钻式采煤机螺旋钻结构与核心技术
一、螺旋钻机组的组成及其工作原理（1）机组的组成 机组的组成如图1所示。机组由主机、钻机动力设备、通风系统、钻头和移动装置等组成。
1-螺旋钻机组主机 2-托架 3-操作台 4-液压系统5-动力装置 6-CYB-350AB型控制站 7-矿用接线开关APSH.1型8-采用BMCH-4.5型风机的通风系统 9-钻具图1 百狮-2型螺旋钻采煤机组总装图（2）机组工作原理 螺旋钻采呋组传递扭矩给和钻压给螺旋钻从钻采条带里的煤，并完成采煤过程的送钻和退钻。螺旋钻由一个左旋一个右旋的两节钻杆和它们中间的风管组成。 钻头的切割部分是一个执行机构，它由三个钻头组成。右边的螺旋钻通过减速箱传扭矩给中间钻头。如图2 通过风管不间断地向工作面通风，并用ATZ-1型瓦斯测量器测控。通过放置在风管边的软管向执行机构的喷头供水，保证降尘。两个单独的传动装置带动钻杆组的旋转。 为锁紧和开启钻杆的连接，需把钻杆连接用的带有凸轮的离合器调整到适;的位置，用有旋转传动装备的翻转机构来对正。用固定在传动架上的传动装置沿导向进行液压推进，机器下面有滑板，滑板支撑在底板上，利用滑板在巷道内移动机器。定向机构保证机器的传动架沿着煤层角度进行钻进。 机组对巷道;的水平侧推力是用液压缸来保证的。机组机械化接钻杆和撤钻杆时有一个找正装置，用它来找准定位需要钻进或撤出的在钻采带里的钻杆和风管。钻杆的安装、拆卸、储存是由安装在巷道的单轨吊完成的。 机组采下来的煤是靠放置在巷道里的刮板运输机;出的。螺旋钻机、操作台和动力装置连接在一起，沿巷道一起移动
图2二、螺旋钻构造 如图3所示，螺旋钻具是由一些很容易组装、拆卸的构件组成。钻具为两组螺旋钻杆和通风管，它们都与螺旋钻机连接。在前右螺旋钻杆和通风管之间由减速箱连接，在前左螺旋钻杆上安装了用刚性拉杆与减速箱壳体相连的轴承座。减速箱n轴承座装在下有弹簧的滑板上。在右螺旋钻杆的轴承座前面及减速箱的输出轴上装有3个钻头，钻头轴之间的距离为640mm，两则的钻头按煤层厚度采用不同直径的625mm,725mm或825mm钻头。在各种条件下，中间钻头的直径是625mm，但它的结构随着两侧钻头的直径不同而改变。所有钻头有通用的连结节，以保证把钻头安装在减速箱和轴承座的输出轴上。 执行机构的减速箱呈圆柱形，由两个轴齿轮和两个传递齿轮组成。把右螺旋钻杆的旋转传递给中心钻头。减速箱的轴——齿轮上装了有3个凸轮的半个离合器，以连接钻头和钻杆，并传递扭矩。减速箱的密封由轴上的密封圈来保证。为了避免半个离合器壳体和减速箱顶盖之间掉进煤粉，安装了迷宫密封。 执行机构的减速箱壳体上的通风管路端装了控制箱，它是一个带有法兰盘的箱式结构，利用法兰盘与通风管连结。控制箱的壳体上装了可移动的立柱，伸出壳体，并用液压缸与壳体连结。煤——岩传感器的两端液压缸与立柱相连，位置传感器的拉杆又与煤—岩传感器的壳体相连。 用齿轮泵来维持控制箱的运行。通过减速器齿轮泵与执行机构的减速箱轴牧。控制箱的两端是螺旋钻第一节左右旋钻杆，分别与左轴承节及执行机构的减速箱对接。钻杆是双头的，直径为570mm。
1－螺旋钻杆 2－中间通风管 3－轴承座4－钻头 5－变速器 6－控制箱图3 螺旋钻具
图4 螺旋钻采煤机钻头结构 
图5 螺旋钻采煤机现场实物照片 钻杆和通风管路与螺旋钻杆和控制箱相连。左边钻杆是右旋的，涂红色。右边钻杆是左旋的，涂浅灰色。钻杆是一根管子，管子上焊了一些直径为480mm的叶片。1子的端部装了有3个凸轮的、作连接用的半离合器。前面的半离合器上固定了一个输出轴，用它来对接钻杆；后面的半离合器上有自动锁，用以锁定上述的输出轴。在控制箱的壳体上还有两个径向的推杆，利用专门装置压推杆锁就可以打开。 通风组1的直线段是一根直径为320mm的管子，它的端部焊了有锁定和对接单元的法兰盘。前面法兰盘的外圆（槽）上有旋转环，旋转时它进入导向销钉上的槽沟，使这些管子相互锁定。直线段的内腔有用浸有橡胶织物制成的船帆形叶片。上部在阀旁边的管子上有个从旋转顶盖外部能1得上的切口。在管路接长时，空气通过管子上部的切口流入。与此同时，阀门从外部关上了在管子对接时开启后端的空气出口。沿着通风管路的左端，从上面固定了一个带着盖子的箱子，箱子装在可活动的连接头上。沿着盖子通过空气流通线路，并把执行机构与螺旋钻机连在一起。管子下部有两个收集器，它们是管子的切口，并焊在法兰盘附近的轴上，其位置在定心装置中间的夹子上。 为了保持两个螺旋钻杆轴线之间距离能稳定，安装了一稳定器。稳定系统是一个通风管路的直线段，在其侧面装了两个圆筒，在圆筒里装有直径为450mm的双头螺旋钻杆。稳定器圆筒管子下面有个双头犁板，用以清理钻孔的中间部分。三、螺旋钻核心技术1 螺旋钻的叶片、钻杆设计技术 螺旋钻杆是螺旋钻采煤机一个非常重要的部件，锸彼也是煤层钻孔的常用设备之一。但由于长期以来对螺旋钻杆设计参数研究甚少，其结构不尽合理，在使用过程中常常不尽如人意。为此，有必要对螺旋钻杆参数进行研究和讨论。
