水射流采煤機(jī)切割裝置設(shè)計

1、摘 要：高壓水射流技術(shù)是近三十年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，在采礦、冶金、石油、建筑、化工、市政建設(shè)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得可喜的成果。從原理上講，它與世隔絕我國煤礦中使用已久的水力采煤技術(shù)基本相同，都是把具有一定壓力的水通過直徑較小的噴嘴形成射流，將這股射流作為工具進(jìn)行切割、破碎和清洗物料。所不同的只是高壓水射流的水壓更高、噴嘴直徑更細(xì)而已。水力采煤中使用的水壓通常為515MP，水槍出口直徑為1530mm；而高水射的水壓一般在30MP以上，有的高達(dá)數(shù)百兆帕，噴嘴直徑則在2mm以下，最小的可達(dá)0.1mm。因此高壓水射流可以在很小的區(qū)域內(nèi)集中極大的能量，例如100MP的高壓水射流的能量束密度可以

2、與激光束相匹敵。本畢業(yè)設(shè)計題目是水射流采煤機(jī)切割裝置設(shè)計。主要闡述了高壓水射流技術(shù)在采煤機(jī)上的應(yīng)用之背景，優(yōu)缺點和所需要解決的問題等方面的內(nèi)容。高壓水射流和采煤機(jī)聯(lián)合進(jìn)行破煤是一門新技術(shù)，需要解決的問題還很多。本設(shè)計主要是關(guān)于噴嘴在滾筒上的布置，水路控制系統(tǒng)和高壓旋轉(zhuǎn)密封等方面作初步的嘗試。設(shè)計了一種用高壓水射流控制水路，水射流輔助截齒破煤的滾筒結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：水射流； 截齒； 噴嘴； 滾筒1 水射流采煤綜述1.1高壓水射流概述煤炭作為我國一次能源的主體,它的持續(xù)、穩(wěn)定和協(xié)調(diào)發(fā)展,無疑具有重大意義。采掘機(jī)械的技術(shù)水平則是發(fā)展煤炭工業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。加強(qiáng)采掘機(jī)械的科學(xué)技術(shù)研究工作是煤炭工業(yè)增產(chǎn)、節(jié)約

3、能源消耗、保障工人安全、高效率等方面的發(fā)展的重要技術(shù)手段。高壓水射流技術(shù)是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它的應(yīng)用發(fā)展日趨成熟和廣泛。在這種形式下，人們試途將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用于礦山機(jī)械中，特別是采掘機(jī)械中，已經(jīng)取得初步成果。這必將推動煤炭工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。高壓水射流的基本原理是將具有一定的壓力水通過直徑較小的噴嘴形成的射流，并將這股射流作為工具進(jìn)行破碎、切割和清洗等工作。一般水壓在30MP以上，而噴嘴的直徑僅在2mm以下。這樣形成的水射流具有極高的能量，從而具有很強(qiáng)的打擊力。高壓水射流系統(tǒng)一般有如下幾部分組成：壓力源、噴嘴及其控制裝置和連接它們的高壓管以及其它。其附示意圖如下：圖1-1

4、圖中，低壓泵2產(chǎn)生的低壓水在增壓器3中壓力增大到指定壓力值后，經(jīng)過高壓膠管的傳送到噴嘴4形成高壓水射流。數(shù)控箱6操作噴嘴移動，從而完成各種切割工作。切割后的廢液經(jīng)回收處理后排放。高壓水射流在礦山機(jī)械中的應(yīng)用，通過大量的實驗和研究，已經(jīng)取得了初步的成果。特別是在水射流和機(jī)械刀具聯(lián)合切割破碎煤巖方面有深入研究。實驗證明，水射流和機(jī)械刀具聯(lián)合切割破碎煤巖比單純采用機(jī)械刀具破碎，切割具有無可比擬的優(yōu)點。是解決目前機(jī)械刀具采煤中所遇到的問題的有效嘗試。 1.2刀具采煤的弊端目前刀具采煤法面臨的問題主要有以下幾個方面。1）機(jī)械設(shè)備變得龐大而笨重。為了大幅度提高生產(chǎn)能力，采煤機(jī)的發(fā)展趨勢是提高傳動裝置功率，

5、從而使得機(jī)械設(shè)備越來越笨重。如AM-500型采煤機(jī)，其功率是2*375KW，兩個滾筒中心距離達(dá)10m,總重量為32噸。不難想像，這么笨重的龐然大物在井下有限的空間里工作，對于巷道要求、支護(hù)、運輸?shù)确矫嬗绊懯呛艽蟮摹?）其次是截割阻力較大，機(jī)械的穩(wěn)定性和傳動零件強(qiáng)度儲備下降，造成了維護(hù)和檢修上的較大困難。3）消耗量上升。大多數(shù)工作面，即使在正常工作條件下，每采1千噸煤消耗截齒達(dá)4060個，因此截齒不能及時更換，變鈍了的截齒使采煤機(jī)比能耗上升，生產(chǎn)能力下降。機(jī)器動載荷加大，出現(xiàn)很高的事故率。4）勞動環(huán)境惡劣。機(jī)械刀具切割破碎煤炭，造成的礦塵污染十分嚴(yán)重。雖然采取了噴霧滅塵等措施，但其效果并不理想。

