of lump coal rate, loading efficiency and dust concentration and other indicators, thereby affecting the safety of coal mine economic benefits and working face workers. Therefore, the corresponding device must be designed to measure the screw roller of the shearer. Effects of different degrees of helix angle of the structural parameters of the shearer drum comprises a roller diameter, hub tube diameter, spiral blade number of heads, a spiral blade and cutter installation size and quantity, these parameters of coal rate and loading efficiency. This paper of shearer drum structure, the various parameters were comprehensively expounded, principle of measuring parameters of spiral roller were studied, discusses the pros and cons of spiral drum two kinds of location methods; analysis of the measuring device among the components of the connection structure and overall arrangement. Reference to the design of the peoples Republic of China coal industry standard MT / T 321-2004 of spiral drum and special measuring device requirements, designed measuring device can not only help the pose of the drum manufacturer measuring drum diameter, width of cutting teeth and etc. parameters, but also in the coal mine in the purchase of shearer as tools to detect and validated whether the standard and the data of the drum.Keywords: coal mining machine；spiral drum；measuring device；position and position of cutter1目录绪论11 采煤机螺旋滚筒及其参数21.1 螺旋滚筒的结构21.2 采煤机滚筒的分类和型号命名31.2.1分类31.2.2滚筒直径和宽度的尺寸系列31.2.3采煤机型号的命名41.3螺旋滚筒参数41.3.1 滚筒的直径与宽度41.3.2 截齿的概述51.3.3 截齿配置61.3.4 其他参数91.4小结92 采煤机滚筒参数的影响102.1 滚筒的结构参数对块煤率的影响102.2 滚筒的结构参数对装煤效率的影响102.3 滚筒的结构参数对粉尘爆炸率的影响112.4 滚筒的结构参数对工作面温升的影响122.5小结123 采煤机滚筒测量装置的原理方案设计143.1测量滚筒直径的方法原理143.1.1滚筒直径的测量143.1.2叶片直径的测量143.1.3筒毂直径的测量143.2测量滚筒宽度的方法原理153.2.1滚筒宽度的测量153.2.2叶片导程的测量153.2.3端盘宽度153.3绘制滚筒截齿配置图的方法原理163.4 测量齿座定位角的方法原理163.5 测量叶片外缘升角的方法测量173.6 测量截齿位姿的方法原理173.6.1 测量截齿齿尖B点的位置183.6.2测量截齿上C、D两点的位置183.6.3测量截齿的姿态193.6.4计算单位向量与截齿位姿193.7小结194 采煤机滚筒测量装置的结构方案设计214.1测量装置的定位方案设计214.2径向直尺与轴向直尺的结构设计234.3径向直尺与轴向直尺联接结构方案设计234.4轴向直尺与游标的联接结构设计244.5游标与深度尺的联接结构设计254.6小结255 测量装置的使用维护265.1测量装置使用使的注意事项265.2测量装置的保养规范265.3小结266结论28致谢29参考文献30附录A31附录B43辽宁工程技术大学毕业设计（论文）绪论作为采煤机的工作机构，螺旋滚筒的参数直接影响了煤炭生产的块煤率、装煤效率、粉尘浓度及工作面的温升，从而影响煤矿的经济效益及工作面工人的身体健康、生命安全等。因此，在采煤机滚筒的生产制造中需要专用的滚筒测量装置来对滚筒的主要尺寸及齿座定位角进行检查。根据我国煤炭行业标准MT/T 321-2004中的要求，滚筒测量装置能够测量滚筒的直径、截割宽度、截线、截线距、齿座定位角、叶片外缘升角及端盘齿落差等参数。本文主要论述了滚筒测量装置各部件的测量原理及各部件间的联接方式。测量装置主要由径向直尺、轴向直尺和游标等部件组成，能实现测量滚筒直径、宽度、截齿配置的功能。71 采煤机螺旋滚筒及其参数滚筒式采煤机的截割部一般包括割煤滚筒、摇臂、固定减速箱等工作机构（不同的机型其截割部的组成不尽相同，如多电机驱动的电牵引采煤机）。割煤滚筒承担截煤和装煤的任务，是采煤机截割部的重要部件之一。一个完善的割煤滚筒应满足以下要求： （1）能适应不同的煤层和有关地质条件； （2）能充分的利用煤壁的压张效应，降低能耗，提高块煤率，减少煤尘； （3）能装煤和自动开口，滚筒的落煤和装煤能力协调一致； （4）载荷均匀分布，机械效率高； （5）零部件稳定可靠，主要失效形式是齿座和叶片开焊、齿座磨损、叶片和端盘变形等； （6）结构简单，工作可靠，截齿装拆、维修方便，不易丢失。滚筒最佳截割性能指标：截割比能耗小、生产率高、块煤率高、煤尘小、装煤效率高、运转平稳、使用寿命长、不引燃瓦斯。截割比能耗的大小决定着其它指标，因为截割能耗小伴随着煤的块度大、煤尘小、生产率高。截割滚筒在性能最佳条件下，工作可靠性也是非常重要的，直接影响着生产率的提高。1.1 螺旋滚筒的结构 螺旋滚筒是目前采煤机使用最广泛的截割机构。这种工作机构简单，工作可靠，但截煤的块度小，煤尘较多。螺旋滚筒的基本结构如图1-1所示，在螺旋叶片的顶端及端盘周边上装有许多截齿，轮毂与滚筒轴固定在一起。滚筒转动时截齿截割和剥落煤体，螺旋叶片将碎煤运至滚筒的采空侧，装入输送机。大多数采煤机采用焊接滚筒，一般用2030mm厚的45Mn或16Mn钢板锻压成螺旋叶片，再和齿座、轮毂、筒毂等焊接而成。若采用铸造滚筒，则齿座是在加工后焊到叶片上的。端盘位于滚筒靠煤壁一侧，一般为厚钢板热压成型或铸造加工，上边焊装有齿座。端盘截齿截线距较小，一般应为叶片部分平均截线距的一半。端盘的厚度约为4050mm(大直径强力滚筒端盘的厚度约为6070mm)，倾角为1030。为防止端盘与煤壁相碰，端盘边缘的截齿向煤壁一侧倾斜。端盘与筒毂、叶片焊成一体。在叶片上和端盘上齿座的旁边装有内喷雾用的内喷嘴。为使端盘与煤壁间的碎煤能及时的排出，在端盘板上还开有排煤孔，甚至取消端盘。1DyDg D图1-1采煤机螺旋滚筒Fig.1-1Shearer spiral drum1.2 采煤机滚筒的分类和型号命名1.2.1 分类（1）按叶片旋向可分为：左旋滚筒和右旋滚筒。（2）按滚筒安装截齿形状可分为：扁形截齿滚筒和锥形截齿滚筒。（3）按叶片头数分：二头螺旋滚筒、 三头螺旋滚筒、 四头螺旋滚筒和其他头数螺旋滚筒。（4）按滚筒连接方式可分为：锥轴连接滚筒、方轴连接滚筒、锥盘连接滚筒和其他连接方式滚筒。1.2.2 滚筒直径和宽度的尺寸系列（1）滚筒直径应符合MT/T84中滚筒直径系列的规定。 目前采煤机滚筒直径已经系列化，分别为0.6m、0.65m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.25m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.3m、2.6m。