图6 螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面
图7 螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面四、螺旋钻的叶片１ 煤块在叶片上的运动学分析 如图8所示，取一小块煤A为研究对象。当螺旋钻杆以转速n旋转时，（忽略煤自重和叶片与煤块间的摩擦力），螺旋莞嘶竦迷仓芩俣葀g。假定现在煤块与螺旋叶片的相对滑移速度为v11，两速度合成使煤块以vm1的绝对速度沿叶片的法向方向运动。但是实际中由于煤块和叶片间存在摩擦力，使v11变成v12，相应地使vm1变成vm2，绝对速度方向偏离法向一个摩擦角β。则在叶片平均处煤块的绝对速度：
式中:D——煤块在叶片平均处直径，m
图8 煤块在螺旋叶片上的运动分析
——螺旋叶片平均升角，
，（°） 
——螺旋叶片外升角，tan
，（°）
——螺旋叶片内升角，tan
，（°） 螺旋钻杆的排煤速度：
2 螺旋钻杆装煤生产率的计算 螺旋钻杆最大可能煤流断面积
式中：
——叶片外缘直径，m
——叶片内缘直径，m
——叶片头数
——叶片厚度，＝0.03－0.04 mL——叶片导程，L＝
，m 设螺旋钻杆装煤时煤流的充满系数为
，则煤流实际断面积S＝
。因此可计算处钻杆的装煤生产率：Q=
＝
＝
图9螺旋钻叶片现场实物图
图10 螺旋钻钻具现场实物图五、螺旋钻的钻杆 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递环节,承受和传递作用于钻头上的给进力、回转扭t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。以下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。1 螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响,料的输送效果。 随着倾斜角度增大,输送能力即下降。另外倾斜角度的大小还会影响填充系数。倾斜输送系数见表3-2。物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的消耗有很大影响。当填充系数较小时,物料堆积高度较低,大部分物料靠近螺旋外侧,因而具有较高的轴向速度和较低的圆周速度,物料在输送方向上的运动要比圆周方向显著得多,运动的滑移面几乎平行于输送方向,这时垂直于输送方向的附加物料流减弱,能量消耗降低;相反,当填充系数较高时,物料运动的滑移面很陡,其在圆周方向的运动将比输送方向的运动强,这将导致输送速度的降低和附加能量的消耗。因而,填充系数适当取小值较有利,一般取Ψ<50%，煤的填充系数Ψ值为0.2-0.25。表3-2 倾斜输送系数
2 螺旋钻杆结构参数优化数学模型 1） 螺旋钻杆输煤机理
图11 煤颗粒运动速度分析 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r处的煤颗粒M作为研究对象。当钻杆以角速度ω绕轴旋转时,M的运动速度可由图2的速度三角形求解。叶片上O点的线速度v0=rω可用矢量
表示,方向为沿O点回转的切线方向;M相对于螺旋面相对滑动的速度,平行于O点的螺旋线切线方向,可用矢量
表示。当不考虑叶片摩擦时,则M绝对运动的速度v应是螺旋面上O点的法线方向,可用矢量
表示。由于煤与叶片有摩擦,煤颗粒M运动速度v的方向应与法线偏转一摩擦角Ф。对v进行分解,则可得到煤颗粒的轴向速度v1和圆周速度v2。v1就是煤的输送速度,而v2则对煤的输送有阻滞和干扰。 根据煤颗粒M运动速度图的分析,可计算出煤轴向移动的速率为:
=
(1)式中 L——螺旋叶片导程,m;n——螺旋钻杆转速,r/min;α——O点的螺旋升角,(°);µ——煤与叶片间的摩擦因数, µ＝tanФ；Ф——煤对螺旋面的摩擦角,( °)。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。2.1 螺旋钻杆输煤生产率的计算 螺旋钻杆输煤生产率Q为 Q=60vpSKc (2) 式中 Kc——煤流的充填系数; S——钻杆的最大可能装载截面积,m2; Vp——煤沿螺旋钻杆轴向流动速度,m/s。 煤沿螺旋钻杆轴向流动的速度可按螺旋叶片平均升角αc 和为螺旋叶片内、外径的升高角。由式(1)得: vp=
(3) 螺旋钻杆的最大可能装载截面积S为S=
(4) 则 Q=
nKc
