1、1 緒論1.1采煤機的發展史20世紀40年代初，英國和前蘇聯相繼研制出了鏈式采煤機，這種采煤機是通過截鏈截落煤，在截鏈上安裝有被稱為截齒的專用截煤工具，其工作效率低。同時德國研制出了用刨削方式落煤的刨煤機。50年代初，英國和德國相繼研制出了滾筒式采煤機，在這種采煤機上安裝有截煤滾筒，這是一種圓筒形部件，其上安裝有截齒，用截煤滾筒實現落煤和裝煤。這種采煤機與可彎曲輸送機配套，奠定了煤炭開采機械化的基礎。這種采煤機的主要缺點有二點：其一是截煤滾筒的高度不能在使用中調整，對煤層厚度及其變化適應性差；其二是截煤滾筒的裝煤效果不佳，限制了采煤機生產率的提高。進入60年代，英國、德國、法國和前蘇聯先后對采

2、煤機的截割滾筒做出革命性改進。其一是截煤滾筒可以在使用中調整其高度，完全解決對煤層賦存條件的適應性；其二是把圓筒形截割滾筒改進成螺旋葉片式截煤滾筒，即螺旋滾筒，極大地提高了裝煤效果。這兩項關鍵的改進是滾筒式采煤機稱為現代化采煤機械的基礎。可調高螺旋滾筒采煤機或刨煤機與液壓支架和可彎曲輸送機配套，構成綜合機械化采煤設備，使煤炭生產進入高產、高效、安全和可靠的現代化發展階段。從此，綜合機械化采煤設備成為各國地下開采煤礦的發展方向。自70年代以來，綜合機械化采煤設備朝著大功率、遙控、遙測方向發展，其性能日臻完善，生產率和可靠性進一步提高。工礦自動檢測、故障診斷以及計算機數據處理和數顯等先進的監控技術

3、已經在采煤機上的到應用。1.2我國采煤機的發展展望依靠科技進步，推進技術創新，開發高產高效礦井綜合配套技術是我國煤炭科技發展的主攻方向，根據世界采煤機發展潮流和煤炭科技前沿最新消息，我國采煤機應在以下方面進行攻關研究，盡快趕上世界水平。1.2.1大功率、大截深電牽引采煤機的進一步研究為了滿足高產高效礦井發展的需要，增產減員，增產減面，實行合理化集中生產，擬研制截割功率2x500kw2x600kw，總裝機功率1200kw1500kw以上，截深0.8m1.0m的高效電牽引采煤機；電機橫向布置，框架式結構，無底托架，交流變頻調速，供電電壓3300v以上；強力型無鏈牽引系統，具有高牽引速度和牽引力；配

4、用機載增壓水泵和吸塵滾筒，操作方便，控制、保護齊全，性能良好。1.2.2大功率采煤機的工況監測、故障診斷與控制系統的研究高可靠性大功率采煤機是實現高產高效礦井合理集中生產的根本保證，采用機載計算機監測，故障診斷及自動控制系統是提高大功率采煤機可靠性和利用率的重要途徑，通過開發采煤機監測傳感器和機載計算機系統，以及地面中心站的故障診斷和維修管理專家系統，實現多參數工況監測和井下、地面兩極預報型故障診斷及維修管理專家系統等機電一體化技術，使采煤機的技術水平、工作能力得以大幅度提高，保證高效連續生產。1.2.3應用高新技術，嚴格管理，提高可靠性衡量一個國家的采煤機的技術水平，首先應對其機械設備的先進

5、行、品種、質量、可靠性、適應程度以及壽命等加以分析。我國是一個發展中國家，改革開放以來，采煤機得到了很大的發展，但生產的質量、壽命、高新技術的應用、科學管理等與世界煤炭工業發達國家相比，還存在較大的差距，國外采煤機有關部件的設計壽命是：齒輪12500h，軸承20000h30000h，電機絕緣壽命4400h，滾筒可產煤300萬噸。綜合工作面采煤機一般都裝有自動控制、診斷、數據傳輸、無線電遙控裝置，不僅操作方便，而且能通過診斷裝置預先發現故障并及時排除。我國采煤機的齒輪、軸承、滾筒、電機等主要部件的設計壽命均低于國外水平。采煤機大部分不具有監控、診斷保護功能，不能預報診斷故障，不能保證采煤機經常處

