螺旋钻采煤机钻杆的结构参数优化设计

1、第 -( 卷第 % 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 煤 炭 科 学 技 术! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! $* 年 % 月螺旋钻采煤机钻杆的结构参数优化设计李建平，张永忠，杜长龙（中国矿业大学，江苏 徐州! #$%）摘! 要：在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。关键词：螺旋钻采煤机；钻杆；优化设计中图分类号：&(#) *!文献标志码：+!文章编号：$,- . -*（$*）$

2、% . $% . $-!#$%$&( ()$*+ ,- (.$/$+* .,( )#.01#0. 2.2%#. -,. )1.3 %$+./0 123456247，89+:; ?=47， A?3475B=47（ !#$% &$#()*#+, -. /#$#$0 %$1 2(3$-4-0,，567-6! #$%，!#$%）45)#.21#：C3DE =4 F?E 343BGD2D 34H IEDE3IJ? =4 J=3B J=4KEG247 LEJ?342DL =M F?E DJIEN HI2BB247 I=HD，F?E J=3B J=4KEG247 I3FE N3D DEBEJFEH 3D F

3、?E F3I7EF =M F?E =6F2L2EH HED274O +JJ=IH247 F= F?E 244EI H23LEFEI =M F?E PB3HE M=I HI2BB247 I=HD，F?E N=IQ247 I=F3IG D6EEH =M F?E HI2BB247 I=HD，F?E DJIEN247 R6 347BE =M F?E PB3HE 34H F?E DFI=QE 3D F?E K3I23F2=4 =M F?E HED274 34H 24 J=4D2HEI3F2=4 =M F?E 24MBRE4JED =M F?E BRL6 J=3B I3FE，MB=3F J=3B SR34

4、F2FG，R42F E4EI7G J=4DRL6F2=4 34H =F?EI M3JF=ID，3 L3F?EL3F2JD L=HEB N3D EDF3PB2D?EHO 67 3,.()：DJIEN L24EI；HI2BB247 I=H；=6F2L2EH HED274! ! 螺旋钻采煤机是一种能够解决薄与极薄煤层开采、提高煤炭资源采出率的采煤设备。机组采用独头钻采的工艺，利用螺旋钻头钻入一帮煤层采煤，并通过钻杆将采落的煤运出，直接落在工作面巷道的刮板输送机上。螺旋钻机采煤示意如图 # 所示。图 #! 螺旋钻机采煤示意! ! 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

5、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通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，通过优化设计，选择合理的参数，才能达到提高块煤率和输煤效果的目的。本文在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。!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

6、 ) 处的煤颗粒 / 作为研究对象。当钻杆以角速度 ! 绕轴旋转时，/ 的运动速度可由图 的速度三角形求解。叶片上 8 点的线速度!$ T#)! 可用矢量 89表示，方向为沿 8 点回转的切线方向；/ 相对于螺旋面相对滑动的速度，平行于 8#点的螺旋线切线方向，可用矢量 9:表示。当不考虑叶片摩擦时，则 / 绝对运动的速度 !4 应是螺旋#面上 8 点的法线方向，可用矢量 8:表示。由于煤与叶片有摩擦，煤颗粒 / 运动速度 ! 的方向应与法线偏转一摩擦角 。对 ! 进行分解，则可得到煤颗粒的轴向速度 !# 和圆周速度 ! 。!# 就是煤的输送速度，而 ! 则对煤的输送有阻滞和干扰。! ! 根据

7、煤颗粒 / 运动速度图的分析，可计算出煤轴向移动的速率为：;$J=D （# =$F34#）（#）#*$#第 56 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 !-, 年 月(!)/40!1*!2* #)/（7）/40#式中，+2 ，+1 ，$ 分别为螺旋叶片外径、内径、厚度，#；- 为螺旋叶片头数。 由式（7 ）可知，影响 % 的参数共有 3- 个，其中 -，$ 可根据螺旋钻杆结构预先确定；+2 可由钻头直径和截齿径向外伸长度确定；)/ ，# 可以根据煤的机械物理性能确定；+1 ，!，!2 ，!1 为 7 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 / 可表示为：8/ & 03 0!

8、 05 06 07 &图 !煤颗粒运动速度分析 +1 !2 8!1 式中!螺旋叶片导程，#；螺旋钻杆转速，$ % #&；!# 点的螺旋升角，（ $）；煤与叶片间的摩擦因数， ( )* #；!煤对螺旋面的摩擦角，（ +）。!螺旋钻杆结构参数优化数学模型 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。!# $螺旋钻杆输煤生产率的计算 螺旋钻杆输煤生产率 % 为% & ,-. ()/（!）式中)/ 煤流的充填系数；(钻杆的最大可能装载截面积，#! ；. 煤沿螺旋钻杆轴向流动速度，# %