(5) 式中 Dy，Dg，δ分别为螺旋叶片外径、内径、厚度； m为螺旋叶片头数。 由式(5)可知,影响Q的参数共有10个,其中m，δ可根据螺旋钻杆结构预先确定; Dy可由钻头直径和截齿径向外伸长度确定;Kc可以根据煤的机械物理性能确定; Dg,n,L,αy，αg 为5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X可表示为:X=[x1 x2 x3 x4 x5]T =[ Dg n L αy αg]T 螺旋钻杆输煤懿率Q是X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:min[-F(x)]= 
x2Kc
(6)2.2 优化约束条件的建立(1)螺旋叶片内径Dg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6增大,因此内径一般推荐为0.3Dy≤Dg≤0.4Dy则g1(x1)=0.3Dy-x1≤0g2(x)=x1-0.4Dy≤0 (2)钻杆工作转速n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6直于输送方向的跳跃翻滚,这时钻杆将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nmax=A/
D,其中A为物料综合特性系数。n≤nmax 则 g3(x)=x2-A/ ≤0(3)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,要使煤在螺旋钻杆中输送,煤在螺旋叶片上的轴向速度v1>0,即α＜∏/2-Ф.因为螺旋叶片内径Dg处的螺旋升角αg最大,而该处的煤颗粒轴向速度v1 最小,故αg＜∏/2-Ф。 煤与叶片的摩擦因数µ=0.58,而µ=tanФ,由此可以得到煤与叶片的摩擦角Ф=30°,故螺旋叶片内径Dg处的螺旋升角αg必须小于60°。实践表明,螺旋钻杆的叶片内缘升角αg一般在25°～45°范围内比较合适。 由于螺旋钻杆叶内径的范围一般为0.3 Dy～0.4Dy,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αg选取一般为8°～22°,即g4(x)=x4-22≤0g5(x)=8-x4≤0g6(x)=x5-45≤0g7(x)=25-x5≤0(4)螺旋叶导程L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v2≤v1,将式(1)代入整理得:L≤2∏r(∏/4-Ф)在螺旋叶片外缘处,2r= Dy,式可写成:L≤∏Dy(∏/4-Ф) 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:
≥0.25～0.4 螺旋叶片的螺距与叶片深度之比应满足:1.0≤
≤4.4则g8(x)=x3-∏Dytan(∏/4-Ф)≤0g9(x)=0.4m-x3cos((x4+x5)/2) ≤0g10(x)=m(Dy -x1)-2x3≤0g11(x)=x3-2.2m(Dy -x1) ≤0 (5)等式约束。螺旋叶片任意直径处的导程相等,即L=∏Dytanαu(外缘)L=∏Dytanαg(内x) 得 g12(x)=∏Dytanx4-x3=0g13(x)=∏x1tanx5-x3=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min[-F(x)]= 
x2KcX= [x1 x2 x3 x4 x5]T=[ Dg n L αy αg]T 
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。六、螺旋钻钻具的组装连接、定向、稳定控制技术 在螺旋钻采煤机钻进的过程中,由于诸多因素影响,钻头的方向往往偏离预先设定的理想方向,钻具理想的推进方向是钻具沿着煤层方向,并且垂直于巷道方向推进。影响钻具钻进方向的因素是多方面的,但主要有3个方面,即煤层的地质条件、钻具结构和钻进工艺参数。地质条件因素是不可人为改变的,因此保证钻进方向主要是通过合理设计钻具结构和调整钻进的工艺参数来实现。1 影响钻具定向钻进的因素(1)煤层地质条件 地质因素是客观因素,一旦选定煤层和钻孔方向,地质条件因素就是不可改变的。煤层在沉积过程中形成的分层面、地质力使煤掀扑樾纬傻亩狭衙,使煤层各处的性质不同,即煤是一种非均质性各向异性的物质,而且煤层中还经常夹杂着岩石在钻具钻进过程中,它们将造成钻头受力不均衡,钻头将沿着阻力最小的方向钻进,导致钻具偏斜。(2)钻具结构因素 螺旋钻采煤机献昃咧饕由钻头和钻杆组成，钻头的结构将影响其均衡受力,如果钻头受力不均衡,将使钻头偏离理想的钻进方向。为了能达到要求的钻进深度,钻杆需采用多节钻杆连接组合,长距离钻杆,要考虑钻杆抗弯刚度的影响,因为长距离钻杆其本身的重量将会使它产生弯曲,而钻杆的连接处间隙以及钻具轴向推进力的作用,都会加大这种弯曲趋势,使钻具在钻进过程中偏离理想的钻进方向。