钻式采煤机螺旋钻杆参数化设计研究

王晓峰，刘志英

(郑州职业技术学院，河南 郑州 450121)

钻式采煤机螺旋钻杆参数化设计研究

王晓峰，刘志英

(郑州职业技术学院，河南 郑州 450121)

钻式采煤机主要是应用在较薄煤层开采中的一种开采设备，螺旋钻杆主要是钻式采煤机传递动力、运输煤炭的重要部件，因此螺旋钻杆的设计和使用性能会对整个钻式采煤机的工作性能产生重要的影响。要实现采煤机螺旋钻杆的合理参数化设计，需要对煤块颗粒和螺旋叶之间的动力学等关系进行分析，并合理分析参数化公式，结合参数化的设计方法，建立用户界面，从而实现螺旋钻杆的自动装配、干涉检查等，保证不同参数系列的模型，最终缩短设计的周期，并提高设计的效率，实现螺旋钻杆产品的系列化和科学化。

钻式采煤机；螺旋钻杆；参数化设计

随着采煤业相关机械和设备等的不断发展，相关的技术条件也逐渐成熟。钻式采煤机主要应用在较薄层的煤层开发中，该设备的使用大大提升了煤炭的资源回收率，对节约社会资源等有重要意义。

从部件功能来讲，螺旋钻杆在整个采煤机作业中有着重要作用，是其快速优质采煤的重要影响部分，所以需要重视其参数化设计，需要对其结构和工作原理进行认真分析，在此基础上对螺旋钻杆的主要参数计算公式进行推导，并结合公式，借助相关软件研究其程序的参数、原则等，实际应用中还需要结合具体采煤情况，对螺旋杆零件和装配件进行分析，并检查其是否符合工作要求，从而最终实现钻式采煤螺旋杆的参数化设计，提高采煤的效率和质量。

1 螺旋钻采煤机相关概述

我国目前对螺旋采煤法的研究较多，应用不断扩大，其主要是运用于浅层的煤层开采中，属于无人工作面的开采法。该设备的研究和使用改变了传统薄煤层开采中回踩工人在工作面中需要爬行工作的方式，是采煤方式的巨大变革，也在很大程度上保障了采煤工作的安全性。

螺旋钻采煤机可以实现巷道两侧双向的钻孔采煤，并且在不需要其他设备辅助的条件下实现落煤的回收工作，因此，这样大大减少了采煤工作的工序。其关键的施工设备即是螺旋采煤机，主要由主机、多功能操作台及液压泵站等多个设备组成，螺旋钻采煤机主要是由螺旋钻具工作，包括钻头和螺旋杆等组成，钻具部分主要根据具体的开采条件，来进行钻头的安装，一般可安装2～4个钻头，如如果是平地进行煤层开采，需要2～3个钻孔，保证能部分地对钻孔间媒枝进行破碎，钻孔的密度可以适当增加到2.7m左右，保证提高煤炭资源的回收率。钻具上安装五种传感器，对钻孔内瓦斯浓度、钻头的旋转扭矩及钻孔导向等进行监控，了解钻头和煤层顶底板岩层的间隙等，并通过多功能控制装置从而实现集中控制，能很好地解决钻孔的导向。

2 螺旋钻杆的介绍

2.1 结构分析

由图1可知，导向连接轴的作用不可忽视，主要引导后一节钻杆与前一节钻杆的插入连接，在退杆过程中需要承受一定的拉力，通过上环形槽与前一节的凹联接器进行联接配套，最终达到固定钻杆的目的，避免在退杆中钻杆脱开的现象。

2.2 输煤机的原理

其原理分析需要对螺旋距离、多螺旋头、螺旋轴线、煤颗粒等进行分析，主要是对其受力分析进行分析。

3 螺旋钻杆结构参数的设计分析

近些年来，螺旋钻杆采煤机的应用也逐渐增广，其在浅层采煤作业中起着重要的作用。国内外都逐渐采用优化的设计方法对其进行设计，对螺旋钻杆的结构参数设计，采煤机钻杆优化设计的主要任务对在装机功率、生产率及当前制造工艺的条件下，能研究出最优的钻杆结构参数和工作参数，从而保证采煤的平均块度，减少浮煤量和煤尘量，采煤机的能耗量较少，同时其钻杆的载荷波动较小，寿命长。但是常见的设计没有考虑到影响螺旋状安结构参数的相关因素，因此相关的设计方干很难更好地符合客观的实际。所以需要对采煤机螺旋钻杆结构参数进行优化设计。

3.1 螺旋钻杆结构参数化数学模型的建立

结合相关的理论，对螺旋钻杆装煤的生产率作为目标函数，并分析影响其结构参数和运动参数等可变参数，将其作为设计变量，并编程计算，得到影响钻杆装煤生产率的可变参数，保证在其最优值的前提下实现装煤生产率的最大化，建立相关的数学模型，并对其进行优化设计，为钻杆设计、制造等研究提供参考。

3.2 螺旋钻杆主要参数的设计

螺旋钻杆主要参数包括其外径（设为D），螺旋内径d，距离S，叶片的厚度t，在模块化设计自动装配的过程中，则需要根据相关的参数完成创建的整个过程。

（1）螺旋叶片。螺旋叶片上任意一点的法线与螺旋轴线的夹角可以称之为该点的螺旋角升角，

公式为：

其中，Di表示螺旋叶片某点的直径。由公式（1）可推导：

上述公式中，L为螺旋叶片外援的螺旋升角；l表示螺旋叶片内缘的螺旋升角，一个螺距内螺旋叶片外缘螺旋线长和一个螺距内旋叶片内缘的螺旋线长。

（2）螺旋钻杆转速的分析。螺旋钻杆的转速大小对采煤质量及速度都会产生一定的影响，当其转速较大或较小时，会打破煤承受力的平衡度，这种条件下其转动方向就会产生离心力，煤在垂直于输送方向出现跳跃，最终会降低其传输的效率，因此，必须避免该现象的产生，这就需要对速转速进行一定的分析和控制，此外，还需要注意的是，叶片处的离心力最大，在分析其转速时需要对叶片处的受力考虑进去。

（3）对煤颗粒运动的分析。在对采煤机参数结构等选择中，还需要对煤颗粒进行分析，煤颗粒会对旋转螺旋产生一定的作用和影响，会对螺旋运动带来变化，对煤颗粒速度的计算可以采用矢量三角形的方法进行求解。

3.3 螺旋钻杆参数化设计

（1）螺旋钻杆零件的组成。研究表明，DriveWorks Solo软件有助于实现零件的自动创建及组装，在实现的过程中，需要结合实际情况，对螺旋钻杆的按照配合等进行生成，结合实际的参数标准，建立相关产品系列库。

（2）在参数设计时，还要结合用户的需求，对基本的参数进行设置和选择，保证在短时间内形成产品。但如果为现有的产品，也可以直接调用，对其中涉及到的新型的参数问题，需要结合具体的情况对相关的零部件进行自动生成和装配，在此基础上对螺旋钻杆进行性能的分析，并根据其强度输出结果。

4 结语

综上所述，采煤机在实际应用中需要积极运用新的技术，积极研究螺旋钻杆采煤机具有重要的现实意义，对其参数化设计，能保证其工业装配的要求，同时有效提升产品的规范和标准化，能不断减少产品建模的时间，从而提升工作效率，在浅层采煤作业中应用较多。本文主要结合钻式采煤机的发展和工作概况，对钻式采煤机参数化设计进行了分析。

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TD421.6

A

1671-0711（2016）12（下）-0119-02

2016年河南省科技厅科技计划项目（162102310239）。