水射流采煤机切割装置设计

摘 要：高压水射流技术是近三十年来发展起来的一项新技术，在采矿、冶金、石油、建筑、化工、市政建设及医学领域得到广泛应用并取得可喜的成果。从原理上讲，它与世隔绝我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股射流作为工具进行切割、破碎和清洗物料。所不同的只是高压水射流的水压更高、喷嘴直径更细而已。水力采煤中使用的水压通常为515MP，水枪出口直径为1530mm；而高水射的水压一般在30MP以上，有的高达数百兆帕，喷嘴直径则在2mm以下，最小的可达0.1mm。因此高压水射流可以在很小的区域内集中极大的能量，例如100MP的高压水射流的能量束密度可以与激光束相匹敌。本毕业设计题目是水射流采煤机切割装置设计。主要阐述了高压水射流技术在采煤机上的应用之背景，优缺点和所需要解决的问题等方面的内容。高压水射流和采煤机联合进行破煤是一门新技术，需要解决的问题还很多。本设计主要是关于喷嘴在滚筒上的布置，水路控制系统和高压旋转密封等方面作初步的尝试。设计了一种用高压水射流控制水路，水射流辅助截齿破煤的滚筒结构。关键词：水射流； 截齿； 喷嘴； 滚筒1 水射流采煤综述1.1高压水射流概述煤炭作为我国一次能源的主体,它的持续、稳定和协调发展,无疑具有重大意义。采掘机械的技术水平则是发展煤炭工业中的关键环节。加强采掘机械的科学技术研究工作是煤炭工业增产、节约能源消耗、保障工人安全、高效率等方面的发展的重要技术手段。高压水射流技术是近几十年来逐渐发展起来的一门新兴技术。它的应用发展日趋成熟和广泛。在这种形式下，人们试途将高压水射流技术应用于矿山机械中，特别是采掘机械中，已经取得初步成果。这必将推动煤炭工业的进一步发展。高压水射流的基本原理是将具有一定的压力水通过直径较小的喷嘴形成的射流，并将这股射流作为工具进行破碎、切割和清洗等工作。一般水压在30MP以上，而喷嘴的直径仅在2mm以下。这样形成的水射流具有极高的能量，从而具有很强的打击力。高压水射流系统一般有如下几部分组成：压力源、喷嘴及其控制装置和连接它们的高压管以及其它。其附示意图如下：图1-1图中，低压泵2产生的低压水在增压器3中压力增大到指定压力值后，经过高压胶管的传送到喷嘴4形成高压水射流。数控箱6操作喷嘴移动，从而完成各种切割工作。切割后的废液经回收处理后排放。高压水射流在矿山机械中的应用，通过大量的实验和研究，已经取得了初步的成果。特别是在水射流和机械刀具联合切割破碎煤岩方面有深入研究。实验证明，水射流和机械刀具联合切割破碎煤岩比单纯采用机械刀具破碎，切割具有无可比拟的优点。是解决目前机械刀具采煤中所遇到的问题的有效尝试。 1.2刀具采煤的弊端目前刀具采煤法面临的问题主要有以下几个方面。1）机械设备变得庞大而笨重。为了大幅度提高生产能力，采煤机的发展趋势是提高传动装置功率，从而使得机械设备越来越笨重。如AM-500型采煤机，其功率是2*375KW，两个滚筒中心距离达10m,总重量为32吨。不难想像，这么笨重的庞然大物在井下有限的空间里工作，对于巷道要求、支护、运输等方面影响是很大的。2）其次是截割阻力较大，机械的稳定性和传动零件强度储备下降，造成了维护和检修上的较大困难。3）消耗量上升。大多数工作面，即使在正常工作条件下，每采1千吨煤消耗截齿达4060个，因此截齿不能及时更换，变钝了的截齿使采煤机比能耗上升，生产能力下降。机器动载荷加大，出现很高的事故率。4）劳动环境恶劣。机械刀具切割破碎煤炭，造成的矿尘污染十分严重。虽然采取了喷雾灭尘等措施，但其效果并不理想。井下工人的尘肺病发生率是比较高的。还可能造成的问题是，截齿摩擦生热引起燃烧或煤尘、瓦斯等爆炸灾害也时有发生。