（2）截割宽度应根据截深确定，截割宽度不小于截深。截深应符合MT/T84中截深系列的规定，应取值分别为500mm，600mm（主要应用于普采工作面），630mm，800mm，1000mm，1200mm。1.2.3 采煤机型号的命名滚筒的型号命名见图1-2。25431 图1-2采煤机型号Fig.1-2Shearer model 1-滚筒：T 2-叶片旋向：左旋-Z；右旋-Y 3-安装截齿形状：扁平截齿-B 锥形截齿-Z 4-滚筒直径D/截深/叶片头数 5-滚筒连接方式：锥轴连接-Z 方轴连接-F 锥盘连接-P 其他连接-Q注：滚筒直径D和截深的计量单位为毫米（mm）。 示例：直径为1800mm，截深为800mm，左旋、四头螺旋、扁形截齿、方轴连接的滚筒命名为：TZB 1800/800/4F。1.3 螺旋滚筒参数1.3.1 滚筒的直径与宽度 （1）滚筒直径：滚筒围绕其轴线转动时，叶片截齿齿尖所形成的轨迹圆柱面的直径。如图1所示，滚筒的3个直径是指滚筒直径（截齿齿尖的直径直径）、螺旋叶片外缘直径及筒毂直径。其中，滚筒直径是指滚筒上截齿齿尖处的直径，目前，滚筒直径已成系列。筒毂直径越大，则滚筒内容纳碎煤的空间越小，碎煤在滚筒内循环和重复破碎的可能性越大。在满足筒毂安装轴承和传动齿轮的条件下，应保持叶片直径与筒毂直径适当的比例。对于的大直径滚筒，；对于的小直径，。 （2）滚筒截割宽度：滚筒两端最外边缘截齿齿尖的轴向距离。如图1所示，滚筒宽度为端盘宽度和叶片导程之和，应等于或大于采煤机的截深。滚筒的宽度一般为0.60.8m。对于较薄的煤层，为了提高采煤机的生产率，滚筒的宽度可为0.81.0m；对于较厚的煤层，为了改善顶板的支护强度，滚筒宽度可取0.5m。1.3.2 截齿的概述截齿装在螺旋滚筒上，是采煤机上截煤的刀具。由于煤质软硬不同和煤层所含夹矸情况，截齿截煤时受力就有所不同，采用的截齿几何形状和尺寸就应有区别，对制造所用的材料和工艺也有相应的要求。对截齿的基本要求是:强度高，耐磨性好，截割比能耗低，能适应较多的煤层条件，在齿座上安装可靠，易于拆装。目前，采煤用的截齿主要有扁形截齿和镐形截齿两种。扁形截齿的刀体是沿滚筒的半径方向安装的，故常称其为径向截齿，如图1-3所示。这种截齿适用于截割各种硬度的煤，包括坚硬煤和粘性煤，使用较多。其刀体呈矩形。镐形截齿的刀体安装方向接近于滚筒的切线，又称为切向截齿。这种截齿一般在脆性煤和节理发达的煤层中具有较好的截割性能。工作时，截齿在截割阻力作用下可在齿 座内回转，达到自动磨锐截齿的效果。其截齿形状及固定方式如图3所示。镐形截齿的下部为圆柱形，上部为圆锥形（或带有扁刃）。将截齿插入齿座后，只要在尾部环槽内装入弹簧圈即可固定。图1-3 镐形截齿 1-硬质合金头 2-碳化钨合金头Fig.1-3Conical bits 1-Carbide-tipped 2-Tungsten carbide图1-4镐形截齿的固定方式 1-镐形截齿 2-齿座 3-弹簧圈Fig.1-4Fixation of conical bits 1-Conical bits 2-Adapters 3-Coil1.3.3 截齿配置螺旋滚筒上截齿的排列规律称为截齿配置。基本要求是：截割煤块多，煤尘少，截割的比能耗小，滚筒受力比较均衡，所受的载荷变动较小，机器的运行稳定。截齿的配置情况可以用截齿配置图来表示。截齿配置图表示了截齿在工作机构形成表面上的坐标位置，螺旋图1-5 双头螺旋截齿配置图Fig.1-5Configuration diagramof double helix picks滚筒工作机构的截齿配置图是滚筒上齿尖所在圆柱面上的展开图，如图1-5所示。图中，水平线称为截线，是齿尖的运动轨迹；相邻的两条截线之间的距离称为截线距，竖线表示截齿的位置坐标。 （1）端盘上截齿的配置端盘贴近煤壁工作，用来切出整齐的煤壁，为叶片的工作开出自由面，并防止滚筒端面与煤壁摩擦。煤壁处煤的压张程度差，而且处于半封闭截割条件，因此工作条件恶劣，所以端盘上的截齿密度大，截线距小。端盘上的截距都是靠调节齿座倾角来获得的，向煤壁倾斜时用“+”号，向采空区倾斜时用“-”号。截齿向两侧倾斜，可以抵消作用在滚筒上的侧向力，安装的平均截线距应为叶片部分的平均截距的一半。端盘上的截线条数通常为47，端盘每条截线上的截齿数为个（为叶片上每条截线上的截齿数目）；贴近煤壁的截线上截齿可以更多，以减少截齿的磨损。截齿沿圆周方向均匀分布，以减小滚筒上的扭矩脉动。端盘上的截齿一般分为24组，每组由0，-5，+35，+20，+3510个齿组成。端盘截割宽度一般为70130mm，最大倾角的截齿应伸出端面3050mm。 （2）叶片上的截齿配置叶片上截齿的截距一般为3265mm，对硬、韧性煤，可小于此值，但是太小则煤太碎，截割比能耗增大；对脆性煤使用切向截齿时，可大于此值。叶片上每条截线上的截齿数=13，可根据螺旋头数选取。为使滚筒上的载荷均匀分布，两相邻截齿沿圆周分布的角度（或距离）应该相等。根据每条截线上截齿数与叶片头数的比值不同，截齿在叶片上的配置方式可分为顺序配置、交错配置、混合配置和不等截线距四种。顺序配置：截割煤时截齿一个跟着一个，每个截齿截割的煤体呈单向裸露，因此截齿上受到的侧向力较大，此时，叶片头数与同一截线上的截齿数相等，这种配置方式使用得最为普遍，适用于硬煤；交错配置：截煤时，每个相邻的超前开出半个切削厚度的煤体上工作，因此截割条件好，截齿不受侧向力。一般双头螺旋和四头螺旋叶片可用这种配置方式，这种配置方式适用于脆性煤；混合配置：不同叶片上的截线组成一条与叶片螺旋方向相反的螺旋线，其切削端面接近交错配置，但有侧向力，三头螺旋叶片在截脆性煤时可用这种配置，叶片上，没3个截齿按顺序配置组成一组，而组与组之间按交错配置，所形成的切削厚度不等，而且边缘齿数加多，因此切削厚度小，其余截线上截齿截出接近交错配置的断面。不等截线距配置：前3种叶片上的截齿配置均采用等截线距，因此截齿沿圆周分布均匀，螺旋叶片的升角是保持不变的，截煤效果不理想。而理想的截线距应从煤壁向外逐渐加大，即采用不等截线距，这种配置方式的截齿沿圆周均匀分布，叶片升角由煤壁向外逐渐加大，装煤效果好，但叶片的制造较难。在不等截线距配置情况下，如果采用等升角叶片，势必会使截齿沿圆周分布不均匀，进而导致载荷的变化较大。1.3.4螺旋升角如下图所示。 (a) (b) (c) 图1-6 叶片螺旋升角及头数Fig.1-6Blade helix angle and count单头螺旋叶片及其展开后的形状如图2a、b所示。和分别表示螺旋叶片的外径和内径，为螺旋叶片的导程。不同直径上的螺旋升角不同，螺旋叶片的外缘升角和内缘升角分别为和。显然，螺旋叶片在外缘的升角小于内缘的升角，即小于。螺旋升角的大小直接影响滚筒的装煤效果。升角较大时，排煤能力强，装煤速度快，但升角过大会使煤抛到溜槽的采空一侧；升角过小，煤在螺旋叶片内循环，造成煤的重复破碎。国内外对螺旋升角曾进行过大量的试验，我国一般认为。时装煤效果较好。对于双头螺旋叶片（图2c），螺旋升角为 （1-1）式中 -螺旋头数； -螺距。螺距的大小应保证煤从滚筒中顺利排出，一般为0.250.4m。螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定的。直径1250mm的滚筒一般用单头，1400mm的滚筒可用双头或三头，1600mm的滚筒可用三头或四头。1.3.4 其他参数 齿座定位角：齿座对称面和垂直于滚筒轴线平面间夹角。端盘齿落差：端盘各截线截齿齿尖回转半径与滚筒名义半径的差值。1.4 小结 本章主要阐述了采煤机螺旋滚筒的直径、宽度等参数的概念，并着重介绍了滚筒截齿的配置方式及叶片螺旋升角，确定滚筒的参数是测量各项参数的先要条件。2 测量采煤机滚筒参数的意义采煤机滚筒的结构参数包括滚筒的直径、筒毂直径、螺旋叶片的头数、螺旋叶片的螺旋角以及截齿的安装尺寸与数量等，这些参数对煤块率、装煤效率等都有着不同程度的影响。2.1 滚筒的结构参数对块煤率的影响 （1）叶片螺旋角。叶片螺旋角通常指叶片外径处的螺旋角，螺旋角是影响滚筒装煤的决定性因素。一般来说，螺旋角越大，排煤的能力也越大，但螺旋角过大时，容易引起煤尘粉碎。而螺旋角过小时，叶片的排煤能力小，煤在螺旋叶片内循环，会造成煤的重复破碎，使块煤率降低。 （2）滚筒截齿的排列方式对块煤率有着较大的影响。采用交错排列截齿的滚筒特点是相邻截线上的截齿不在同一螺旋叶片上，后螺旋叶片上的截齿偏高于前螺旋叶片上截齿截线，沿两个截齿的空档进行截割并且每个截齿的截割均属于浅封闭式截割。