(3)钻进的工艺参数 钻进的工艺参数主要指钻具的推进力和转速钻进工艺参数的选取与所用钻进方法、煤层情况、生产率要求以及钻头、钻杆的技术参甑认喙亍Ｔ谧昃咦杲过程中,可能产生跑偏现象或钻杆弯曲,这时钻具推进力将影响钻具挠曲变形的程度。推进力加大,钻具弯曲的趋势也将增大,当其超过临界轴向压力时,还会造成钻具失稳的现象。 转速的大小决定了钻具回转所产生离心力的大小。同样,曜昃咦杲过程中产生跑偏现象时,离心力增大,将加大钻杆挠曲变形程度。另外,钻具转速越低,截割下的煤屑尺寸越大。煤块加大,不仅容易造成卡钻,阻塞煤的正常输送,而且煤块有可能堆积在钻孔与钻具环状间隙里,使钻具受力不平衡,加大钻具的跑偏。2 钻具定向控制 实现钻具定向钻进的有效手段是选择合理的钻具结构和钻进工艺参数。由于钻头的结构与钻进过程中的径向力、切向力及轴向力的作用方向和作用形式有着密切的关系,因而钻头的结构对钻具的定向钻进起着重要作用。可以通过对钻头的优化设计,保证钻头/齿的均衡受载、平稳截割,使钻头受力均衡。本文主要从钻具的其它结构进行讨论。(1)稳定器组合钻具 一般情况下钻具由钻头、螺旋钻杆和钻杆连接器组成。但为了保证在长距离钻进过程中钻具能够按要求方向定向钻进以及钻杆的稳定,可/给钻具安装稳定器,形成稳定器组合钻具。稳定器用其内圆柱表面套在钻杆上,其外径基本接近所用钻头的外径,对钻杆起支撑和稳定作用,相当于支点。同时,通过稳定器不同的安装位置,使钻头保持理想的钻进方向,以达到控制钻头方向的目的。一般来讲,稳定器不同的安装位置可以使钻头的钻进方向上仰、平直或下斜。 上仰：将第1个稳定器配装在靠近钻头的位置上,第2个稳定器配置在远离第1个稳定器的位置上。这样在钻进过程中,在靠近钻头的稳定器的支撑作用下,充分利用该稳定器后钻杆的自重使前部钻具上翘,从而使钻头钻进方向上仰。 平直：如果要使钻头仍沿原钻孔轴线平直钻进,则应在钻头后等距离配置数个稳定器(一般不少于3个且间距不宜过大。这样整个钻具在钻进过程中,由于稳定器的支撑和定位作用,钻头则可以沿平直方向钻进。 下斜：为使钻头下斜钻进,可将第1个稳定器的位置向后移,拉大它与钻头的间距。这样在钻进过程中减小稳定器对钻头的束缚,增加其自由度,依靠钻头和与之相连的钻杆的自重作用,使钻头钻进方向下斜。(2)稳定器间受压钻杆的力学模型 在钻具钻进过程中,两稳定器之间的钻杆,由于自身重力作用,有可能紧贴在下孔壁上,取该段钻杆来分析,其受力状态如图1所示。在两端处钻杆其它部分对该段钻杆的作用力可用轴向压力P表示。此外,钻杆还受到径向均布载荷q的作用。在这种受力状态下,稳定器起支承作用。
图12 钻杆的受力状态 根据图12，钻杆任意截面x处的弯矩 M(x)＝py＋1/2qx(l-x) （1） 该段钻杆挠曲线的微分方程为：
（2）令 
因此（2）是二阶线性非齐次微分方程，其通解为（看数值分析）
（3） 根据其边界条件可以得出轴向临界压力
（4） 式(4)反映了稳定器间钻杆长度l对钻杆承压能力的影响,即5稳定器间钻杆长度l减小,钻杆的承载能力提高。在已知螺旋钻采煤机的轴向推力后,根据式(4)可求得钻杆失稳临界状态下两稳定器的间距。在对稳定器进行布置时,应保证两稳定器之间的距离必须小于该间距值,并可根据钻进方向调整的要求,确定其合理距离。(3)钻具与通风筒组合稳定 通过以上分析知道,稳定器组合钻具可以控制钻具钻进过程中的上下倾斜,但对钻具的左右摆动还无法控制。由于螺旋钻采煤机多采用2个钻杆,钻杆间安装有通风筒,钻具的左右摆动使得钻具和通风筒之间发生相互碰撞,损坏设备,因此钻杆与通风筒之间的相对位置控制是十分必要的。如图13所示,可以把2个钻杆上的稳定器并排与通风筒刚性连接,使整个钻具形成一种框架结构,这样即可以保证钻具在钻进过程中与通风筒的相对位置固定,而且根据前面分析的钻头偏斜规律,即钻头左转将导致钻具左偏,右转将导致钻具右偏,当左右钻具的沧方向不同时,可以抵消摆动趋势,防止钻具向一边摆动。
图13 钻具与通风筒的组合稳定1齿轮箱2钻头3轴承座4稳定器5螺旋钻杆6通风筒(4)钻杆连接器的结构设计 钻杆连接器是钻杆组合的重要部件,通过它将一节节钻杆连接起来,使钻具能达到要求钻进深度因此其设计要求应能满足钻杆连接后,能够保持平直,连接处有足够抗扭、抗压以及抗拉强度,而且钻杆的连接、拆卸方便。每节钻杆上焊有一组连接器,如图14所示,分别为1个凸连接器和1个凹连接器。钻杆连接时一节钻杆的凸连接器与另一节钻杆的凹连接器相连。为保证钻具回拖时钻杆不脱开,而且钻杆拆卸方便,凹连接器采用如图15９剐问健Ｗ旮肆接时,凹连接器的卡块5在弹簧4的压力作用下,卡在凸连接器芯轴7的环形槽内,保证钻杆无法脱开;当需拆卸钻杆时,只需螺旋钻采煤机上的拆卸钻杆装置压下顶销1,则可推动推块2向内移动,这时推块2会将卡块5向外挤出脱开芯轴环形槽,钻杆可以退出。
图14 钻杆连接器1凸连接器2钻杆3凹连接器
