摘要：为解决北方冬季冻煤卸车问题，设计了一种卸冻煤的截齿卸煤机。介绍了传动部件和螺旋部件的设计。通过对螺旋截齿配置与牵引速度进行合理匹配，设计出一种新型的截齿卸煤机，能大大提高卸车效率。

关键词：港口 截齿 卸煤机 设计

目前，用于卸火车车厢内散货的设备有螺旋卸车机、链斗卸车机等。其中螺旋卸车机是一种靠重力将滚筒沉入煤炭，再利用滚筒上螺旋推挤散货进行卸车的机械。它对于冻煤卸车却无能为力。矿用采煤机利用带有截齿的滚筒旋转将煤层破碎，对硬煤及冻煤有很强的切割能力。两者相结合，设计出了一种卸冻煤的截齿卸煤机。

1.冻煤的截割破碎

1. 1 冻煤的截割破碎过程

冻煤截割过程为刀尖开始接触煤体的极短时间内，刀尖接触的局部范围内产生弹性变形，接着产生接触集中应力并逐渐增大。当它超过某个极限值时，被压碎成细粉而形成密实核。密实核积聚的能量越来越多，在密实核与冻煤体表面交接点处发生小块脱落。常用截割比能耗的大小来说明截割过程的效率，其被定义为截割单位体积煤所消耗的能量。截割比能耗为(单位：/m3)

Hm=ZgLgr/G (1)

其中：Z 平均截割阻力(N)

L 截割路程(m)

r 煤的密度(kg/m3)， r=(1. 3-1. 35)g103

G 截割破碎的煤质量(kg)

1. 2 截割条件和参数

截割过程中，刀头的侧面也受到煤体的挤压。截槽两侧崩裂角的大小取决于煤质和切削厚度。相邻截槽的间距，t称为截距。截距和切削厚度是截割过程的两项基本参数。在开始截割的短时间内，如果截距t﹥b+(5~6)h，相邻截槽的截割过程互不影响，就产生平面截割的情况(式中b为刀具直径，h为切削厚度)。截割比能耗在截距b+(1~1.4)h时最小，这个截距被认为是最佳截距。当截距小于最佳截距时，由于切削断面太小，截割比能耗较高。当截距大于最佳截距时，由于削断面增大，相邻截槽的相互影响减弱，截割阻增大，故截割比能耗反而增大。螺旋滚筒的截距一般为6-8 cm，平均切削厚度是4-6cm[1]。

截割比能耗和切削厚度有近似双曲线关系，随着切削厚度加大，截割比能耗也逐渐降低。

2.传动部件的设计与计算

该设备的特殊性在于切割冻煤。由于秦皇岛不是高寒地区，运输过程中产生的煤炭冻结不是很难被破碎，所以参考煤矿的截割比能耗再加上港口要求的卸冻车效率(400t/h)，按常规设计即可完成传动部件计算。选电动机型号Y280S-6，减速器型号ZQ500-16-Ⅵ-Z，计算过程略。

3.螺旋部件的设计

3. 1 螺旋滚筒的工作原理

螺旋滚筒是一个带有螺旋叶片的圆柱体，刀具装在焊于螺旋叶片的齿座中，工作时滚筒转动，开始截割破碎煤炭，再由螺旋叶片把煤沿滚筒的轴线方向从车厢里推运出来。

1)螺旋直径

通常所说的滚筒直径是指刀尖所在圆的直径Dc。齿座焊到叶片上后，螺旋叶片的最大回转直径Dy，称为叶片直径。螺旋叶片的内缘和筒毂相结合处的直径Dg称为筒毂直径。

2)螺旋升角

螺旋叶片的表面是螺旋面，其上任意点的螺旋升角为

ai=arctanSi/ Di (2)

式中：Di 该点所在螺旋线的直径

Si 该点所在螺旋线的螺距

滚筒的叶片螺旋升角增大，则甩煤的分力加大，循环系数也增大。螺旋升角取18 -30 时循环系数最小，卸煤效果较好[2]。

3)螺旋滚筒的转速、切削厚度及牵引速度滚筒转速对滚筒的截割和装载过程影响很大，是一个比较重要的参数。滚筒转速过高则切削太薄，比能耗也较高，还会引起循环煤增多，但转速高可以提高滚筒的装载能力。且滚筒转速不能过低，否则会在牵引速度并不高时就出现滚筒堵塞现象。