9、0。 煤沿螺旋钻杆轴向流动的速度可按螺旋叶片平均升角 （!/&!1 * !2）处的煤流速度 简化计!/!.算，!1 和 !2 为螺旋叶片内、外径的升高角。由式（3）得：!1 * !2!/40()!1* !2（5）.&/40*#,-/40#! 螺旋钻杆的最大可能装载截面积 ( 为 !）3 ,-$( &6（ +2, +1（6）!/40 !/则6!1* !2% &（ +2 , +1） !/40, -$ . 螺旋钻杆输煤生产率 % 是 / 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：#& , 1（ 0） & , 6（ +!2 , 0!3 ）0! )/ ./40(06 * 07* #)06

10、* 07!（,）05 /40! , -$/40 #!# !优化约束条件的建立（3）螺旋叶片内径 +2 的约束条件。为保证螺旋叶片具有足够的装煤空间，防止堵塞或过多的循环煤量，在钻杆结构布置时应尽量减小钻杆叶片内径，这样可以增大装煤空间，对提高装煤生产率有利。但是随着叶片内径的减小，煤的循环量增大，因此内径一般推荐为-9 5+2$ +1 $ -9 6+2则 2（ 03） & -9 5+2, 03$-32（ 0） & 03, -9 6+2$-! （!）钻杆工作转速 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。当钻杆超过一定的转数时，煤颗粒就会产生垂直于输送方向的跳跃翻滚，这时钻杆将

11、主要起搅拌而不再起轴向的推进作用。这不仅会降低物料的输送效率，加速设备构件的磨损，而且会降低块煤率，增大螺旋钻杆功率的消耗。为了避免这种现象的产生，螺旋的转数不得超过其临界转速 #*: ( 3 4 !+2 ，其中 3 为物料综合特性系数。 $ #*:则 2（ 0） & 0!, 3 4+2$-5!（5）螺旋叶片升角的约束条件。根据煤在螺旋钻杆中的运动分析可以看出，要使煤在螺旋钻杆;第 03 卷第 , 期(煤 炭 科 学 技 术( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( %#1 年 , 月中输送，煤在螺旋叶片上的轴向速度 ! #，即! $ ! % & 。因为螺旋叶片内径 # 处的螺

12、旋升角! 最大，而该处的煤颗粒轴向速度 ! 最小，故! $ ! % & 。( ( 煤与叶片的摩擦因数 # ) #* +,，而 # ) -./ ，由此可以得到煤与叶片的摩擦角 ) 0#$，故螺旋叶片内径 # 处的螺旋升角 ! 必须小于 1#$。实践表明，螺旋钻杆的叶片内缘升角 ! 一般在 %+ 2 3+4范围内比较合适。( ( 由于螺旋钻杆叶片内径的范围一般为 #* 0#5 2 #* 3#5 ，而同一钻杆的叶片内外缘导程一样，因此，螺旋叶片外缘升角 !5 选取一般为 , 2 %4，即%（ &） &3( %$#3%（ &） , ( &3$#+%（ &） &+( 3+$#1%（ &） %+ ( &+

13、$#6( ( （3）螺旋叶片导程 ) 的约束条件。螺旋钻杆输煤过程中，应考虑物料运动速度各分量间的合理分布问题，既要使煤具有尽可能大的轴向输送速度，同时，又要使轴向速度尽可能大于圆周速度，即!% $! ，将式（!）代入整理得：) $ %!*-./（ ! 3 ( ）( ( 在螺旋叶片外缘处，%* ) #5 ，上式可写成：) $ !#5 -./（ ! 3 ( ）( ( 同时，为了使两叶片之间的空间能顺利排煤而不被大块煤卡住，两叶片间距应满足：)789!7 % #* %+ , #* 3 :+( ( 螺旋叶片的螺距与叶片深度之比应满足：%)!* # $ +（ #5 ( # ）$ 3* 3则( (%（

14、&） &0(#-./（! 3 (） #,!5$%（ &） #* 3+ ( &789&3 - &+$#%;0% （ &） +（ #5( &）( %&0$#!#!% （ &） &0( %* %+（ #5( &） #!$( ( （+）等式约束。螺旋叶片任意直径处的导程相等，即) !# -./ !（外缘）55) !# -./ !（内缘）( ( 得( (% （ &） #-./&3( &0 #!%! 5% （ &） &-./&+( &0 #!0! !#( ( 根据以上条件，螺旋钻采煤机钻杆结构参数优化数学模型为: - %（ &） &(#-./#,0!53(&3 - &+%（ &） #* 3+ ( &789$#;0%（&）（( &!）$ #%!# + #5( %&0% （ &） &0( %* %+（ #5( & ） #!$% （ &） !#-./&3( &0 #!%5% （ &） !&-./&+( &0 #!0!( ( 利用螺旋钻采煤机钻杆结构参数优化数学模型，在确定螺旋钻杆的叶片外径、头数和厚度后，编计算机程序计算，可以得出螺旋钻杆有关结构参数的最优值，指导螺旋钻杆的优化设计。参考文献： ! ( 杜安平 螺旋钻杆设计参数的计算方法与实验验证 ?煤炭工程师，!;+（1） % ( 杜长龙，肖世德 矿山机械优化设计建模与实践 北京：煤炭工业出版社，!;, 0 (