以上几个问题在水射流和机械刀具联合切割破碎中，可以得到缓解。这在后面的还将提到。13 DY-150采煤机设计参数及水射流的优点本毕业设计是将高压水射流应用于滚筒采煤机上，高压水射流引入到滚筒采煤机之上和截齿配合破碎煤层。如图所示：1 喷嘴2截齿座3高压管图1-24相位阀设计基本要求和参数：喷嘴数：2个高压水射流压力：30MP喷嘴直径：d=15mm采煤机型号：DY150DY150型采煤机基本参数：采高：1.32.5m截深：0.6m滚筒直径：1.25m ，1.40m滚筒转速：63r/min牵引速度：06m/min牵引力：120KN装机功率：150KW机重：125T主要特征：单滚筒，液压有链牵引。水射流采煤机具有以下优点：1） 由于水射流的辅助破碎作用，截齿受力可显著降低，因而降低了截割部的电机功率。一般功率可降低30%60%，其生产能力可提高35%40%。2） 射流对煤体的湿润和对截齿的冷却作用，极大地提高了截齿的使用寿命，以及采煤机的工作效率。3） 射流具有明显的降尘作用，比喷雾灭尘等措施降尘效果要好得多，大大地改善了采煤工作面的环境。并且水射流还能抑制截齿切割时因夹矸而导致的产生火花现象。从而有利于安全生产。4） 射流的辅助破碎作用避免了切割刀具对煤体的大量粉碎性破坏，从而大大提高了煤质的块度。这对企业的经济效益提高有很大意义。因为煤的块度越大，其销售价格越高。通常6nm以下的粒径的碎煤占总量的35%40%，如果引入高压水射流进行联合破碎切割，可使之降到15%左右。以上是从优点方面说起，不过凡事有利必有弊。水射流技术应用于采煤机毕竟还处于起步阶段。很多问题急待解决。如高压管路的拖曳，高压旋转密封的耐压能力和使用寿命，比能耗较大等等。高压水射流技术的进一步发展，必将使上述问题得到有效解决。从而使水射流技术更加广泛地应用于矿山机械领域，为我国煤炭工业现代化作出重要的贡献。2 水射流性能简介21 非淹没式水射流这里简要介绍一下采煤机上应用的非淹没连续式水射流性能。所谓非淹没式即指水射流在大气中工作，也称作气水两相射流。一、气水两相射流的水动力学结构如下图，气水两相射流有三个部分组成：图2-11-喷嘴 2-喷嘴内主流 3-喷嘴内边界层 4-射流初始段 5-射流主体段 6-正激波阵 7-打击区 8-卸 载 波 阵 9-膨 胀 区 10-靶 体 部分是射流的上游，即喷嘴内部的流动； 部分是非淹没自由射流； 部分是射流在靶体表面上的流动图形。用以描述射流和靶体之间的相互作用。二、下图是射流的水动力学结构。图2-22.2 非淹没射流的动力特性水射流动压P=，是射流内单位体积的流体所携带的能量。它含有密度和速度两个参数，综合体现了射流速度衰减以及卷吸空气量的变化规律。动压是水射流最基本的也是最重要的参数。1 ）射流在喷嘴出口处的动压P0=-喷嘴出口和入口动压-速度系数由上可知,由于水射流在喷嘴内部流动的能量损失使得喷嘴出口压力小于喷嘴入口压力。2）射流基本段上的动压分布：由实验可以证明：射流基本段上各截面的动压分布可用下式表示其规律：f（）=（1-1。5）2 式中上式也可以用于初始段之内，只是把核心段边界作为计算径向距离的起点即可。3）射流轴心动压的衰减射流轴心上的动压在核心段内保持不变，只是越过核心段以后才开始衰减。为了简化研究，一般有以下五种假设：（1） 不存在水射流卷吸作用引起的气水混合；（2） 射流边界及截面上的静压为大气压；（3） 射流在喷嘴处（出口处）为均匀流；（4） 不存在影响射流的外力，重力忽略；（5） 射流与周围气体之间不存在能量损失。根据上述理想假设，我们可以通过射流动量守恒来分析轴心上射流动压分布衰减规律，并可以求出初始段长度。在喷嘴出口处和基本段内各取截面分析，两截面处动量守恒。