在进刀方向上截割，两相邻的截槽已先截出，形成的截槽两侧对称，切屑厚度大。因此具有提高块煤率，降低粉尘的优势。对于顺序排列截齿的滚筒，特点是螺旋叶片上的截齿沿前螺旋叶片上的截齿轨迹进行重复截割。通过实验分析和实际使用证明，交错排列截齿的螺旋滚筒产生的块煤率高于顺序排列截齿的螺旋滚筒的块煤率。 （3）滚筒截齿的安装尺寸、数量与煤的块度大小有较大的关系。对于截割性能好的煤层，截齿的安装数量一般按610个/n安装，反之则应按1016个/n安装。截齿的安装尺寸则应根据脆性煤和粘性煤的性能来选取，由实验可知截距与截割深度的比值，脆性煤在22.5；粘性煤在的1.52的范围时，落煤效果较好。若比值过大，相邻两截齿间会有较大的残留煤柱，它将会与无截割能力的齿座和叶片相碰，使齿座螺旋叶片过早磨损，降低滚筒的使用寿命，同时采煤比能耗会猛增。比值过小则会减小块煤率，使煤尘增多，不利于生产。2.2 滚筒的结构参数对装煤效率的影响 （1）滚筒直径和筒毂直径滚筒直径越大，越有利于降低临界转速，提高装煤效果，但直径过大时，会增加能耗，减小煤的块度。筒毂直径的大小决定叶片高度，筒毂直径越大，叶片高度就越小，叶片间的煤流有效空间就越小，容易出现煤流饱和，发生堵塞现象。（2）螺旋叶片的升角 螺旋升角是指螺旋线的切线与垂直于螺旋轴心平面的夹角。其计算式为 （2-1）式中 L-螺旋导程; D-叶片直径; z-叶片头数; S-螺距。 螺旋叶片装煤过程的实质是把破碎在叶片之间的煤块沿着轴向推入输送机，若有一块煤落在叶片的任意处，当滚筒转动时，叶片带动煤块沿轴向移动，其移动速度 （2-2） 式中 n-滚筒转速。由上式可知，升角越大(或导程越大)，运煤速度也越高，即:升角越大，排煤越快，对装煤越有利；升角越小，排煤越慢，易造成滚筒堵塞。但升角越大，抛煤力越大，把大部分煤都甩至滚筒后面，装煤能力降低，能耗增大。试验表明，螺旋叶片外缘升角=827时装煤效果较好。 （3）螺旋叶片的导程和头数 导程是螺旋线旋转一周的轴向距离。若螺旋头数为z，则有L=zS。从运煤条件出发，当使滚筒转一圈时，螺旋叶片应能将煤推出一个叶片宽度B，即螺旋叶片的导程应不小于叶片宽度(L)。但在时，螺旋头数z必须满足，否则滚筒圆周上将有一部分没有叶片，使滚筒无法顺利装煤，当z=2时圆周上布满叶片，显然是合理的。2.3 滚筒的结构参数对粉尘爆炸率的影响 有统计表明，近年我国煤矿事故死亡人数约为世界其他主要产煤国事故死亡总人数的4倍，是第二大产煤国-美国的100倍左右。研究发现，伤亡中的事故大多与工作面的粉尘有关，而粉尘主要是采煤机截割煤炭时产生的。采煤机螺旋滚筒截割过程中产生的粉尘约占整个采煤工作面粉尘的80%。螺旋滚筒作为采煤机落煤、装煤的工作机构，是截割产尘的主要根源，也是粉尘爆炸的诱因。滚筒的结构参数对粉尘爆炸率有着很大的影响。根据简化和假设，在分析大量粉尘检测数据的基础上，取采煤机的滚筒直径d，螺旋头数z，截线间距t，每线齿数i、牵引速度v、滚筒转速u为变量的工作面粉尘爆炸概率u的统计模型为 （2-3）由此数学模型模拟可得以下结论：（1） 最大切屑厚度的影响：随着最大切屑厚度的增加，粉尘爆炸率呈现双曲线趋势下降。特别是最大切屑厚度在1030mm时，粉尘爆炸率随切屑厚度的增加而急剧下降。由此可见，增加切屑厚度能降低粉尘爆炸率，提高煤矿安全。（2）每条截线上截齿数的影响：随着每条截线上截齿数的增加，粉尘爆炸率呈线性增加。（3）截线距的影响：随着截线距的加大，粉尘爆炸率呈线性减小。 （4）滚筒转速的影响：随着滚筒转速增加，粉尘爆炸率呈线性增加。 （5）滚筒直径的影响：粉尘爆炸率随滚筒直径的增大而呈双曲线下降趋势。 （6）叶片头数的影响：在小于或等于2头时，粉尘爆炸率随叶片头数的增加而增加，但当超过2头后，粉尘爆炸率呈下降趋势。2.4 滚筒的结构参数对工作面温升的影响 通过假设与简化，利用传热学、热辐射的理论，将机器工作消耗的功率转化为扩散热，按照采煤机工作时向工作面辐射功率的计算方法，并按每天工作8h，得到工作面温升T与采煤机主要设计参数关系的数学模型。 （2-4）（1）由数学模型模拟可知，工作面的温升随着滚筒直径的增加呈抛物线形上升，当滚筒直径D由0.4m增至1.0m时，工作面温度迅速增加(提高了0.2637)，当滚筒直径在1.52.5m范围内时，工作面的温度上升比较缓慢。（2） 随着滚筒宽度增加，工作面温升接近线性增大。亦即加大滚筒宽度将使工作面温升增大。这是因为采煤机截深的增加要求加大机器截割功率，使采煤机向工作面辐射的热量增多，导致工作面温度增加。 （3）随着滚筒转速的增加，采煤工作面的温升呈抛物线形增加。由此可见，适当降低滚筒转速可降低工作面的温度。2.5小结 本章主要阐述了各项采煤机滚筒参数的影响，指出了测量滚筒参数对各项生产指标的影响，论证了滚筒参数的重要性。3 采煤机滚筒测量装置的方案设计方案设计是机械系统设计的核心环节，是保证机械设计的水平和质量的重要阶段。方案设计是创造性思维过程，其主要工作内容一般包括：研究给定的设计任务，构思实现功能的原理和方法，选择工艺原理，引进技术系统，分析结构布局，拟定设计方案并进行设计方案评价，确定能实现最佳目标的设计方案。本次方案设计的主要任务为测量装置的功能原理设计，所设计的采煤机滚筒测量装置需要实现测量滚筒直径，滚筒宽度，截齿位姿的功能。对于安装在摇臂上的滚筒和放置在水平平台上（端盘朝上）的滚筒，测量的原理方法相同，下文将以安装在要摇臂上的滚筒为例进行分析。3.1 测量滚筒直径的方法原理3.1.1 滚筒直径的测量 若要测量滚筒的直径，首先应确定滚筒的轴心，任取端盘的一个同心圆，在圆周上任取三点连接成三角形，三角形三边的垂直平分线的交点即为端盘的轴心。将直尺沿径向放置，测量轴心到截齿的距离，即为滚筒截齿的回转半径；旋转直尺，分别测量轴心到其他各个截齿的距离，即为回转半径，。个回转半径的平均值即为滚筒的名义半径，则滚筒直径。 端盘各截齿齿尖回转半径与滚筒名义半径的差值即为端盘齿落差。3.1.2 叶片直径的测量叶片直径的直接测量比较困难，可以先测量端盘截齿齿尖与螺旋叶片顶部的径向距离，叶片半径即为滚筒半径与该径向距离的差值。滚筒直径由上文所阐述的方法测量，在此不再赘述。测量径向距离时，将直尺沿轴向放置，使直尺与端盘截齿齿尖靠齐，用深度尺测量直尺到叶片顶部的距离即为。转动直尺，测量端盘其他截齿与叶片顶部的径向距离，。其平均值即为径向距离。则滚筒的叶片直径。3.1.3 筒毂直径的测量筒毂直径的直接测量比较困难，可以先测量端盘截齿齿尖与筒毂外壳的径向距离，筒毂半径即为滚筒半径与该径向距离的差值。滚筒直径由上文所阐述的方法测量，在此不再赘述。测量径向距离时，将直尺沿轴向放置，使直尺与端盘截齿齿尖靠齐，用深度尺测量直尺到筒毂外壳的距离即为。转动直尺，测量端盘其他截齿与叶片顶部的径向距离，。其平均值即为径向距离。则滚筒的筒毂直径 （3-1）3.2 测量滚筒宽度的方法原理因为滚筒宽度为端盘宽度和叶片导程之和，所以只要测量出任意两个宽度，即可计算出第三个宽度。由于正常情况下滚筒宽度与叶片导程要比端盘宽度要大得多，测量时会更加精确，所以通常会直接测量滚筒宽度与叶片导程，在通过公式 （3-2）计算得到端盘宽度。但有时为了分析测量误差，也会直接测量端盘宽度的大小。3.2.1 滚筒宽度的测量将直尺沿轴向放置，用直尺测量端盘截齿的齿尖到滚筒底部的距离即为滚筒的宽度；将直尺沿轴线转动，分别测量端盘其他最外侧截齿齿尖到滚筒底部的距离，即为滚筒的宽度，。个滚筒宽度的平均值即为滚筒的宽度。3.2.2 叶片导程的测量在端盘底部任取个对称的点作为测量点。将直尺沿轴向放置，用直尺测量第一个测量点到滚筒底部的轴向距离，即为滚筒螺旋叶片导程；将直尺沿轴线转动，分别测量其他测量点到滚筒底部的轴向距离，即为叶片导程，。个叶片导程的平均值即为滚筒的叶片导程。3.2.3 端盘宽度仍然采用测量叶片导程时选取的个测量点。将直尺沿轴向放置，用直尺测量端盘截齿齿尖到第一个测量点的轴向距离，即为滚筒端盘宽度；将直尺沿轴线转动，分别测量其他测量点到相应端盘截齿齿尖的轴向距离，即为端盘宽度，。个端盘宽度的平均值即为滚筒的端盘宽度。3.3 绘制滚筒截齿配置图的方法原理 绘制滚筒截齿配置图需要测量确定每个截齿齿尖的位置。图3-1滚筒截齿配置图Fig.3-1Drum Pick configuration diagram 以滚筒顶部的母线为起点，截齿齿尖的位置由径向直尺转动的角度和截齿在轴向上与端盘的距离确定。相邻两个截齿齿间的轴向距离即为滚筒的截线距。分别测量每个齿尖的位置，并将其在配置图中标出，连接同一条螺旋叶片的截齿齿尖，绘出截线，即可得到滚筒截齿的配置图。