6、于正常狀態。我國要求采煤機出150萬t200萬t煤而不大修，實際上與要求還有距離。 為了滿足高產高效綜采工作面快速割煤提高生產力的需要，克服液壓牽引的繁雜，電牽引采煤機是采煤機發展的一個趨勢。與目前最先進國外采煤機相比，國內電牽引采煤機在總體參數性能方面尚有較大差距，某些關鍵部件的性能、功能、適應范圍還有待完善和提高，尤其是無線監測、故障診斷及預報、信號傳輸與采煤機自動控制、傳感器等智能化技術和機械部件的可靠性、壽命與國外相比差距甚大。根據我國煤炭生產要求和采煤機發展趨勢以及針對國內電牽引采煤機存在的差距，今后主要研究內容如下：進一步完善和提高交流變頻調速系統的可靠性。重點完善和提高系統裝置抗

7、震、散熱和防潮性能；研究可靠的微機電氣控制系統，重點提高采煤機機電控制系統的抗干擾、抗熱效應的能力；開發或增強電控系統的監控功能，重點研究故障診斷與專家系統、工況監測、顯示與信息傳輸系統、工作面采煤機自動運行控制系統、自適應變頻電路的漏電監測與保護技術、搖臂自動調高系統等；開發四象限運行的礦用交流變頻調速裝置，使采煤機能適應較大傾角煤層開采的需要；開發單機功率600kw,總裝機功率1500kw的大功率電牽引采煤機；電牽引采煤機的可利用率、可靠性和壽命的研究。1.3螺旋鉆采煤機的概述螺旋鉆采煤法在我國剛剛起步，主要用于薄煤層開采，它屬于一種無人工作面開采方法。工人在支護條件良好的巷道中工作，徹底

8、地改變了薄煤層回采工人在工作面內爬行的工作狀況，安全有了可靠的保障。螺旋鉆采煤機是在用于露天開采的螺旋鉆機的基礎上逐步改造成型的。自20世紀70年代開始，原蘇聯在這方面做了大量的研究試驗工作。烏克蘭在原有的基礎上研制出2種新型的螺旋鉆采煤機，并推備批量生產形成規模。螺旋鉆采煤機可以從巷道兩側雙向鉆孔采煤，不需要輔助的轉載設備便可回收落煤。新汶礦務局也準備從國外進口螺旋鉆采煤機，用于開采薄煤層。螺旋鉆采煤法的關鍵設備是螺旋鉆采煤機。烏克蘭研制了h1d/-m型螺旋鉆采煤機，在該機型基礎上又研制出2種新型的螺旋鉆采煤機。這2種型號螺旋鉆采煤機的工作原理、結構和開采工藝基本相同，都采用電機主傳動、液壓

9、推進的工作方式，并由主機、鉆具、多功能操作臺、單軌吊、支撐液壓千斤頂、鉆機行走腰帶、接長和疊放螺旋鉆桿的裝置、液壓泵站和風機等組成。變量液壓泵，用于驅動鉆架座和退鉆座的移動機構、鉆機固定機構和定位機構，以及移動和操縱鉆機。該機工作時，用設在機架四角4個液壓千斤頂支撐在巷道的頂底板間，用來支撐鉆機；另外用2個副向液壓千斤頂承受鉆進時的推力。鉆機由履帶行走機構在巷道內移動。螺旋鉆采煤機的工作機構是螺旋鉆具，它由鉆頭和成對的螺旋鉆扦組成。鉆具部分可根據不同的開采和地質條件安裝2-4個鉆頭，平行地鉆進2-4個鉆孔，并能部分地破碎各鉆孔間的煤枝。這樣鉆孔的寬度可從1.14m調整到2.77m，使它的效率和

10、煤炭資源回收率得以提高。鉆具上裝有5種傳感器，分別監控鉆孔內的瓦斯濃度、鉆頭旋轉扭矩、鉆孔間的煤柱、鉆孔導向、鉆頭與煤層頂底板巖層間隙等情況，并通過多功能控制裝置實現集中控制，較好地解決了鉆孔的導向、孔內的瓦斯稀釋和噴霧防塵等問題。在高瓦斯礦井，在鉆機推進過程中螺旋鉆桿將通風和噴水的軟管系統帶入鉆孔內，并用單獨的局部扇風機向孔內壓入新鮮風流，用噴水管在鉆孔內噴霧，使鉆孔內的瓦斯濃度和粉塵含量達到安全標準。螺旋鉆桿包括頂端螺旋、直線螺旋和連接部分。螺旋鉆桿的最大螺旋葉片直徑為480mm，可與直徑625nm的鉆頭相匹配。用直徑725和825mm的鉆頭時，在中間段的鉆桿上應安裝可拆卸的刮板。裝設這些