图15 凹连接器1顶销2推块3压座4弹簧5卡块6连接器7凸连接器芯轴
凸连接器现 实物图 凹连接器现场实物图
1-螺旋钻机组主机 2-托架 3-操作台 4-液压系统5-动力装置 6-CYB-350AB型控制站 7-矿用接线开关APSH.1型8-采用BMCH-4.5型风机的通风系统 9-钻具图1 百狮-2型螺旋钻采煤机组总装图（2）机组工作原理 螺旋钻采呋组传递扭矩给和钻压给螺旋钻从钻采条带里的煤，并完成采煤过程的送钻和退钻。螺旋钻由一个左旋一个右旋的两节钻杆和它们中间的风管组成。 钻头的切割部分是一个执行机构，它由三个钻头组成。右边的螺旋钻通过减速箱传扭矩给中间钻头。如图2 通过风管不间断地向工作面通风，并用ATZ-1型瓦斯测量器测控。通过放置在风管边的软管向执行机构的喷头供水，保证降尘。两个单独的传动装置带动钻杆组的旋转。 为锁紧和开启钻杆的连接，需把钻杆连接用的带有凸轮的离合器调整到适;的位置，用有旋转传动装备的翻转机构来对正。用固定在传动架上的传动装置沿导向进行液压推进，机器下面有滑板，滑板支撑在底板上，利用滑板在巷道内移动机器。定向机构保证机器的传动架沿着煤层角度进行钻进。 机组对巷道;的水平侧推力是用液压缸来保证的。机组机械化接钻杆和撤钻杆时有一个找正装置，用它来找准定位需要钻进或撤出的在钻采带里的钻杆和风管。钻杆的安装、拆卸、储存是由安装在巷道的单轨吊完成的。 机组采下来的煤是靠放置在巷道里的刮板运输机;出的。螺旋钻机、操作台和动力装置连接在一起，沿巷道一起移动图2二、螺旋钻构造 如图3所示，螺旋钻具是由一些很容易组装、拆卸的构件组成。钻具为两组螺旋钻杆和通风管，它们都与螺旋钻机连接。在前右螺旋钻杆和通风管之间由减速箱连接，在前左螺旋钻杆上安装了用刚性拉杆与减速箱壳体相连的轴承座。减速箱n轴承座装在下有弹簧的滑板上。在右螺旋钻杆的轴承座前面及减速箱的输出轴上装有3个钻头，钻头轴之间的距离为640mm，两则的钻头按煤层厚度采用不同直径的625mm,725mm或825mm钻头。在各种条件下，中间钻头的直径是625mm，但它的结构随着两侧钻头的直径不同而改变。所有钻头有通用的连结节，以保证把钻头安装在减速箱和轴承座的输出轴上。 执行机构的减速箱呈圆柱形，由两个轴齿轮和两个传递齿轮组成。把右螺旋钻杆的旋转传递给中心钻头。减速箱的轴——齿轮上装了有3个凸轮的半个离合器，以连接钻头和钻杆，并传递扭矩。减速箱的密封由轴上的密封圈来保证。为了避免半个离合器壳体和减速箱顶盖之间掉进煤粉，安装了迷宫密封。 执行机构的减速箱壳体上的通风管路端装了控制箱，它是一个带有法兰盘的箱式结构，利用法兰盘与通风管连结。控制箱的壳体上装了可移动的立柱，伸出壳体，并用液压缸与壳体连结。煤——岩传感器的两端液压缸与立柱相连，位置传感器的拉杆又与煤—岩传感器的壳体相连。 用齿轮泵来维持控制箱的运行。通过减速器齿轮泵与执行机构的减速箱轴牧。控制箱的两端是螺旋钻第一节左右旋钻杆，分别与左轴承节及执行机构的减速箱对接。钻杆是双头的，直径为570mm。1－螺旋钻杆 2－中间通风管 3－轴承座4－钻头 5－变速器 6－控制箱图3 螺旋钻具图4 螺旋钻采煤机钻头结构 图5 螺旋钻采煤机现场实物照片 钻杆和通风管路与螺旋钻杆和控制箱相连。左边钻杆是右旋的，涂红色。右边钻杆是左旋的，涂浅灰色。钻杆是一根管子，管子上焊了一些直径为480mm的叶片。1子的端部装了有3个凸轮的、作连接用的半离合器。前面的半离合器上固定了一个输出轴，用它来对接钻杆；后面的半离合器上有自动锁，用以锁定上述的输出轴。在控制箱的壳体上还有两个径向的推杆，利用专门装置压推杆锁就可以打开。 通风组1的直线段是一根直径为320mm的管子，它的端部焊了有锁定和对接单元的法兰盘。前面法兰盘的外圆（槽）上有旋转环，旋转时它进入导向销钉上的槽沟，使这些管子相互锁定。直线段的内腔有用浸有橡胶织物制成的船帆形叶片。上部在阀旁边的管子上有个从旋转顶盖外部能1得上的切口。在管路接长时，空气通过管子上部的切口流入。与此同时，阀门从外部关上了在管子对接时开启后端的空气出口。沿着通风管路的左端，从上面固定了一个带着盖子的箱子，箱子装在可活动的连接头上。沿着盖子通过空气流通线路，并把执行机构与螺旋钻机连在一起。管子下部有两个收集器，它们是管子的切口，并焊在法兰盘附近的轴上，其位置在定心装置中间的夹子上。 为了保持两个螺旋钻杆轴线之间距离能稳定，安装了一稳定器。稳定系统是一个通风管路的直线段，在其侧面装了两个圆筒，在圆筒里装有直径为450mm的双头螺旋钻杆。稳定器圆筒管子下面有个双头犁板，用以清理钻孔的中间部分。三、螺旋钻核心技术1 螺旋钻的叶片、钻杆设计技术 螺旋钻杆是螺旋钻采煤机一个非常重要的部件，锸彼也是煤层钻孔的常用设备之一。但由于长期以来对螺旋钻杆设计参数研究甚少，其结构不尽合理，在使用过程中常常不尽如人意。为此，有必要对螺旋钻杆参数进行研究和讨论。