图中的水平线为截线，是截齿齿尖的运动轨迹；相邻两条截线之间的距离便是滚筒的截线距。3.4 测量齿座定位角的方法原理齿座定位角是齿座对称面和垂直于滚筒轴线平面间夹角，在测量齿座定位角时可以先测量其余角即齿座对称面与竖直轴面的夹角，再转化为齿座定位角。以滚筒顶部的截齿为例，将游标移动至截齿齿座上方一侧（游标的托架与竖直轴面平行），转动量角器手轮使量角器紧贴齿座一侧，从量角器指示板中读出角度；将游标移动至截齿齿座另一侧，转动量角器手轮使量角器紧贴齿座，从量角器指示板中读出角度，齿座定位角 （3-3）同理可测任一截齿的齿座定位角。3.5 测量叶片外缘升角的方法测量叶片外缘升角是叶片外缘展开线与垂直滚筒轴线平面的夹角，计算公式： （3-4）式中 -叶片导程； -叶片直径。 叶片导程和叶片直径的测量方法在前文中已提及，在此不再赘述。3.6 测量截齿位姿的方法原理描述截齿相对于基础坐标系的位姿的途径是描述与截齿固联的坐标系相对于基础坐标系的位姿。如图，设截齿轴线与齿座底部端面的交点为A点，截齿齿尖为B点，齿座上有C、D两点，且有AC垂直于AD。以端盘轴心为坐标原点，以滚筒轴线为轴，以竖直方向为轴，以径向为轴建立基础坐标系，轴、轴、轴的单位向量分别为、。记向量的单位向量为,向量的单位向量为,向量的单位向量为，以A点为坐标原点，向量为为基础，建立编号为A的坐标系。则截齿的位姿就是坐标系相对于基础坐标系的位姿。测量时需要径向直尺、轴向直尺、游标、量角器与深度尺。测量时需要径向直尺、轴向直尺、游标、量角器与深度尺。初始时径向直尺与轴重合，轴向直尺在平面内，游标套装在轴向直尺上且与量角器相连，深度尺联接在游标上。3.6.1 测量截齿齿尖B点的位置转动径向直尺使其与截齿齿尖在同一平面内，移动轴向直尺使直尺紧靠截齿齿尖，将径向直尺的读数记作，转动的角度记作，轴向直尺的读数即为截齿在轴上的坐标，记作。则截齿齿尖在基础坐标系中的位置为。3.6.2 测量截齿上C、D两点的位置转动径向直尺使其与C点在同一平面内，移动轴向直尺上的游标使深度尺靠在C点上，将径向直尺的读数记作，转动的角度记作，轴向直尺的读数即为截齿在轴上的坐标，记作，深度尺的读数为,则C点在直径方向上的距离，C点在基础坐标系中的位置为。转动径向直尺使其与D点在同一平面内，移动轴向直尺上的游标使深度尺靠在D点上，将径向直尺的读数记作，转动的角度记作，轴向直尺的读数即为截齿在轴上的坐标，记作，深度尺的读数为,则D点在直径方向上的距离，D点在基础坐标系中的位置为。图3-2截齿上的测量点Fig.3-2The measuring poin on the pick3.6.3 测量截齿的姿态首先用直尺测量向量的模长，记作。将基础坐标系平移至A点，建立以A点为坐标原点，竖直方向为轴的坐标系，且有轴平行于轴，轴平行于轴。用量角器测量截齿的齿座定位角（齿座对称面和垂直于滚筒轴线平面间夹角），记作，则为向量在平面内的投影与轴的夹角。再用游标测量截齿仰角，记作，则为向量与轴的夹角的余角，则向量，的单位向量。3.6.4 计算单位向量与截齿位姿向量 （3-5）向量的模长（3-6）向量的单位向量（3-7）向量（3-8）向量的模长（3-9）向量的单位向量（3-10）由以上向量可计算截齿的位姿 （3-11）3.7小结 本章主要论述了测量装置的两种定位方式的利弊，以及测量各项滚筒三个直径、三个宽度及截齿位姿等参数的方法原理。4 采煤机滚筒测量装置的结构方案设计测量滚筒的参数需要定位装置、径向直尺、轴向直尺、游标、量角器和深度尺。定位装置的功能是确定滚筒轴线的位置，径向直尺与定位装置联接，且可绕定位装置转动，轴向直尺与径向直尺联接，上边套有游标，游标上有量角器与深度尺。测量装置的结构方案设计的目的在于确定测量装置的总体布局和各个装置的联接方式。4.1 测量装置的定位方案设计如果要测量滚筒的参数，必须先将测量尺定位于滚筒的轴线上。定位的方法有多种。方案一：采用底座联接定位器、定位杆的定位方式图4-1底座与定位杆Fig.4-1Base with the alignment bar如图4-1所示，滚筒端盘朝上放置在水平平台上。环形定位器通过四个螺钉固定支撑座上，不能移动和转动，但支撑座高度可调。定位器与支撑座套装在竖直的定位杆上，定位杆杆安装在底座上，顶部安装有径向直尺。该方案中定位杆轴线与定位器轴线在误差允许范围内重合。通过定位器与滚筒的过盈配合，使定位杆轴线与滚筒轴线在误差允许范围内重合，以实现定位杆轴线代替滚筒轴线的目的。此方案的优点是不仅可以通过更换不同直径的定位器来适配不同直径的滚筒，还可以通过调节支撑座的高度来适配不同宽度的滚筒。若忽略滚筒重力对支撑座的压力作用，理论上该定位装置可以对所有直径和宽度的滚筒进行定位，故适用性很强。缺点是在实际情况下，此定位方案中的支撑座会承受滚筒的部分重量，由于较大直径的滚筒重量多达数吨重，因此对支撑座的强度要求较高。故该方案的可行性与可靠性较差。而且，在调节支撑座高度的时候，会不可避免地使定位器发生偏转，进而使定位杆发生偏转，轴线弯曲，误差增大；另外，该方案中无法安装角度盘，不能测量径向直尺转动的角度，使得测量有局限性。方案二：采用定位杆联接上、下双定位器的定位方式图4-2上下定位器与定位杆Fig.4-2Upper and lower retainer with the alignment bar如图所示，滚筒端盘朝上放置在水平平台上。上、下定位器与滚筒筒毂均为过盈配合，与定位杆为键联接，并且通过上、下螺母进行固定，上定位器与角度盘通过四个螺钉联接固定，角度盘通过螺钉与径向直尺联接，且可以绕轴线转动。该方案中上、下定位器与滚筒筒毂为过盈配合，使得滚筒轴线与定位器轴线在误差允许范围内重合；上、下定位器与定位杆通过平键联接，且通过上、下螺母进行固定，以使上、下定位器与定位杆的轴线在误差允许范围内重合；上定位器通过四个螺钉与角度盘联接固定，使上定位器的轴线与角度盘在误差允许范围内重合；角度盘与径向直尺的端盘通过螺钉联接，使角度盘的轴线与径向直尺的轴线在误差允许范围内重合，从而使径向直尺端盘的轴线与滚筒的轴线在误差允许范围内重合，以实现径向直尺端盘的轴线代替滚筒的轴线的目的。该方案的缺点是结构较为复杂，零件较多，在铸造加工时有些许难度，但是各部件拆装容易、维护方便，故经济性一般。优点是各部件间联接稳定，可靠性较好；上、下定位器与螺母为对称设计，互换性好；定位精确，测量误差较小。综上，选取方案二定位杆联接上、下双定位器的定位方式为测量装置的定位方案。4.2 径向直尺与轴向直尺的结构设计（1） 径向直尺的结构设计 径向直尺一端的端盘通过螺钉与角度圆盘联接，轴向固定，但可绕轴线转动；另一端需要与径向直尺联接，并且承受其余部件的重量。当径向直尺采用长条形设计时，不利于与轴向直尺的配合联接；而采用空心圆柱的设计时，则能有效的避免该问题的发生。因此，径向直尺采用空心圆柱的形式设计，其外壳壁上刻有刻度。（2） 轴向直尺的结构设计 轴向直尺联接在径向直尺上，当其采用圆柱或空心圆柱设计时，会增大零件自身重量，对径向直尺的拉力也会随之更大；当其采用长条形设计时，则可有效地减轻零件的重量。故轴向直尺应采用长条形的方式设计。4.3 径向直尺与轴向直尺联接结构方案设计 径向直尺与轴向直尺的联接方案有以下三种。方案一：轴向直尺直接套装在径向直尺上径向直尺的一端结有空心套筒，将其套在径向直尺上即可使用。该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便，经济性好。缺点是轴向直尺易发生摆动和径向滑动，使测量不准确，误差增大。方案二：径向直尺与轴向直尺采用滑键联接两个滑键对称固定轴向直尺的套筒内，径向直尺上铣有两条相应的较长的轴槽，套筒可带动轴向直尺沿轴槽一起作径向滑移。该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便；两个对称的键槽可以防止轴向直尺发生摆动。缺点是在轴上铣两个对称的键槽会大大降低直尺的结构强度；测量时无法固定轴向直尺的位置，直尺容易沿键槽发生滑移，测量不准确。方案三：径向直尺与轴向直尺采用齿轮齿条联接径向直尺底部设计有较长的齿条，轴向直尺的套筒内安装有相应的齿轮。通过转动与齿轮固联的手轮，即可移动轴向直尺进行测量。该方案的缺点是齿轮齿条联接结构复杂、拆装不易，对工艺精度要求高，加工成本高，经济性一般。优点是结构稳定可靠，可有效避免轴向直尺的摆动；可以固定轴向直尺在径向直尺上的位置，预防轴向直尺滑移，测量精度高，测量结果准确。综上，选取方案三齿轮齿条联接。4.4 轴向直尺与游标的联接结构设计游标通过游标前板、中板、后板固定在轴向直尺上，其上设计有量角器和深度尺。