工作机构的结构与作用详解

采煤机工作机构的作用就是承担落（碎）煤、装煤任务，是采煤机的重要部件。

螺旋滚筒式工作机构是使用较广泛的工作机构，如图1-7所示。

图1-7　螺旋滚筒式工作机构

（一）截齿及固定

1.截齿的作用

截齿是采煤机直接落煤的刀具。截齿的几何形状和质量直接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。

2.截齿的要求

对截齿的基本要求是强度高、耐磨损、几何形状合理、固定可靠。

3.截齿的类型

采煤机使用的截齿主要有扁截齿和镐形截齿两种。

1）扁截齿

如图1-8所示，扁截齿沿滚筒径向安装，故又称径向截齿，习惯称为刀形截齿。这种截齿适用于截割各种硬度的煤，包括坚硬煤和黏性煤，使用较多。其刀体端面呈矩形。在图1-8（a）中，销钉和橡胶套装在齿座侧孔内，装入截齿时靠刀体下端斜面将销钉3压回，对位后销钉被橡胶套弹回至刀体窝内而将截齿固定；在图1-8（b）中，销钉和橡胶套装在刀体孔中，装入时，销钉沿斜面压入齿座孔中而实现固定；在图1-8（c）中，销钉和橡胶套装在齿座孔中，用卡环挡住销钉并防止橡胶套转动，装入时，刀体斜面将销钉压回，靠销钉卡住刀体上缺口而实现固定。

2）镐形截齿

如图1-9所示，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。

镐形截齿结构简单，制造容易。从原理上讲，截煤时镐形截齿可以绕轴线自转而自动磨锐。

4.截齿的材料

截齿刀体的材料一般为40Cr、35CrMnSi、35SiMnV等合金钢，经调质处理获得足够的强度和韧性。扁形截齿的端头镶有硬质合金片，镐形截齿的端头堆焊硬质合金层。硬质合金是一种碳化钨和钴的合金。碳化钨硬度极高，耐磨性好，但性质脆，承受冲击载荷的能力差。在碳化钨中加入适量的钴，可以提高硬质合金的强度和韧性，但硬度稍有降低。截齿上的硬质合金常用YG-8C或YG-11C。YG-8C适用于截割软煤或中硬煤，而YG-11C适用于截割坚硬煤。经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切屑厚度，可以提高煤的块度，降低煤尘。

图1-8　扁截齿及其固定

1—刀体；2—齿座；3—销钉；4—橡胶套；5—硬质合金头；6—卡环

图1-9　镐形截齿及其固定

1—镐形截齿；2—齿座；3—弹簧；4—硬质合金头；5—碳化钨合金层；6—卡环

5.截齿的固定

对于小型镐形截齿采用弹簧圈把截齿固定在齿座上；对于扁截齿用柱销将其固定在齿座上，为了防止柱销外移或转动，再用弹簧钢丝定位；还有的用柱销式弹性元把扁截齿固定在齿座中，利用弹簧挡圈使柱销定位。有的截齿利用插在橡胶圈内的柱销定位，即柱销两端卡在齿座相应的光槽里的固定方式。

6.截齿的配置

螺旋滚筒上截齿的排列规律称为截齿配置。合理选择参数和配置形式，可使煤的块度合理、截割比能耗最小、滚筒载荷变化小、机器运行稳定。

截齿的配置情况用图1-10～图1-12来表示。

图1-10　双头螺旋滚筒截齿配置图（一）

图1-11　双头螺旋滚筒截齿配置图（二）

图1-12　变截距截齿排列图

在图1-10～图1-12中，用细实线表示齿尖运动轨迹的水平线（即截线），相邻截线间的距离就是截线距，竖线表示截齿的位置。实心或空心点表示截齿齿尖的位置，用粗实线代表螺旋叶片。实心的点是有角度的，“+”表示向煤壁倾斜，“-”表示向采空区倾斜。而不偏斜的齿则称为0°齿。在螺旋叶片上的齿，一般都装成0°。

特点如下：

（1）叶片上截齿按螺旋线排列，大部分是变截距的。

（2）滚筒端盘截齿排列较密，为减少端盘与煤壁的摩擦损失，截齿倾斜安装。靠里边的煤壁处顶板压张效应弱，截割阻力较大，为了避免截齿受力过大、减轻截齿过早磨损，端盘截齿配置的截线应加密，截齿应加多。端盘截齿一般为滚筒总截齿数的一半左右，端盘消耗功率一般约占滚筒总功率的1/3。