11、刮板后，在螺旋鉆桿的葉片與孔壁之間存在間隙的情況下也能將煤從鉆孔中指出來。螺旋鉆采煤機的工作效率除了與開機鉆孔時間有關外，還同鉆孔深度有關。影響螺旋鉆采煤機鉆孔深度的主要因素是推力、動力和鉆孔的傾斜。烏克蘭的科研人員將英國collins采煤機與螺旋鉆機結合起來,將collins采煤機的單鉆頭單鉆桿改為三鉆頭雙鉆桿；將非動力切割改為動力切割；在鉆頭與推桿間增加了調整油缸，使鉆頭能夠上下左右擺動，較好地解決了鉆孔傾斜問題；同時增大了螺旋鉆采煤機的推力和動力，使螺旋鉆采煤機的鉆進深度由原來的40m提高到70m。但由于鉆桿是由1m2m的短鉆桿連接而成，當鉆孔深度超過30m后，鉆桿連接機構之間的間隙將會

12、導致鉆桿的整體剛度降低，使鉆進方向發生偏斜。為此，烏克蘭頓涅茨克煤炭科學研究所研制了一種導向裝置，可確保螺旋鉆采煤機比較穩定地將鉆孔打到設計深度。這種導向裝置是在鉆桿上設計一套導向支撐管，可使鉆機在煤層的垂直和水平兩個方向實現定向鉆進。導向柱的伸縮量，可根據鉆頭的直徑選擇。為了提高螺旋鉆采煤機的回收率，德國提出一種方法所示，它通過搖控裝置使鉆頭在鉆孔內偏轉一定的角度，在回撤時使鉆頭可以繼續落煤。通過搖控裝置使鉆具的一個鉆頭偏轉一個角度，這樣可單向擴孔落煤。另一種方法是通過搖控裝置使2個鉆頭同時偏轉，與孔中心線成角，便可雙向擴孔落煤。螺旋鉆采煤機附帶有單軌吊，使鉆桿安裝、拆卸和搬運實現了機械化，

13、減少了輔助時間，提高了它的有效利用率。螺旋采煤機包括兩套分開的機組，螺旋鉆機和回收機組，在操作中，它們共同來規定螺旋鉆孔間煤柱的寬度。每臺機組均由防爆電機帶動液壓泵，它們在各個機組上獨立驅動所有液壓功能。這種螺旋采煤機結合了許多特點，包括：螺旋鉆采煤機鉆進和螺旋機刮板回收同時作業，遙控操作螺旋鉆機刮板的連接和拆開，液壓刮板轉換機構在兩個機組間供刮板和截割頭使用，操作中隨機儲備三套螺旋鉆機刮板，液壓操作平衡和操縱制動塊及千斤頂，液壓操作頂板千斤頂帶自動載荷控制裝置。高度低于零點九米的超薄煤層，在理論上為不可采煤層。該項技術不僅具有用人少、勞動強度低、安全系數高、資源損失小且無需支護等特點。還使全

14、國一千多億噸的薄煤層儲量有望得到開采，具有重要的經濟和社會價值。薄煤層螺旋鉆無人工作面開采是指回采工作面上無人，而是由螺旋鉆機全部完成工作面內的破煤、裝煤、運煤等各個工序，工作面的設備檢修也都在工作面以外的巷道中進行。研制人員經過對螺旋鉆機的進一步改造，其爬坡、移機、調向、機組防滑等性能均有了重大改善，其安全性、穩定性和先進性在現場得到了充分驗證，工效比炮采提高了10倍，直接成本每噸降低了85.7元，大大減輕了工人的勞動強度，改善了工人的作業環境1。該采煤法可廣泛地應用于開采圍巖較穩定的薄煤層和極薄煤層，并且可以用來開采邊角煤、三下壓煤和回收各種煤柱。近年來，國外許多產煤大國由于特厚煤層的開采