游标与轴向直尺的联接结构方案有以下三种：方案一：游标直接固定在轴向直尺上游标已通过前、中、后板固定在轴向直尺上，不再增加其他零部件即可使用。该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便，经济性好。缺点是游标易发生摆动，且需要手动固定游标的轴向位置，使测量不准确，误差增大。方案二：游标与轴向直尺采用滑键联接两个滑键对称布置在游标的顶部和底部，轴向直尺上铣有两条相应的较长的轴槽，游标可带动量角器和深度尺沿轴槽一起作轴向滑移。为增大游标与轴向直尺的摩擦力，可将键与键槽设计成45平行相切。如下图所示。图4-3键槽Fig.4-3Keyway该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便；两个对称的键槽可以防止游标发生摆动。缺点是在轴向直尺上铣两个对称的键槽会大大降低直尺的结构强度；测量时需要手动固定轴向直尺的位置，直尺容易沿键槽发生滑移，测量不准确。方案三：游标与轴向直尺采用齿轮齿条联接轴向直尺底部设计有较长的齿条，游标的中板附近安装有相应的齿轮。通过转动与齿轮固联的手轮，即可移动游标进行测量。该方案的缺点是齿轮齿条联接结构复杂、拆装不易，对工艺精度要求高，加工成本高，经济性一般。优点是结构稳定可靠，可有效避免轴向直尺的摆动；可以固定轴向直尺在径向直尺上的位置，预防轴向直尺滑移，测量精度高，测量结果准确。综上选取方案三，游标与轴向直尺采用齿轮齿条联接。4.5游标与深度尺的联接结构设计深度尺安装在游标上，可在游标上移动已测量零部件的深度。由于游标上安装深度尺的空间位置有限，故不宜采用齿轮齿条联接，此时使用滑键连接较好。采用键连接时，可将滑键与深度尺设计为一体，对称地分布在深度尺两侧，相应的键槽开在游标上。根据测量装置各部件的联接结构绘制总体布置图。4.6 小结 本章主要论述了测量装置各个部件的联接方式，由此便可绘制测量装置的总体布置图。255 测量装置的使用维护本测量装置主要由定位装置、径向直尺、轴向直尺、游标和深度尺构成，其结构比较简单，使用方便，能满足一般精度的测量要求，是煤矿机械制造厂中广泛使用的量具，可以测量滚筒的直径、宽度，截齿的位姿、截线距，齿座定位角以及叶片外缘升角，还能辅助绘制滚筒的截齿配置图。使用该测量装置是要轻拿轻放，避免损坏装置；使用过后要注意对装置的维护。5.1 测量装置使用使的注意事项（1）组装该装置滑键联接的零件时用力不要过猛，以免损坏滑键与键槽；组装齿轮齿条联接的零件时，要慢慢转动手轮，使直尺或游标平稳组装。（2）组装后应检查各部件间的相互作用：转动径向直尺，直尺与角度盘能灵活转动，无卡死现象；转动轴向直尺手轮，直尺能沿径向直尺平稳移动且无卡死现象；转动游标手轮，游标能沿轴向直尺平稳移动，无卡死现象；拉动深度尺，能沿尺槽平稳移动，无卡死和滑动现象。（3）使用前还要检查测量面：用干净棉丝或软布把测量面擦拭干净，测量面无污点和锈渍。（4）读数时要注意：眼睛要垂直的看所读刻线，防止偏视造成读数误差；当没有刻线完全对齐时，应找出对的比较齐的刻线来读数。5.2 测量装置的保养规范（1）不要用油石、砂布等硬质物品磨擦测量装置的表面及测量面和刻线部分，非计量检修人员，严禁拆卸、改装、修理测量装置。（2）测量装置存放的地点应保持清洁、干燥、无震动、无腐蚀性气体，远离温度变化范围大的地方或者有磁场的地方。测量装置的盒内要清洁干燥，不准存放其他杂物于盒内。（3）不要用手摸测量装置的测量面，因为手上有汗等潮湿脏物会污染测量面，使它生锈。测量装置不准不带盒和其他工具混放在一起，以免碰伤测量装置。（4）用完测量装置后，要将测量装置拆开，擦拭干净；当一月以上长期不用时，要在测量面上涂防锈油。（5）当工件表面有毛刺时，一定要去净毛刺，再进行测量。否则会使测量装置磨损，并且还会影响测量结果的准确性。5.3小结 本章主要介绍了测量装置使用时的注意事项及保养规范，方便我们更好地保护测量装置，确保测量装置的准确性。6 结论本文根据采煤机螺旋滚筒的结构特点并参考煤炭行业标准MT/T 321-2004（采煤机螺旋滚筒）及MT/T84-2007（滚筒采煤机型式和基本参数），设计的采煤机滚筒测量的装置能够测量滚筒直径、滚筒宽度、截线距、截齿位姿及截齿配置。本次设计还存在不足之处：一是本人对方案设计掌握不够熟练，未能做出系统、规范的方案评价；二是对截齿位姿认识不足，设计的测量方案较为复杂，数据量大，计算繁琐。本次设计的测量装置还有很多不足，在以后的研究中，还应该对测量装置进行优化，例如加入传感器、计算机控制等现代化科技，以达到非接触测量、快速处理测量数据的目的。致谢本设计在师老师的悉心指导和严格要求下已经完成，在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。师老师对学生要求十分严格，一丝不苟，改正了我们在设计中的许多错误，老师始终兢兢业业，认真负责的督导我们的毕业设计，在此，我想说声老师辛苦了。老师渊博的学识为我开阔了视野，改变了我们对固有事物的认知，从老师的身上，我不仅学到了丰富的专业知识，还见识了老师对机械的想法，新思路。在我的设计课题的选择上，老师给了我悉心的指导，帮助我了解模型的结构、原理、使用方法和维护规范，使我学到了很多课本上没有的知识。在做设计时，老师为我们指点了主题，明确了思路，使我们少走了许多弯路。再到原理方案的论证及具体的结构设计，无不凝聚着师老师的心血和汗水，在此表示衷心的感谢。 最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位教授和老师。 29参考文献1李峰,刘志毅.现代采掘机械.煤炭工业出版社,2007.3.2中国煤炭教育协会职业教育教材编审委员会.采煤机.煤炭工业出版社，2011.3李晓豁,沙永东.采掘机械.冶金工业出版社,2011.9.4朱龙根.机械系统设计.机械工业出版社,2001.5.5廖林清,王华培,石晓辉,杨翔宇,曹建国,邓国红.机械设计方法学.重庆大学出版社,2003.3.6孙志礼,冷兴聚,魏延刚,曾海泉.机械设计.东北大学出版社,2000,9.7中华人民共和国煤炭行业标准MT/T321-2004.采煤机螺旋滚筒,1999,9,1.7中华人民共和国煤炭行业标准MT/T321-2004.采煤机螺旋滚筒.国家发展和改革委员会,2004.12.14.8王慧,许琢.掘进机器人的位姿与机体定位.制造业自动化,2013,4.9罗芳,邹方,周万勇.飞机大部件对接中的位姿计算方法.航空制造技术,2011,3.10刘继红,庞英仲,邹成.基于关键特征的飞机大部件对接位姿调整技.计算机集成制造系统,2013,5.11段广洪,张辉,周潜,南仁东,王启明.刚体空间位姿测量装置及其测量方法发明专利申请公开说明书.知 识产权出版社,2004,5,12.12徐建文,曹伟康,田素川,魏垂胜.采煤机滚筒参数对块煤率的影响.现代矿业,2010,4.13李永俊,陈双喜.采煤机滚筒参数对出块率的影响.煤矿机械,2005,5.14赵立均,刘晓龙,赵燕燕.采煤机参数对装煤效果的影响.煤矿机械,2012,10.15李晓豁.采煤机参数对工作面温升的影响.煤炭科学技术.2010.6.16金全,赵晓斌.采煤机滚筒参数优化设计.煤矿机械.2003.1. 17李晓豁.采煤机截齿排列参数对粉尘爆炸率的影响.辽宁工程技术大学学报.2007.10.18刘送勇,杜长龙,崔新霞,程雪.采煤机滚筒运动参数的分析研究.煤炭工业出版社.2008.78.19程雪,杜长龙,李建平.采煤机滚筒与块煤率的关系分析.煤矿机械.2008.12.20On Optimum Design of the Shearer Drum ,Sichuan University of Science and Technology Chengdu.2011, Vol.4 . 辽宁工程技术大学毕业设计（论文）附录A采煤机滚筒的优化设计陶驰东 陈翀(机械工程学院，中国矿业大学，徐州221008)摘要：在模拟实验的基础上，采煤机滚筒优化设计软件已有了很大的发展，采煤机滚筒的主要参数也已经被优化，优化技术与模型实验相结合使得采煤机滚筒的设计理论更完善。关键词：采煤机滚筒；模拟实验；优化设计采煤机滚筒是现代采煤机械的主要工作机构。1993年，我国有三亿多吨煤是利用采煤机装卸设备完成的。因此，采煤机滚筒结构和主要参数的优化设计不可避免地带来其工作性能的改进。如生产率、截煤率和单位能耗等。这不仅仅是经济效率，更重要的是降低了因采煤粉尘造成的危害性。 这篇论文就是要讨论的是优化技术与模型实验相结合，这样可使得滚筒的设计理论系统更为完善，设计质量更高。