（二）螺旋滚筒

1.滚筒的结构

螺旋滚筒是滚筒式采煤机的截割机构，用来落煤和装煤。煤矿中常用的是滚削式螺旋滚筒。

滚削式螺旋滚筒的结构如图1-13所示，螺旋主要由叶片、轮毂和端盘组成。螺旋叶片和端盘有齿座，其上装有镐形截齿和扁截齿，叶片内有喷雾水道，叶片上两齿座之间装有内喷雾喷嘴。螺旋滚筒一般为铸焊结构，即齿座、筒毂和端盘是单独铸造或锻造的，加工后和叶片组焊成一体。滚筒也有整体铸造的。叶片一般用20～30 mm厚钢板锻压而成。

图1-13　滚削式螺旋滚筒的结构

1—螺旋叶片；2—筒毂；3—端盘；4—齿座；5—截齿

2.滚筒的几个参数(www.xing528.com)

滚筒的结构参数主要有直径、宽度、螺旋叶片的头数和升角以及截齿的排列等。

1）滚筒的三个直径

滚筒的三个直径是指滚筒直径D、筒毂直径Dg及螺旋叶片外缘直径Dy，如图1-14所示。

（1）滚筒直径是截齿齿尖的截割圆直径，是三个直径中最大的直径。常用的直径范围为0.65～2.30 m。我国规定的滚筒直径系列为0.50，0.55，0.60，0.70，0.75，0.80，0.85，0.90，0.95，1.00，1.10，1.25，1.40，1.60，1.80，2.00，2.30和2.60（单位：m）。

滚筒直径应根据煤层厚度（或采高）来选择。

滚筒直径主要取决于所采煤层的厚度（或采高）和采煤机的形式。摇壁调高式双滚筒采煤机，滚筒直径一般应稍大于最大采高的一半。底托架调高的双滚筒式采煤机，滚筒直径一般应小于煤层的最小厚度（一般应小于0.1～0.2 m）。中厚煤层的单滚筒式采煤机，滚筒直径应为最大采高的0.5～0.6倍。薄煤层双滚筒式采煤机或一次采全高的单滚筒式采煤机，其滚筒直径应为煤层最小厚度减去0.1～0.3 m。

图1-14　螺旋滚筒

1—端盘；2—螺旋叶片；3—齿座；4—喷嘴；5—筒毂

（2）筒毂直径。筒毂直径决定了叶片间的体积。相同的外缘直径条件下，筒毂直径越小，其空间越大；反之筒毂直径越小，空间就越小，使煤在滚筒内循环和重复破碎的可能性增加。滚筒三个直径间的关系可参考表1-1。

表1-1　滚筒三个直径间的关系

（3）螺旋叶片外缘直径，指齿座凸出的最大直径。

2）滚筒的宽度

滚筒宽度是指滚筒边缘到端盘最外侧截齿齿尖的距离，也即采煤机的理论截深。目前，采煤机的截深有0.6～1.0 m多种，其中以0.6 m用得最多。随着综采技术的发展，也有加大截深到1.0～1.2 m的趋势。一般滚筒的实际截深小于滚筒的结构宽度，也就是滚筒的宽度应等于或稍大于采煤机滚筒截深。

3）滚筒螺旋叶片头数、升角及旋向

滚筒螺旋叶片头数、升角及旋向对落煤，特别是装煤能力有很大的影响。

（1）叶片头数。

根据螺旋滚筒上螺旋叶片的数量，分别有单头螺旋滚筒、双头螺旋滚筒和三头螺旋滚筒。双滚筒式采煤机常用的是二头或三头螺旋滚筒。螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定的，对装煤效果影响不大。直径D＜1.25 m的滚筒一般用双头，1.25＜D＜1.4 m的滚筒用二头或三头，1.4＜D＜1.6 m的滚筒用三头或四头。

（2）升角。

单头螺旋叶片及其展开后的形状如图1-15（a）和图1-15（b）所示。Dy和Dg分别表示螺旋叶片的外径和内径，By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与内缘升角分别为αy和αg，显然螺旋叶片外缘的升角小于内缘的升角。