15、儲量日益枯竭，對螺旋鉆機采煤產生了極大興趣，螺旋鉆采煤成了開采緩傾斜薄煤層最有發展前景的一種采煤方法，這項采用螺旋鉆采煤的新技術用人少，工效高，可使平衡表外的儲量得到開采，提高了資源利用率，延長了礦井的服務年限。該項技術采用半煤巖掘進機與螺旋鉆機配套，實現了前進式采煤，利用掘進出的矸石充填鉆孔，實現了潔凈開采，保證了煤質，有利于環境保護。螺旋鉆采煤方法科學，技術路線先進，在薄煤層采用螺旋鉆無人工作面開采技術填補了國內空白，達到了國際先進水平，可在類似煤層賦存條件下的礦井中推廣應用，具有廣泛的發展前景。1.4螺旋鉆采煤機的市場價值我國薄煤層可采儲量較大，約6150m，占煤層總可采儲量的19，特別

16、是南方及需要開采解放層的局礦和一些老礦井，薄及極薄煤層必須開采，而且薄煤層、極薄煤層的煤質一般較好。如果仍采用傳統的勞動密集型方式開采薄煤層，工人勞動強度大，安全威脅極大。所以應針對不同條件選用不同的機械化生產，實現技術密集型，不斷降低工人勞動強度和減少勞動力，是薄煤層開采適應市場經濟的基本途徑。1) 螺旋鉆機在國外已有40 多年的歷史,隨著該技術的不斷改進,特別是90 年代以來實時鉆孔導向和定位技術的革新,加大了鉆進深度,提高了資源回收率。當邊幫壓煤采用露天或井工開采難以實施或不經濟時,該技術已經顯示出巨大的優勢。2) 國外螺旋鉆機的成功應用為我國露天煤礦最終邊幫壓煤的回收開采提供了新的技術

17、和方法。3) 螺旋鉆機技術無論從資源回收率,還是生產成本皆優越于國內現有邊幫開采技術。該技術在北露天煤礦的引進,將為該技術在國內的推廣起到示范作用。4) 國內不少露天煤礦已開采到或即將到最終邊幫,邊幫下壓煤數億噸。由于這些露天煤礦地質條件復雜且煤層頂底板強度較低,不適宜采用國內現有的邊幫開采方法,也不適合連續采煤機開采,而引進螺旋鉆機技術使安全和經濟的回收邊幫壓煤成為可能,因而該技術在我國露天煤礦有著廣闊的發展前景。2 設計要求及方案確定本課題設計一臺旋旋鉆采煤機，主要是應用于薄煤層的開采，根據螺旋鉆采煤機工作情況可以確定設計要求和方案。2.1設計要求2.1.1使用條件1、 采寬：1.9052

18、.105m。2、 采深：向上85m，向下45m。3、 準備巷道凈斷面不小于11.2，巷道坡度，臥底不小于0.6m，通風依賴于全礦井通風負壓。4、 煤層厚度：0.60.9m，煤層傾角0，煤的切割的阻力不大于350kn/m。5、 煤的硬度系數。6、 技術特征表：序號參數名稱單位數值1向上采煤，采深至，切割阻力：以內以內向下采煤，采深至，切割阻力：以內以內t/min2.01.51.00.752煤層厚度m0.60.93煤層傾角04防爆鉆頭直徑bshk-2dm.00.00.000abshk-2dm.00.00.000a-01bshk-2dm.00.00.000a-02mm6257258255鉆頭數量個3

19、6鉆頭之間的軸距mm6407采寬bshk-2dm.00.00.000abshk-2dm.00.00.000a-01 bshk-2dm.00.00.000a-02 mm1905200521058鉆桿直徑mm4809鉆桿轉速r/min55或6010鉆桿推進速度工作狀態 前進 后退調度狀態 前進 后退m/min01.001.702.003.511鉆進推力前進后退12推進機構類型液壓13液壓系統的油壓，不低于1614操縱桿的作用力不低于4015機組總功率kw28016工作額定電壓（三相、交流）v66017通風和降塵系統加壓的18通風管的直徑，不小于mm32519噴水量，不小于l/min5020水管噴嘴

20、的壓力，不小于mpa1.521外型尺寸不大于：長寬高mm148403870188422機組重量，不大于bshk-2dm.00.00.000abshk-2dm.00.00.000a-01bshk-2dm.00.00.000a-02t54.555.857.57、 一次移動機組的距離（兩個鉆孔之間的距離）為2.63.1m。2.1.2液壓系統1. 支撐液壓缸的行程：1300 mm。2. 推進主液壓缸：直徑125 mm，桿徑70 mm。3. 副推進液壓缸：直徑90 mm，桿徑56 mm。4. 推進機構的總行程：1900 mm。5. 導向滑道：直徑210 mm，長2555 mm。6. 風管伸縮液壓缸：伸縮