1 采煤机滚筒的模拟实验研究采煤机滚筒技术的模拟实验是具有经济效益和实际效益的，完成装备测试和实验材料的加工意味着信息资料的搜集和整理已经完成。因此，必要的材料和理论基础已准备好实现我们研究任务。本文所讨论的采煤机截割过程中的相关参数如表1所示。这些参数范围含盖了现代采煤机装卸机构的所有可能方面。模型长度比例为1：4，其他的模型参数依此而得。考虑到拉力强度和易碎材料的抗压强度的弹性模量之间存在固定的比例关系，简化了模型切削材料的机械参数。在尺寸模拟分析之后，特征方程式也就建立了。收集最基本的变化是为了将独立的参数代入相对应的独立的的方程。在我们的模型实验里有6个独立的的方程： ， ，这里T是次数。其他的符号的意思如表格1-1所示表1-1 与截割过程相关的采煤机滚筒的参数Tab.1-1Parameters associated with the cutting process of shearer drum参数 LMT 比例 独立值 量纲 因子 独立非独立结构发动机械性能指数滚筒直径D/mm滚筒宽度W/mm螺旋叶片Y截齿密度N刀具间隔S/mm切刃宽度B/mm滚筒速度n/ rmin -进给速度V/mmin - 1切物抗压强度R1 /MPa滚筒势力FX ,Fy , FZ /N滚筒转矩M /Nm比能/MJ /m- 3负载波动/%LL-LLLT- 1ML - 1T- 2MLT- 2ML2T- 2ML - 1T- 21:41:41:11:11:41:42:11:21:41:641:2561:4(300) 3 , (400) ,500140(2) ,3 , ,41 , (2) ,3 ,4(10) ,15 ,20660(90) 20001175(1) 5125013 ,0148 ,015(0153) , (0157) ,1117为了全面的看参数之间的关系，所有的实验安排如表1-2所示。表1-2实验程序Tab.1-2Experimental procedure实验条件步骤 变量 数据 追加第一步123456 ， ， ， ， ，第二步23456， 最后一步1， 每个关系式中(I=1,2,36) 数值，另外第二个数值/和/分别对应和关系式。根据第二相似原理，相似现象的相似性标准具有相同的值。因此，根据相似性特征，模拟实验的结果可以被展开成相似的截割过程。在实验中采煤机滚筒的受力沿着三个坐标方向，并且滚筒轴转矩可以直接测量出来。但是，滚筒的单位能耗和载荷波动是不可分割的参数，只能从实验结果中计算出来。为了全面观察各参数之间的关系，所有实验结果被列在表格1-2里。每个项的基准值（i=1到6），另外和的第二个基准值和被分别确定。每次实验时一个项不相同而其他值相同。因为准备多种切削强度不同的人造工作面是很困难的，所以，对于来说有两个基准值，并且因此而需要进行更多的实验。通过两个实验结果，足可以证明标准方程式的成立。从这方面来说，实验的最后阶段是不需要，但是它可满足所有的从到的基准组合的分析。对组进行修改需要改变滚筒的直径。它的困难一点不比修改小。为了方便，实验的最后阶段可以与具有不同和值的第一阶段实验一起进行。测量系统在实验开始前已经调整好。所有的信息都将被记录在磁盘上。然后根据不同需要进行动态分析（图表1-1）。也就是将测量值和他们的波动计算出来，不同参数之间的关系就知道了。作为一般效率的滚筒，单位能耗（MJ/）可以用下列等式计算：=， （1-1） 这里的是滚筒速度，单位是rad/s。其余的符号的意思在表格1-1中给出单位能耗与独立参数之间的关系如图2。公式关系如下： ， （1-2） ， （1-3） ， （1-4） ， （1-5） ， （1-6） ， （1-7） 因此，截割材料的抗压强度会对其产生一个非常明显的影响，滚筒直径的影响是不显著的。三头叶片比其他的好。每线一齿适合低速、高硬度的煤层，而每线三齿的适合高速软煤层。 随着切削厚度的最大值h的增加，单位能耗在减小，但是超过它的最佳值仅能使单位能耗有少量降低。通常，刀具的空间与切屑的最大厚度的最佳比例是1:2（见图1-1）。图1-1比能与独立变量的关系Fig.1-1Relationships between Specific Energy H and Independent Parameters2 采煤机滚筒的数学模型采煤机滚筒优化设计的数学模型是基于以下不同的x值建立的： X=x,x,x,x,x,x,x=D,S,V/(nN),Y,N,n, （2-1）其中是叶片的螺旋升角。2.1目标函数 根据模拟实验结果的部分数据，各项之间的乘法关系已经得到。因此，单位能耗的函数如下： H(X)=R, （2-2） 从方程（1-3）和（1-7）我们可以得到H(x)=H(D),H(x)=H(s)等等。 这项工作的优化目标是单位能耗和滚筒的载荷波动趋于最小，因此minF(X)=H(X)+(X) , （2-3） 这里的和是权重因子。 滚筒的载荷波动受很多因素影响，大体上，由滚筒的设计决定。滚筒的受力波动和独立参数之间的联系，也可以从模拟实验中得到。但是的推论是相当复杂的，因此，这个可以近似地计算。 作用在径向的阻力,正向切割阻力为和侧向力，相应地由下面公式给出： ， （2-4） ， （2-5） ， （2-6） 其中： 在截齿的切屑阻力，； 切屑材料的抗压能力，MPa； 齿尖磨损面在切屑投影面的面积，； =0.38到0.42阻力因数小于碎片厚度，且大于因数值； =0.5到0.7比例因数小于切屑厚度并大于材料脆性因数 =0.8到1.5比例因数，大于材料脆性且小于因数 进给区域中第i个截齿的三角位移 相邻割线上第i个截齿的工作空间，； c,d,e由滚筒边缘布置的扁平面的齿决定的因数： 当连续布置时 c=0.3，d=0.15，e=1.4； 当不连续布置时 .c=2.2，d=0.1，e=1.0；作用在叶片齿上的侧向力Ai指向煤壁，端盘齿受的侧向力指向采空去。在同一时间j作用在所有做参与截割的齿上的力沿着坐标轴分解成分量，然后在每个方向上合成，作用在水平方向、垂直方向和轴向力分别为： , （2-7） , （2-8） , （2-9） 这里的NP是在同一时间做切割运动的齿的个数。 采煤机滚筒载荷波动系数可以定义为： （2-10） 其中 质量因数； 的各自自振动因数； ， 其中 NK滚筒旋转的计算值； NK位置的力的值；（） 通常，采煤机滚筒由螺旋圆柱和叶片组成。在计算中，这两部分的不同的连接必须被考虑，这样以来，计算就相当复杂了。在本工程中，计算采煤机滚筒的载荷波动系数的软件已经开发成功。2.2 约束性能2.2.1 切削功能上的约束在齿数恒定的情况下，切屑的最大厚度由V与n决定。找出截齿空间的真正影响比掘进速度V更有用。那就是为什么V/(nM)被作为独立设计变量x而采用。碎块的横断面是合理的切削条件，虽然理论推导需要由最佳的进给刀具获得。每线一齿的三头螺旋叶片 ， （2-11） 每线三齿的三头螺旋叶片 ， （2-12）其中切割槽的断角；螺旋叶片的导程，mm；切割的最大深度，mm。等式（18）是优化设计的基础条件。此外，延长截割的约束条件，使 （2-13） 其中截齿的延伸半径，mm；修正因素。同时，刀具最大尺寸约束条件满足 。 （2-14）2.2.2 载荷约束为了保证滚筒不受挤压，滚筒转速不能超过极限值 ， （2-15）其中螺旋叶片外径，mm； 滚筒的轴径，mm； 螺旋叶片与煤块的磨擦角；煤层离地面的高度，mm；=1.5 to 1.7煤的松散系数。滚筒的充满系数。 实验证明和理论分析，滚筒的螺旋升角为1823时，承受载荷能力最好。为了装载一定块度的煤（材料），叶片空间尺寸不能小于极限值（min），其值不能超过极限值，因此 ， （2-16）其中 t 螺旋叶片的厚度，mm。为了避免材料或煤和滚筒一起旋转，螺旋叶片的高度和空间位置必须保证合理， 1 to 4 （2-17）为了使滚筒载荷稳定，螺旋叶片的包角不能超过420， （2-18）2.2.3 结构约束没线截齿数不能多于叶片头数 ， （2-19） 喷嘴的布置，沿着螺旋叶片的分布，相邻之间的距离不能小于极限值 （2-20） 为了避免采煤过程中碰到顶板和底版，滚筒直径必须小于采煤机最小截割高度 （2-21） 如滚筒的前后载荷性能相同，装载效率从60%到80%，对中厚煤层应满足 （2-22） 对薄煤层，考虑到装载能力的要求，滚筒直径应满足 （2-23）2.3 数学模型综上所述，采煤机滚筒优化设计的数学模型如下 ， ， ， 其中 其中，是由等式（22）滚筒速度决定的。 其中螺旋叶片的外径 当1300 当1300 当 当3 优化算法和优化软件在滚筒的近似设计，例如MRDE（英国）（前苏联）的算法和软件，载荷波动系数是检验设计质量的一个重要指标。