图1-15　螺旋叶片升角及头数

螺旋叶片升角的大小直接影响装煤的效果。一般来说，升角越大，排煤的能力越大。但升角过大，会将煤抛出很远，以致甩到溜槽的采空区侧，并引起煤尘飞扬；升角过小，螺旋的排煤能力小，煤在螺旋叶片内循环，造成煤的重复破碎，使能量消耗增大。大量实验表明，螺旋叶片外径升角在20°左右、内径升角在40°～50°范围内装煤效果较好。

螺旋叶片升角：

式中　α——升角；

n——螺旋头数；

S——螺距，其大小应保证从滚筒中顺利地排出煤，一般在0.25～0.40 m；

D——对应的直径。

（3）旋向。

螺旋滚筒螺旋线的方向有左旋和右旋两种，分别称为左旋滚筒和右旋滚筒。其合理转向的确定关系到装煤效果、运行稳定性和操作员操作的安全。

（4）转向。

双滚筒式采煤机有两个滚筒，站在采空区看采煤机，分别称为左滚筒和右滚筒。采用反向对滚的双滚筒式采煤机，左截割部用左旋滚筒，右截割部用右旋滚筒。一般其前端的滚筒沿顶板割煤，后端的滚筒沿底板割煤。这种布置方式操作员操作安全，煤尘少，装煤效果好，如图1-16（a）所示。

在某些特殊条件下，例如煤层中部含硬夹矸时，可使用左螺旋的右滚筒，逆时针旋转；左滚筒则为右螺旋，顺时针旋转，如图1-16（b）所示。运行中，前滚筒割底煤，后滚筒割顶煤。在下部采空的情况下，中部硬夹矸易被后滚筒破落下来。

某些型号的薄煤层采煤机，滚筒与机体在一条轴线上，如图1-16（d）所示。前滚筒割出底煤以便机体通过，因此也采用“前底后顶”式布置。有时对于过地质构造，也需要采用“前底后顶”式。后滚筒割顶煤后，立即移支架，以防顶煤或碎矸垮落。

图1-16　双滚筒式采煤机滚筒的位置和转向

单滚筒式采煤机，其转向和工作面有关，如图1-17所示。左、右工作面是站在工作面下方向高处看，在左面的称为左工作面，在右面的称为右工作面。

图1-17　单滚筒式采煤机的滚筒旋转方向

（a）右工作面；（b）左工作面

通常情况下，左工作面选右旋滚筒，右工作面选左旋滚筒，这样的滚筒旋转方向有利于采煤机稳定运行。当采煤机上行割顶煤时，其滚筒截齿自上而下运行，煤体对截齿的反力是向上的。但因滚筒的上方是顶板，无自由面，故煤体反力不会引起机器振动。当机器下行割底煤时，煤体反力向下，也不会引起振动，并且下行时负荷小，不易产生“啃底”现象。这样的转向还有利于装煤，产生的煤尘少，煤块不抛向操作员位置。

特殊情况，有的工作面将采煤机滚筒位于回风巷方向一端。采煤机进行截割，当采煤机截割部在工作面上方、牵引部在下方时，右工作面应采用右螺旋滚筒，左工作面采用左螺旋滚筒。其优点是，改善了操作员的工作条件，少吸煤尘，电动机处在进风流中，有利于安全；电缆车在机体下方，可不必通过机体，以减少挤坏电缆事故。主要缺点是上行时机体不稳，功率消耗大；下行时采煤机后方煤尘大，对跟机作业工人不利；输送机煤流通过采煤机下部，使块煤率下降，有时被大块卡住等。因此应用较少，有的仅在少数倾角较小的工作面使用。

（5）滚筒的转速。

滚筒的转速对煤的块度、生成的粉尘量以及装煤能力都有影响。一般来说，对于直径一定的滚筒，滚筒转速越高，切削量就越小，煤的块度就越小，块煤量就越少，产生的煤粉量增大，且使用单位能耗增加。滚筒转速低时反之。滚筒的转速与装煤能力关系较大，要求滚筒的装煤能力大于落煤能力，否则落下的煤会堵塞在螺旋叶片中。因此，滚筒转速的选择要兼顾装煤效果与煤粉生成量。一般滚筒转速为30～50 r/min。