J0=JxJ0=Jx=2引入无量纲径向距离：图6-4由图可见流量系数的最大值相应于2=132 ，一般取2=1214。喷嘴的材质选择要根据不同条件而变化。如用于清洗，切割的水射流喷嘴，压力很低。一般可采用成本较低，容易加成形的材料，如铜、不锈钢、轴承钢、渗碳钢等。而对于那些精密切割，超高压系统中的水射流喷嘴，由于喷嘴要支称高压和高速水流的作用，要喷嘴具有足够的机械强度和耐磨性，以及耐腐蚀性。一般采用碳化钨硬质合金，金刚石或人造宝石等材料。66 喷嘴各参数对水射流性能的影响1）圆锥段收缩角大量的试验表明：当喷嘴的收缩角很小时，射流密集性比较差，而且喷嘴的轴向尺寸很长。随着收缩角的加大，出口边界层厚度减小，因此射流的密集性是随着收缩角的增加而减小。由此可见，为了保证射流的切割能力，收缩角有一个最佳值。另外,由于喷嘴的收缩作用,当加速因子达到一定值时,喷嘴内的阻力会下降,出现类似层流的阻力现象,这种现象称为层流化现象。加速因子k为：k=dy/dxk-加速因子 r-流体运动粘度v0-喷嘴内核心区速度v-边界层中流体流动速度x-射流离开喷嘴出口的距离考虑以上诸因素,一般取收缩角为：1314之间为好。2）喷嘴出口圆柱段长度：通过大量试验分析表明：随着圆柱段长度的增加，出口速度随之增加，而射流的密集性的长度却随之而减小。因此喷嘴出口圆柱段长度也存在着一个最佳值。另外，喷嘴圆柱段收缩角的大小及流体流动条件，对圆柱段的最佳长度是有一定影响的。考虑到这些因素，一般取圆柱段长度为喷嘴出口直径的2.53倍最合适。3）喷嘴内孔表面的粗糙度喷嘴内孔表面的粗糙度是决定射流品质和喷嘴的寿命的重要因素。喷嘴内孔表面微小的凸凹不平,会导致射流产生较大的初始扰动,这种扰动将引起流体的压力波动。在高速射流中，这种压力波会引起严重的局部空穴现象，如果喷嘴的材料硬度不足，喷嘴将遭到破坏。对喷嘴内孔加工粗糙度的分析其变化情况表明：随着粗糙度的增加，射流出口边界厚度增加，出口速度减小，加速因子减小，同时喷嘴内产生分离的可能性增大，层流化的可能性变小，射流的密集性和切割能力变差。因此，喷嘴内孔表面是越光滑越好。对于钢制喷嘴和碳化钨喷嘴，圆锥内表面的粗糙度最大允许值为0.2um，圆柱段内表面的最大允许粗糙度为0.1um。67失效形式：喷嘴的失效形式主要表现在以下几个方面：1）在一定的靶距上，射流的打击力下降超过允许值；2）在一定的靶距上，射流的扩散超过允许值，即射流发生了散射；3）喷嘴破裂。高压水流经过喷嘴断加速，由于喷嘴内表面的影响，水流边界发生挠动，待流到高速区时，逐渐形成涡流，同时由于喷嘴出口的收敛作用，在喷嘴出口圆柱段内也将产生涡流区，这些都能使高速水流产生气穴，并对喷嘴口内壁产生气蚀。随着气蚀作用的不断发展，使喷嘴出口内表面的粗糙度不断增大，同时横断面积增加，以致出现严重磨损状况。从喷嘴喷射出的高压水射流，由于在喷嘴内部受到某种干扰，加之在喷嘴出口处又卷入了部分空气，将使水射流发生扩散。随着气蚀损伤的发展，加剧了射流的扩散作用，且主射流的扩散超过允许值。这时喷嘴出口往往出现单边磨损的现象，加速了喷嘴的失效过程。喷嘴磨损以后，不仅使射流发生散射，而且在流量不变的情况下，将使射流喷射压力降低，从而减小了射流的打击力。这样也会导致失效。有时，喷嘴受到的液体腐蚀作用也不可忽视。68 本设计中的喷嘴由于本设计中喷嘴工作压力不大，并且数量较小，考虑这些因素，材料可用不锈钢。但最好用碳化钨合金。虽然价格贵些，但数量为多。2=13 d=1.5mm圆圆柱柱出口段长度L=4mm考虑到具体工作环境,结构如下：（和基本结构稍有不同）图6-57 滚筒结构参数 螺旋滚筒一般有叶片，端盘，筒毂三部分组成。