但在本篇论文中载荷波动的计算放在了目标函数中，使其趋于最小。当然，对于目标函数的评估是很复杂。我们的计算机程序中包括一组优化算法程序包，通过模型特征和分析比较细微结果来确保随机方向算法的有效实现，它的特点是需要数学建模来确保对运行结果的比较与分析，随机系统是有效且合理的。采煤机滚筒优化设计软件提供了系统化的设计，它包含如下不同种命令： 1）MIAN是主要命令，它是选择输入与输出的格式化命令子程序； 2)BLOCK DATA是数据区中评估参数的子程序命令； 3）MOPT是最初输出数据并建立数据结果的命令；4）ADD是I/O接口子程序命令；输入的初始参数选择最优算法计算H（X）和（x）约束优化输出最优设计开始改变最优算法或者寻找措施N结束所有的标准是否都满足？Y图3-1软件流程图Fig.3-1Software flow chart5）FNT是目标函数和约束函数的计算子程序；6）OPT是组建优化设计的子程序。此外，这些子程序命令用来坐标计算，受力分析，载荷波动系数分析。在随机系统中，每个命令也可以随即指派任务。该软件工作流程如图3-1。采煤机滚筒优化设计用FORTRAN程序编写。为了检验并证明，举MG系列LXT14/46型采煤机为例，初始化参数为：，PMa，35，m，m，mm；系数：，。主要参运行参数和采煤机滚筒程序运行结果见表3和表4参数并不明显，但程序执行变化值得注意，动力减少了8%，载荷波动减少了19.8%，负载能力增加了16%。4 结论 本篇论文主要结论如下：（1）比能有许多因素决定。剪切物质的特性的影响和截齿密度的影响比别的参数影响明显。（2）在中煤层的条件下，每线模式带有三个的截齿的三头螺旋叶片适合于切割软煤有大的进步。每线模式带有一个的截齿的三头或两头螺旋叶片适合于切硬煤有小的进步。每线模式带有两个的截齿的两头螺旋叶片有一个好的综合性能。 （3）滚筒系带的安排对操作有较大的影响。大体说，多变的安排可以提供较大的块煤率，低比能和低负载波动。 （4）滚筒外围截齿排列，尤其是端板处的截齿排列，对负载波动的影响很大。 （5）在最佳的刀具间隔和碎片最大厚度以及叶片螺纹导程之间有一确切的关系。（6）合理的叶片角是18到32。如果结构许可，越小越好。（7）这篇文章涉及到了很多不同的因素对滚筒参数设计的影响。研究过程中独创的一些新的方法和研究获得的一些重要结论仍需要在未来的实践中改进与证实。附录BOn Optimum Design of the Shearer DrumAbstract : On the basis of the model experiments ,a software for optimum design of the shearer drum has been developed ,and the main parameters of a shearer drmu also have been optimized. The combination of the techniques of optimization with the model experiment makes the designing and theoretical systems of the shearer drum more perfect .Key words :shearer drum;model experiment ;optimum designThe shearer drums serve as a main type of operating mechanism of the modern coal getting machines , this paper deals with the combination of the techniques of optimization and the model experiment ,which makes the designing and theoretical systems of shearer drums more perfect ,and the design more quality.1 Model Experiment of the Shearer DrumsThe parameters ,relevant to the cutting process of the shearer drum ,and dealt with in this paper ,are shown in Tab. 1. This model factor of length is 14. The essential transformations have been taken in order to put the independent parameters just in the corresponding independent terms. In our model experiment there are six independent terms :1 = WR/ B ,2 = D/ W ,3 = S / W，4 = V T/ W ,5 = B Y/ W ,2 = BN/ Wwhere ,T is time , s. The meanings of other symbols are shown in Tab. 1-1.In order to comprehensively look at the relationships between parameters , all the experiments are laid out as in Tab. 2.The datum value .1 (i = 1 to 6) for every term ,and in addition the second datum values /1and /2 for1 for 2 terms respectively are appointed.As a general index of drum efficiency , the specific energy H (MJ / m3 ) may be calculated by the follwing equationH =M/DWV=nM/30DWV, (1-1)Where , is drum speed , rad/ s. The meanings of the rest symbols are given in Table 1.The relationships between specific energy and independent parameters are shown in Fig. 1. Table 1-1Parameters of Shearer Drum Relevant to Cutting Processparameter LMT midel value of dimension factor independentindependentdependentConstructionalMotiveMechanicalPerformanceindexDiameter of drum D/mmWidth of drum W/ mmNumber of vane starts YPick density* NTool spacing S/ mmWidth of cutting edge B/ mmDrum speed n/ rmin - 1 -Feed speed V/ mmin - 1Compressive strength of cut material R1 MPaForces on drum Fx ,Fy ,Fz/ NTorque on drum M/ NmSpecific energy H/MJ m- 3Load fluctuation/ %LL-LLLT- 1ML - 1T- 2MLT- 2ML2T- 2ML - 1T- 21:41:41:11:11:41:42:11:21:41:641:2561:4(300) * , (400) ,500140(2) ,3 , ,41 , (2) ,3 ,4(10) ,15 ,20660(90) 2000.175(1) 5.250.3 ,0.48 ,0.5(0.53) , (0.57) ,1.17*The number in the parentheses is datum value*The pick density means the number of picks arranged per cutting line Table 