由于对冻煤卸车效率要求不是太高，通过分析滚筒转速取30~40r/min较适宜。当滚筒以40 r/min的转速转动，并以牵引速度为(r/min)做径向移动时，截齿做弧形截割。经综合考虑，在本设计中滚筒转速取40r/min。最大切削厚度可按下式计算[3]：

hmax=1000vq/ngm (3)

式中：m 同一截线上的截齿数；

n 滚筒的转速；

Vq 牵引速度。

随着牵引速度的提高，滚筒内碎煤的堆积面积升高，当牵引速度相当高时，碎煤可能漫溢滚筒筒毂，因此牵引速度不易过大。根据冻煤实际及卸煤机的使用情况，将工作牵引速度取为Vq=5m/min。

4)叶片头数

为了调节滚筒叶片的螺旋升角，常采用多头螺旋叶片的滚筒。设计时应满足下式

2s/N(Dy－Dg)k (4)

式中： S 螺旋叶片导程；

N 为叶片头数；本滚筒属小直径滚筒，取系数k=1.5；

当煤的力学性质变化较大，卸煤机的装载功率又小时，可采用双头螺旋滚筒，以便在必要时把每条截线安设的刀具数减少为1，故选此截齿卸煤机螺旋头数为双头。截齿数取决于截齿配置型式和螺旋叶片头数。当采用双头螺旋、棋盘式配置时，截齿数Z=1。

由于设计的截齿齿座宽为42mm，所以螺旋宽度取45mm。

3. 2 关于滚筒的截齿排列

1)截齿排列模式

截齿排列的好坏、截线距选择恰当与否，直接影响粉尘及卸煤机的振动稳定性。因此，通过截齿切削图，研究截齿卸煤机螺旋叶片上截齿的排列形式对卸煤效率的影响。

一个好的截齿排列，应能使卸煤机采出的煤块度大，产生的粉尘小，且机器的振动小。因此，对不同结构和工作参数的卸煤机滚筒应采用不同的截齿排列模式。切削图是截齿通过最大切削厚度的那个面留下的痕迹，它的断面形状与煤的块度直接相关。切削图的断面形状越接近 正方形 越好，越为 细长形 越差[4]。此外由于截齿在截煤过程中所产生的截槽会向两侧崩落，在截齿排列时要充分利用截槽的崩落效应。

根据实际情况，选择最佳的截齿排列模式为棋盘式配置。截齿是按一个跳一个的次序进行截割的，每个截齿两侧的受力基本是平衡的，切削断面较大，形状接近对称，所以有利于降低截割比能耗和截齿的侧向力。

2)螺旋的受力分析

根据单个截齿的受力，就可以计算出滚筒在某一位置时沿着牵引方向、垂直牵引方向和垂直

煤壁方向上的三个力和力矩，在此处记为

v = { Fa， vb， Fc， Ma， Mb， Mc}

实际应用中以离散形式表示，将圆周等分为36个分点来计算载荷的均值和波动系数。

在设计滚筒时，应该使滚筒的载荷波动系数值最小。

螺旋滚筒装煤量Q(t/h)为：

Q=60p(D2y-D2g)smn fK/4

式中：Dy 叶片直径，m；

Dg 筒毂直径，m；

S 螺距，m；

m 螺旋头数；

n 滚筒转速， r/min；

散体煤容量， t/m；

f 螺旋有效断面的充填系数；

K 考虑由螺旋实际装入输送机的煤量系数。

3. 3 截齿及齿座的设计

截齿是要经常更换的易损件，对吨煤成本有一定影响。所以提高截齿的性能，正确设计和安装截齿，可提高卸煤机生产效率并降低生产成本。截齿卸煤机采用的截齿，可以分为两大类：扁截齿和镐形截齿。截割煤质坚韧，层理和节理不发达以及切削较厚时，用扁截齿为宜；但当截割不含大量坚硬夹杂物的较软煤层及切削较薄时，易采用镐形齿，其有比较明显的优点。当设计、制造和安装都合理时，可实现自磨刃，能够保持齿尖的锐利，这时截齿出现的磨损为均匀磨损，截齿使用寿命长。

截齿齿身常用30-35CrMnSi、30-35SiMnV或40Cr钢制作，并调制处理，截齿头部镶嵌碳化钨硬质合金，还可以在镐形截齿头部堆焊薄层硬质合金。

截齿卸煤机齿座材料选择20CrNiMo。

4.结论

秦皇岛港是世界上最大的煤炭输出港之一，港内装备的翻车机系统大多具有解冻装置。但二十余台螺旋卸车机不能卸冻煤，全靠人工卸冻车。截齿卸煤机的研制，将使港内的卸车作业提高到一个新的水平。