图6 螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面图7 螺旋钻叶片、钻杆采煤工作面四、螺旋钻的叶片１ 煤块在叶片上的运动学分析 如图8所示，取一小块煤A为研究对象。当螺旋钻杆以转速n旋转时，（忽略煤自重和叶片与煤块间的摩擦力），螺旋莞嘶竦迷仓芩俣葀g。假定现在煤块与螺旋叶片的相对滑移速度为v11，两速度合成使煤块以vm1的绝对速度沿叶片的法向方向运动。但是实际中由于煤块和叶片间存在摩擦力，使v11变成v12，相应地使vm1变成vm2，绝对速度方向偏离法向一个摩擦角β。则在叶片平均处煤块的绝对速度： 式中:D——煤块在叶片平均处直径，m图8 煤块在螺旋叶片上的运动分析——螺旋叶片平均升角，，（°） ——螺旋叶片外升角，tan，（°）——螺旋叶片内升角，tan，（°） 螺旋钻杆的排煤速度： 2 螺旋钻杆装煤生产率的计算 螺旋钻杆最大可能煤流断面积式中：——叶片外缘直径，m——叶片内缘直径，m——叶片头数——叶片厚度，＝0.03－0.04 mL——叶片导程，L＝，m 设螺旋钻杆装煤时煤流的充满系数为，则煤流实际断面积S＝ 。因此可计算处钻杆的装煤生产率：Q=＝＝图9螺旋钻叶片现场实物图图10 螺旋钻钻具现场实物图五、螺旋钻的钻杆 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递环节,承受和传递作用于钻头上的给进力、回转扭t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。以下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。1 螺旋输送机布置时倾斜角度也将影响,料的输送效果。 随着倾斜角度增大,输送能力即下降。另外倾斜角度的大小还会影响填充系数。倾斜输送系数见表3-2。物料在料槽中的填充系数对物料的输送和能量的消耗有很大影响。当填充系数较小时,物料堆积高度较低,大部分物料靠近螺旋外侧,因而具有较高的轴向速度和较低的圆周速度,物料在输送方向上的运动要比圆周方向显著得多,运动的滑移面几乎平行于输送方向,这时垂直于输送方向的附加物料流减弱,能量消耗降低;相反,当填充系数较高时,物料运动的滑移面很陡,其在圆周方向的运动将比输送方向的运动强,这将导致输送速度的降低和附加能量的消耗。因而,填充系数适当取小值较有利,一般取Ψ<50%，煤的填充系数Ψ值为0.2-0.25。表3-2 倾斜输送系数 倾斜角度（ ） | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |
| 倾斜输送系数 | 1．0 | 0．97 | 0.94 | 0.92 | 0.88 | 0.82 | 0．76 | 0.70 | 0.64 | 0.58 | 0.52 | 0.46 |
图11 煤颗粒运动速度分析 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r处的煤颗粒M作为研究对象。当钻杆以角速度ω绕轴旋转时,M的运动速度可由图2的速度三角形求解。叶片上O点的线速度v0=rω可用矢量表示,方向为沿O点回转的切线方向;M相对于螺旋面相对滑动的速度,平行于O点的螺旋线切线方向,可用矢量表示。当不考虑叶片摩擦时,则M绝对运动的速度v应是螺旋面上O点的法线方向,可用矢量表示。由于煤与叶片有摩擦,煤颗粒M运动速度v的方向应与法线偏转一摩擦角Ф。对v进行分解,则可得到煤颗粒的轴向速度v1和圆周速度v2。v1就是煤的输送速度,而v2则对煤的输送有阻滞和干扰。 根据煤颗粒M运动速度图的分析,可计算出煤轴向移动的速率为:= (1)式中 L——螺旋叶片导程,m;n——螺旋钻杆转速,r/min;α——O点的螺旋升角,(°);µ——煤与叶片间的摩擦因数, µ＝tanФ；Ф——煤对螺旋面的摩擦角,( °)。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。2.1 螺旋钻杆输煤生产率的计算 螺旋钻杆输煤生产率Q为 Q=60vpSKc (2) 式中 Kc——煤流的充填系数; S——钻杆的最大可能装载截面积,m2; Vp——煤沿螺旋钻杆轴向流动速度,m/s。 煤沿螺旋钻杆轴向流动的速度可按螺旋叶片平均升角αc 和为螺旋叶片内、外径的升高角。由式(1)得: vp= (3) 螺旋钻杆的最大可能装载截面积S为S= (4) 则 Q= nKc (5) 式中 Dy，Dg，δ分别为螺旋叶片外径、内径、厚度； m为螺旋叶片头数。 