1-2The Procedure of ExperimentsCondition of experimengsteps variable datum supplementary1-st123456 ， ， ， ， ，2-nd23456， last1， Fig. 1 Relationships between Specific Energy H and Independent Parametersa Compressive Strength of Cut Material R ; b Diameter of Drum D ;c Number of Uane Starts Y; d Pick Densyty N ; e Tool Spacing S ;f Maximum Thickness of Splinter hmaxThey may be shown by the following formulas alsoH( R) = 1.12 R + 0.182 , (1-2)H( D) = 0.29 - 44103/ D , (1-3)H( Y) = 0.0794 Y2 0.438 Y + 2.298 , (1-4)H( N) = 0.052 N2 + 1.64 N , (1-5)H( S ) = 0.0424 S 0.938 , (1-6)H( hmax = 1.21 + 0.78/ hmax. (1-7)In general , the optimal proportion of tool spacing to the maximum thickness of splinter S/ hmax is 1 to 2 ( see Fig. 1-2) .Fig. 2 The Relationship between Specific Energy Hand Proportion of S/ hmax2 Mathematical Model of Shearer DrumThe mathematical model of shearer drum for optimum design is a set of functions of the following variblesX = x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 , x7 = D , S , V/ ( n N) , Y , N , n , (2-1)whereis helical angle of vane (vane angle) .2.1 Objective FunctionThe function of specific energy may be set up as followingH( X) = R 5i =1H( xi) , (2-2)where from Eq. (3) to (7) we have H(x1) = H(D) ,H(x2) = H(S) and so on.The optimum aim of this work is that the specific energy and the load fluctuation of drum may be decreased to theirminimum , thusmin ( F) = 1 H( X) +2 ( X) , (2-3)where1 and2 are weighting factors.The radial advancing resistance Yi ,tangential cutting resistance Zi and side force Ai acting on the pick (in N) may be correspondingly given byYi = knz0 + krRSy , (2-4)Zi = z0 + fkrRSy , (2-5)Ai=zi(+d) (2-6)where z0 mean cutting residtance on the sharp pick N;R compressive strength of the cutted material , MPa ;Sy projection of the worn surface at pick tip in the cutting plane ,mm2 ;f= 0.38 to 0.42 factor of cutting resistance ;kn =0.5 to 0.7 proportional factor ;kr = 0.8 to 1.5 proportional factor , more the brittleness of material ;i the angular displacement of i-th pick form the entrance of cutting region ;Si mean tool spacing of i-th pick to neighbour cutting lines ,mm ;c ,d ,e factor decided by the drum lacing arrangement for picks with flat front surface :The forces acting on all picks doing cut at the same moment j were resolved into components along the coordinated axes , and then these components were summarised in every direction ,which are the horizontal , vertical and axial forces acting on the drum respectively (in N) .where NP is the number of picks doing cut at the same moment .The load fluctuation factor of shearer drum is defined as( X) = cx x + cy y + cz z (2-7) where cx , cy , cz weighted factors ;x , y , z fluctuation factors of Fx , Fy and Fz respectively ,where Nk the number of calculated positions per revolution of drum ;Fk mean value of force Fkjof the NK positions (k = x ,y ,z) .2.2 Constrained Functions2.2.1 Constraints in cuttingThrough theoretical derivation the optimum tool spacing is obtained :when 32start vane with one pick cutting linewhen 32start vane with three picks per cutting linewhere breakout angle of the cut groove ;L = Dtglead of vane screw (at pick tip ) , mm ;hmax = 10000/nN maximum cutting depth of pick ,mm.The extension of the picks constrains hmax just sohmax kpLp (2-8)where Lp ridial extension of picks ,mm ;kp duty factor .In the same time , the maximum tool spacing also constrains hmax ,that hmax (Smax B)/2tg (2-9) 2.2.2 Constraints in loadingIn order to keep clear of drum jam ,the drum speed not be allowed less than a critical value ,thatwhere Dy o
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