21、長度+130 mm（伸）、-120 mm（縮）。7. 油泵流量：22l/min。8. 油箱容積：350l,可波動50l。2.1.3鉆桿1. 首節鉆桿：雙頭，直徑分別為570mm、670mm、770mm。2. 中間鉆桿直徑：480 mm。3. 風筒直徑：320 mm。4. 穩定器鉆桿：直徑分別為450 mm、550 mm，650 mm，長1540+50 mm或1570+50 mm。5. 鉆桿的長度：1570（加聯軸器節30 mm深）mm。2.1.4供電系統1、 鉆頭電機功率：132kw×2。2、 液壓站電機功率：15 kw。3、 單軌吊功率：1.5 kw×2。4、 移動變壓站

22、：400kva。2.2總體方案的設計本課題主要對采煤機推進機構的設計，整個推進機構在螺旋鉆機機架上，整個上機身是通過兩個導軌支撐的，上機可以在導軌上往復滑動，推進機構主要靠兩個液壓缸組來實現，每個液壓缸組由三個液壓缸組成，分別為兩個副推進液壓缸和一個主推進液壓缸，通過液壓缸的往復運動實現其采煤掘進過程，液壓缸組通過差動連接來實現其推進行程要求，三個液壓缸通過一個夾板來固定以實現其聯動，主推進液壓缸可以自由移動，兩側的輔助液壓缸的缸體一端固定在機架上。圖2.1 推進機構推進機構的總沖程，導向器一個直徑為長度為2555的厚管，傳動框架沿導向器進行移動（其他尺寸見上圖）。圖2.2 設計方案在傳動架上

23、裝了兩個一左一右的螺旋鉆桿，中間鉆頭由左螺旋鉆帶動，通過兩對齒輪實現等比傳動。右螺旋鉆桿的軸承前及減速箱的輸出軸上裝了3個鉆頭，鉆頭軸之間的輸出距離為，兩側的鉆頭按煤層厚度采用不同的直徑、。在各種條件下中間的鉆頭直徑，它的結構由兩側鉆頭的不同而改變，所有鉆頭采用通用連接。螺旋鉆桿之間通過連接套傳遞扭矩，螺旋鉆桿的根據工況條件通過優化設計可以算出其各參數。3 螺旋鉆桿結構參數的優化設計近年來,國內外已開始采用優化設計方法進行螺旋鉆桿的結構參數設計,采煤機鉆桿優化設計的任務是在滿足裝機功率、生產率、裝載能力及制造工藝的條件下,尋求最佳鉆桿結構參數和工作參數,使采出的煤平均塊度最大,浮煤量和煤塵量最

24、小,采煤機的單位能耗最低,同時鉆桿的載荷波動最小,壽命最長。但普通的優化設計均未考慮到影響螺旋鉆桿結構參數各因素,因此設計方案難以更好地符合客觀實際。對采煤機螺旋鉆桿結構參數進行優化設計,進而求解。本文選擇螺旋鉆桿裝煤生產率作為優化設計的目標,建立了其數學模型并確定了設計變量。通過選取煤壁破碎模式、鉆桿工作轉速、葉片螺旋升角、鉆桿強度等作為約束條件,使鉆桿參數的設計結果更能符合工作實際,從而提高采煤機的工作效率。3.1煤機螺旋鉆桿結構參數優化數學模型的建立本文在理論分析基礎上,以螺旋鉆桿裝煤生產率為目標函數,對影響其結構參數和運動參數等可變參數作為設計變量,在一定約束條件下進行優化設計,并編程通過計算機計算,得出影響鉆桿裝煤生產率的幾個主要可變參數的最優值和在此情況下裝煤生產率的最大值,供鉆桿設計、制造及研究時參考。目 錄1 緒論11.1采煤機的發展史11.2我國采煤機的發展展望11.2.1大功率、大截深電牽引采煤機的進一步研究21.2.2大功率采煤機的工況監測、故障診斷與控制系統的研究21.2.3應用高新技術，嚴格管理，提高可靠性21.3螺旋鉆采煤機的概述31.4螺旋鉆采煤機的市場價值62 設計要求及方案確定82.1設計要求82.1.1使用條件82.1.2液壓系統102.