由式(5)可知,影响Q的参数共有10个,其中m，δ可根据螺旋钻杆结构预先确定; Dy可由钻头直径和截齿径向外伸长度确定;Kc可以根据煤的机械物理性能确定; Dg,n,L,αy，αg 为5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X可表示为:X=[x1 x2 x3 x4 x5]T =[ Dg n L αy αg]T 螺旋钻杆输煤懿率Q是X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:min[-F(x)]= x2Kc (6)2.2 优化约束条件的建立(1)螺旋叶片内径Dg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6增大,因此内径一般推荐为0.3Dy≤Dg≤0.4Dy则g1(x1)=0.3Dy-x1≤0g2(x)=x1-0.4Dy≤0 (2)钻杆工作转速n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6直于输送方向的跳跃翻滚,这时钻杆将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nmax=A/D,其中A为物料综合特性系数。n≤nmax 则 g3(x)=x2-A/ ≤0(3)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,要使煤在螺旋钻杆中输送,煤在螺旋叶片上的轴向速度v1>0,即α＜∏/2-Ф.因为螺旋叶片内径Dg处的螺旋升角αg最大,而该处的煤颗粒轴向速度v1 最小,故αg＜∏/2-Ф。 煤与叶片的摩擦因数µ=0.58,而µ=tanФ,由此可以得到煤与叶片的摩擦角Ф=30°,故螺旋叶片内径Dg处的螺旋升角αg必须小于60°。实践表明,螺旋钻杆的叶片内缘升角αg一般在25°～45°范围内比较合适。 由于螺旋钻杆叶内径的范围一般为0.3 Dy～0.4Dy,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αg选取一般为8°～22°,即g4(x)=x4-22≤0g5(x)=8-x4≤0g6(x)=x5-45≤0g7(x)=25-x5≤0(4)螺旋叶导程L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v2≤v1,将式(1)代入整理得:L≤2∏r(∏/4-Ф)在螺旋叶片外缘处,2r= Dy,式可写成:L≤∏Dy(∏/4-Ф) 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:≥0.25～0.4 螺旋叶片的螺距与叶片深度之比应满足:1.0≤≤4.4则g8(x)=x3-∏Dytan(∏/4-Ф)≤0g9(x)=0.4m-x3cos((x4+x5)/2) ≤0g10(x)=m(Dy -x1)-2x3≤0g11(x)=x3-2.2m(Dy -x1) ≤0 (5)等式约束。螺旋叶片任意直径处的导程相等,即L=∏Dytanαu(外缘)L=∏Dytanαg(内x) 得 g12(x)=∏Dytanx4-x3=0g13(x)=∏x1tanx5-x3=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min[-F(x)]= x2KcX= [x1 x2 x3 x4 x5]T=[ Dg n L αy αg]T 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。六、螺旋钻钻具的组装连接、定向、稳定控制技术 在螺旋钻采煤机钻进的过程中,由于诸多因素影响,钻头的方向往往偏离预先设定的理想方向,钻具理想的推进方向是钻具沿着煤层方向,并且垂直于巷道方向推进。影响钻具钻进方向的因素是多方面的,但主要有3个方面,即煤层的地质条件、钻具结构和钻进工艺参数。地质条件因素是不可人为改变的,因此保证钻进方向主要是通过合理设计钻具结构和调整钻进的工艺参数来实现。1 影响钻具定向钻进的因素(1)煤层地质条件 地质因素是客观因素,一旦选定煤层和钻孔方向,地质条件因素就是不可改变的。煤层在沉积过程中形成的分层面、地质力使煤掀扑樾纬傻亩狭衙,使煤层各处的性质不同,即煤是一种非均质性各向异性的物质,而且煤层中还经常夹杂着岩石在钻具钻进过程中,它们将造成钻头受力不均衡,钻头将沿着阻力最小的方向钻进,导致钻具偏斜。(2)钻具结构因素 螺旋钻采煤机献昃咧饕由钻头和钻杆组成，钻头的结构将影响其均衡受力,如果钻头受力不均衡,将使钻头偏离理想的钻进方向。为了能达到要求的钻进深度,钻杆需采用多节钻杆连接组合,长距离钻杆,要考虑钻杆抗弯刚度的影响,因为长距离钻杆其本身的重量将会使它产生弯曲,而钻杆的连接处间隙以及钻具轴向推进力的作用,都会加大这种弯曲趋势,使钻具在钻进过程中偏离理想的钻进方向。