对螺旋滚筒一般有如下要求：1）比能耗低；2）滚筒所受阻力幅值变动量小；3）具有一定的可靠性；4）自行切入煤壁之能力；5）截齿装拆方便，且不易丢失。滚筒的结构参数有如下几个方面：一、 滚筒的三个直径：1）滚筒直径D：指从滚筒截齿尖测量。滚筒直径D有一定系列：0.5、0.55、0.60、0.65、1.00、1.10、1.25、1.40、1.60、1.80、2.00、2.30、2.60m。其选择原则：（1）对于单滚筒：D H（煤厚）一次采全高D0.550.6H.往返采全高（2）对于双滚筒：D0.55H2）叶片直径Dy：截齿的最大切屑厚度受截距tmax限制。Hmax=Hmax_最大切屑厚度tmax_最大截距b,_截齿截刃宽度和截槽崩裂角。一般有如下规定：2 Hmax0.7(DDy)所以, DyD1.43(tmaxb)ctg3）筒毂直径Dg:筒毂直径Dg愈大,则滚筒内容纳碎煤的空间愈小,碎煤在滚筒内循环和被破碎的可能性愈大。一般规定：D1m时,DY/Dg2D1m时, DY/Dg2.5二、滚筒的宽度B：滚筒结构宽度B一般大于实际截深。我国的滚筒宽度系列为：500、600、630、700、750、800、900和1000mm。三、螺旋叶片升角螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定。D1250时，用双头；D1400时，用双头或3头；D1600时，用3头或4头。根据叶片的旋向，分为左旋，右旋滚筒。左旋：头数为2图7-1右旋：头数为2图7-2叶片升角ai=arctg(L_导程Di_任意直径则ay=arctg(,ay称之为螺旋滚筒的名义升角。由ay可计算出每个叶片对滚筒的围包角：By= By_叶片占有滚筒的宽度双头螺旋滚筒的叶片围包角取210,三头时取140,四头时取105.一般ay=830四、端盘：端盘一般为锥形，厚度约4050mm,倾角1530。端盘和筒毂、叶片是焊为一体的。8 截齿和喷嘴的布置81 截齿的配置在设计滚筒时，合理选择其工作参数，特别是合理选择截齿的配置方式，对于提高煤的块度，降低比能耗有着重要意义。另外对滚筒的受力也有影响，尽量使之受载荷变动较小，从而增加机器运行的稳定性。截齿在螺旋滚筒上的布置，一般用截齿配置图来表示。以MLS3170采煤机为例：见下图。 图8-1 图为截齿尖所在圆柱面的展开图。水平直线表示齿尖的运动轨迹，即截线。相邻两截线之间的距离为截距t。小圆圈代表0齿的位置；小黑点代表安装角不为0，所谓0齿指的是安装角为0，截齿斜向煤壁为正方向，而向采空区方向倾斜则为负方向。螺旋叶片和端盘上的截齿分别约占滚筒截齿数的80%和20%。由于工作条件的不同，它们配置原则也可以不同。一、 叶片截齿的配置一般根据煤的性质和采煤机的参数不同而确定截齿的配置方式、截距和每条截线上截齿数。叶片上截齿常见的配置方式有交错式和顺序式。1 交错式。这种配置方式的特点是：切屑厚度大，切屑断面形状对称，截槽两侧受力基本平衡，每条截线配置齿数只有一个。见下图所示：图8-2 2顺序式。这种配置方式的特点是：切屑断面形状不对称，截槽两侧受力不平衡，存在着侧向力。每条截线配置两个齿。 图83两者的配置方式比较起来，在相同的牵引速度下，截齿数和每个截齿的切屑厚度相差一倍。根据切屑参数的不同，各有其适用范围。一般和切屑厚度h和截距t有关,可参见下图:图84如图中所示: A适用顺序式. B适用交错式。端盘截齿的配置端盘的最靠近煤壁的边缘截线上的截齿，一般其安装角在5355之间。这样有利于滚筒斜切入煤壁。这条边缘截线上的截齿工作条件最差，因此配置的截齿数目是最多的。其靠煤壁侧的截刃一般倾斜角度在 810之间，与煤壁之间留有间隙。端盘上的截线之间距离比较小。平均截距大约是叶片截齿的一半。每条截线上的截齿数一般应比叶片上的截线布置的截齿数要多23个截齿。端盘截齿一般分为24组，每组有一个0截齿，26个倾斜安装的截齿，倾角应随着滚筒转向从小到大的顺序排列。截距应从煤壁逐渐向外增大，每组截齿中还可设一个向采空区倾斜2030的截齿，以抵消一部分滚筒的轴向力。端盘截齿的配置也是极其重要的。8.2喷嘴在滚筒上的布置根据喷嘴数目，以及喷嘴和截齿联合破煤方式之不同，可分为两种情况。1)喷嘴数量较少，其配置和截齿无关。2)水射流喷嘴与截齿进行对应布置。第一种情况见于辅助法之中，喷嘴数可有2个，4个，6个等；第二种情况则常见于结合法之中，所需喷嘴数目较多，加工，结构设计比较困难。 总之，回顾高压水射流技术发展概况，大体上可分为四个阶段。即60年代初期的探索试验阶段，主要为低压水射流采矿；60年代初至70年代初为基础设备研制和攻关阶段，主要研制高压泵、增压器和高压管件及推广高压水射流清洗技术；70年代初至80年代初为工业试验及工业应用阶段，主要特点是大量的高压水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世并进行了工业试验，其应用领域也由采矿发展到其他领域；80年代以来是高压水射流技术迅速发展阶段，主要特点是高压水射流技术的研究进一步深化，磨料射流、空化射流等新型水射流发展更快，许多产品已达到商品化。一个能够根据实际需要自如地控制高压水射流技术特性，为人类服务的新时代即将到来。结 束 语本次毕业设计的课题是水射流采煤机切割装置。经过自己的努力和指导老师的悉心指导，我绘制出了DY-150采煤机滚筒装配图，旋转密封装置图和旋转密封内轴图，及箱体分布图。领会到了切割系统设计的思想。毕业设计是大学所学知识的综合应用，使我的专业基础得到一次全面的训练与巩固。在设计高压水射流喷嘴过程中，拟订旋转密封装置原理图时，我不仅要根据滚筒对喷嘴的要求，而且要注意到系统安全可靠性。在绘制装配图时，体会很多。要画滚筒装配图，得认真全面的考虑每个细节，在选择液压元件时，注意到元件的材料、成本、实用等方方面面。总体上还要注意结构的合理布置，以便于安装与维护。这次设计使用了CAD电子图板画图，从中体会到这种软件的优缺点，同时在画图过程中发现了自己制图的薄弱处，经过画图、看书的反复练习，自己在画图方面收获很大，领悟到熟能生巧道理。 通过这次毕业设计，我受益匪浅，自己的专业基础水平得到一次很好的锻炼。通过本次毕业设计的经历也会使我终身受益，我感受到做毕业设计是要真真正正用心去做的一件事情，是自己的一种锻炼，在锻炼中让我不断进步。 参考文献1 陆宏圻著射流泵技术的理论及应用水利电力出版社，1987年2周荣 、严万生编著矿山固定机械手册煤炭工业出版社，1986年3 戴绍诚、李世文、李芬等编著高产高效、综合机械化采煤技术与装备。上篇 煤炭工业出版社，1998年4 胡非、陈更林编矿山压气设备中国矿业大学出版社，1994年5 徐灏主编机械设计手册机械工业出版社，1991年6 张利平主编液压站设计与使用海洋出版社，2004年7 崔谟慎、孙家俊编高压水射流技术煤炭工业出版社，1993年8 孙家俊主编水射流切割技术中国矿业大学出版社，1992年9王启广、李炳文、黄嘉兴编采掘机械与支护设备中国矿业大学出版社，2006年10张景松 编著流体机械中国矿业大学出版社，2005年11章宏甲、黄谊主编液压传动机械工业出版社，2005年12陶驰东：采掘机械，煤炭工业出版社，1985年13王晓敏等译：高压水射流技术译文集，煤炭工业出1982年14高压水射流，徐州，高压水射流情报中心站，总146期，1979年1992年15能源部编煤矿安全规程北京：煤炭工业出版社，1992年16容观海编煤矿电工手册（第四分册）北京：煤炭工业出版社，1980年