(3)钻进的工艺参数 钻进的工艺参数主要指钻具的推进力和转速钻进工艺参数的选取与所用钻进方法、煤层情况、生产率要求以及钻头、钻杆的技术参甑认喙亍Ｔ谧昃咦杲过程中,可能产生跑偏现象或钻杆弯曲,这时钻具推进力将影响钻具挠曲变形的程度。推进力加大,钻具弯曲的趋势也将增大,当其超过临界轴向压力时,还会造成钻具失稳的现象。 转速的大小决定了钻具回转所产生离心力的大小。同样,曜昃咦杲过程中产生跑偏现象时,离心力增大,将加大钻杆挠曲变形程度。另外,钻具转速越低,截割下的煤屑尺寸越大。煤块加大,不仅容易造成卡钻,阻塞煤的正常输送,而且煤块有可能堆积在钻孔与钻具环状间隙里,使钻具受力不平衡,加大钻具的跑偏。2 钻具定向控制 实现钻具定向钻进的有效手段是选择合理的钻具结构和钻进工艺参数。由于钻头的结构与钻进过程中的径向力、切向力及轴向力的作用方向和作用形式有着密切的关系,因而钻头的结构对钻具的定向钻进起着重要作用。可以通过对钻头的优化设计,保证钻头/齿的均衡受载、平稳截割,使钻头受力均衡。本文主要从钻具的其它结构进行讨论。(1)稳定器组合钻具 一般情况下钻具由钻头、螺旋钻杆和钻杆连接器组成。但为了保证在长距离钻进过程中钻具能够按要求方向定向钻进以及钻杆的稳定,可/给钻具安装稳定器,形成稳定器组合钻具。稳定器用其内圆柱表面套在钻杆上,其外径基本接近所用钻头的外径,对钻杆起支撑和稳定作用,相当于支点。同时,通过稳定器不同的安装位置,使钻头保持理想的钻进方向,以达到控制钻头方向的目的。一般来讲,稳定器不同的安装位置可以使钻头的钻进方向上仰、平直或下斜。 上仰：将第1个稳定器配装在靠近钻头的位置上,第2个稳定器配置在远离第1个稳定器的位置上。这样在钻进过程中,在靠近钻头的稳定器的支撑作用下,充分利用该稳定器后钻杆的自重使前部钻具上翘,从而使钻头钻进方向上仰。 平直：如果要使钻头仍沿原钻孔轴线平直钻进,则应在钻头后等距离配置数个稳定器(一般不少于3个且间距不宜过大。这样整个钻具在钻进过程中,由于稳定器的支撑和定位作用,钻头则可以沿平直方向钻进。 下斜：为使钻头下斜钻进,可将第1个稳定器的位置向后移,拉大它与钻头的间距。这样在钻进过程中减小稳定器对钻头的束缚,增加其自由度,依靠钻头和与之相连的钻杆的自重作用,使钻头钻进方向下斜。(2)稳定器间受压钻杆的力学模型 在钻具钻进过程中,两稳定器之间的钻杆,由于自身重力作用,有可能紧贴在下孔壁上,取该段钻杆来分析,其受力状态如图1所示。在两端处钻杆其它部分对该段钻杆的作用力可用轴向压力P表示。此外,钻杆还受到径向均布载荷q的作用。在这种受力状态下,稳定器起支承作用。图12 钻杆的受力状态 根据图12，钻杆任意截面x处的弯矩 M(x)＝py＋1/2qx(l-x) （1） 该段钻杆挠曲线的微分方程为： （2）令 因此（2）是二阶线性非齐次微分方程，其通解为（看数值分析） （3） 根据其边界条件可以得出轴向临界压力 （4） 式(4)反映了稳定器间钻杆长度l对钻杆承压能力的影响,即5稳定器间钻杆长度l减小,钻杆的承载能力提高。在已知螺旋钻采煤机的轴向推力后,根据式(4)可求得钻杆失稳临界状态下两稳定器的间距。在对稳定器进行布置时,应保证两稳定器之间的距离必须小于该间距值,并可根据钻进方向调整的要求,确定其合理距离。(3)钻具与通风筒组合稳定 通过以上分析知道,稳定器组合钻具可以控制钻具钻进过程中的上下倾斜,但对钻具的左右摆动还无法控制。由于螺旋钻采煤机多采用2个钻杆,钻杆间安装有通风筒,钻具的左右摆动使得钻具和通风筒之间发生相互碰撞,损坏设备,因此钻杆与通风筒之间的相对位置控制是十分必要的。如图13所示,可以把2个钻杆上的稳定器并排与通风筒刚性连接,使整个钻具形成一种框架结构,这样即可以保证钻具在钻进过程中与通风筒的相对位置固定,而且根据前面分析的钻头偏斜规律,即钻头左转将导致钻具左偏,右转将导致钻具右偏,当左右钻具的沧方向不同时,可以抵消摆动趋势,防止钻具向一边摆动。图13 钻具与通风筒的组合稳定1齿轮箱2钻头3轴承座4稳定器5螺旋钻杆6通风筒(4)钻杆连接器的结构设计 钻杆连接器是钻杆组合的重要部件,通过它将一节节钻杆连接起来,使钻具能达到要求钻进深度因此其设计要求应能满足钻杆连接后,能够保持平直,连接处有足够抗扭、抗压以及抗拉强度,而且钻杆的连接、拆卸方便。每节钻杆上焊有一组连接器,如图14所示,分别为1个凸连接器和1个凹连接器。钻杆连接时一节钻杆的凸连接器与另一节钻杆的凹连接器相连。为保证钻具回拖时钻杆不脱开,而且钻杆拆卸方便,凹连接器采用如图15９剐问健Ｗ旮肆接时,凹连接器的卡块5在弹簧4的压力作用下,卡在凸连接器芯轴7的环形槽内,保证钻杆无法脱开;当需拆卸钻杆时,只需螺旋钻采煤机上的拆卸钻杆装置压下顶销1,则可推动推块2向内移动,这时推块2会将卡块5向外挤出脱开芯轴环形槽,钻杆可以退出。图14 钻杆连接器1凸连接器2钻杆3凹连接器图15 凹连接器1顶销2推块3压座4弹簧5卡块6连接器7凸连接器芯轴 凸连接器现 实物图 凹连接器现场实物图