6、井下工人的塵肺病發(fā)生率是比較高的。還可能造成的問題是，截齒摩擦生熱引起燃燒或煤塵、瓦斯等爆炸災(zāi)害也時有發(fā)生。以上幾個問題在水射流和機(jī)械刀具聯(lián)合切割破碎中，可以得到緩解。這在后面的還將提到。13 DY-150采煤機(jī)設(shè)計參數(shù)及水射流的優(yōu)點本畢業(yè)設(shè)計是將高壓水射流應(yīng)用于滾筒采煤機(jī)上，高壓水射流引入到滾筒采煤機(jī)之上和截齒配合破碎煤層。如圖所示：1 噴嘴2截齒座3高壓管圖1-24相位閥設(shè)計基本要求和參數(shù)：噴嘴數(shù)：2個高壓水射流壓力：30MP噴嘴直徑：d=15mm采煤機(jī)型號：DY150DY150型采煤機(jī)基本參數(shù)：采高：1.32.5m截深：0.6m滾筒直徑：1.25m ，1.40m滾筒轉(zhuǎn)速：63r/min牽

7、引速度：06m/min牽引力：120KN裝機(jī)功率：150KW機(jī)重：125T主要特征：單滾筒，液壓有鏈牽引。水射流采煤機(jī)具有以下優(yōu)點：1） 由于水射流的輔助破碎作用，截齒受力可顯著降低，因而降低了截割部的電機(jī)功率。一般功率可降低30%60%，其生產(chǎn)能力可提高35%40%。2） 射流對煤體的濕潤和對截齒的冷卻作用，極大地提高了截齒的使用壽命，以及采煤機(jī)的工作效率。3） 射流具有明顯的降塵作用，比噴霧滅塵等措施降塵效果要好得多，大大地改善了采煤工作面的環(huán)境。并且水射流還能抑制截齒切割時因夾矸而導(dǎo)致的產(chǎn)生火花現(xiàn)象。從而有利于安全生產(chǎn)。4） 射流的輔助破碎作用避免了切割刀具對煤體的大量粉碎性破壞，從而大

8、大提高了煤質(zhì)的塊度。這對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提高有很大意義。因為煤的塊度越大，其銷售價格越高。通常6nm以下的粒徑的碎煤占總量的35%40%，如果引入高壓水射流進(jìn)行聯(lián)合破碎切割，可使之降到15%左右。以上是從優(yōu)點方面說起，不過凡事有利必有弊。水射流技術(shù)應(yīng)用于采煤機(jī)畢竟還處于起步階段。很多問題急待解決。如高壓管路的拖曳，高壓旋轉(zhuǎn)密封的耐壓能力和使用壽命，比能耗較大等等。高壓水射流技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將使上述問題得到有效解決。從而使水射流技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于礦山機(jī)械領(lǐng)域，為我國煤炭工業(yè)現(xiàn)代化作出重要的貢獻(xiàn)。2 水射流性能簡介21 非淹沒式水射流這里簡要介紹一下采煤機(jī)上應(yīng)用的非淹沒連續(xù)式水射流性能。所謂非

9、淹沒式即指水射流在大氣中工作，也稱作氣水兩相射流。一、氣水兩相射流的水動力學(xué)結(jié)構(gòu)如下圖，氣水兩相射流有三個部分組成：圖2-11-噴嘴 2-噴嘴內(nèi)主流 3-噴嘴內(nèi)邊界層 4-射流初始段 5-射流主體段 6-正激波陣 7-打擊區(qū) 8-卸 載 波 陣 9-膨 脹 區(qū) 10-靶 體 部分是射流的上游，即噴嘴內(nèi)部的流動； 部分是非淹沒自由射流； 部分是射流在靶體表面上的流動圖形。用以描述射流和靶體之間的相互作用。二、下圖是射流的水動力學(xué)結(jié)構(gòu)。圖2-22.2 非淹沒射流的動力特性水射流動壓P=，是射流內(nèi)單位體積的流體所攜帶的能量。它含有密度和速度兩個參數(shù)，綜合體現(xiàn)了射流速度衰減以及卷吸空氣量的變化規(guī)律。動

10、壓是水射流最基本的也是最重要的參數(shù)。1 ）射流在噴嘴出口處的動壓P0=-噴嘴出口和入口動壓-速度系數(shù)由上可知,由于水射流在噴嘴內(nèi)部流動的能量損失使得噴嘴出口壓力小于噴嘴入口壓力。2）射流基本段上的動壓分布：由實驗可以證明：射流基本段上各截面的動壓分布可用下式表示其規(guī)律：f（）=（1-1。5）2 式中上式也可以用于初始段之內(nèi)，只是把核心段邊界作為計算徑向距離的起點即可。3）射流軸心動壓的衰減射流軸心上的動壓在核心段內(nèi)保持不變，只是越過核心段以后才開始衰減。為了簡化研究，一般有以下五種假設(shè)：（1） 不存在水射流卷吸作用引起的氣水混合；（2） 射流邊界及截面上的靜壓為大氣壓；（3） 射流在噴嘴處（出

11、口處）為均勻流；（4） 不存在影響射流的外力，重力忽略；（5） 射流與周圍氣體之間不存在能量損失。根據(jù)上述理想假設(shè)，我們可以通過射流動量守恒來分析軸心上射流動壓分布衰減規(guī)律，并可以求出初始段長度。在噴嘴出口處和基本段內(nèi)各取截面分析，兩截面處動量守恒。J0=JxJ0=Jx=2引入無量綱徑向距離：圖6-4由圖可見流量系數(shù)的最大值相應(yīng)于2=132 ，一般取2=1214。噴嘴的材質(zhì)選擇要根據(jù)不同條件而變化。如用于清洗，切割的水射流噴嘴，壓力很低。一般可采用成本較低，容易加成形的材料，如銅、不銹鋼、軸承鋼、滲碳鋼等。而對于那些精密切割，超高壓系統(tǒng)中的水射流噴嘴，由于噴嘴要支稱高壓和高速水流的作用，要噴嘴

12、具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，以及耐腐蝕性。一般采用碳化鎢硬質(zhì)合金，金剛石或人造寶石等材料。66 噴嘴各參數(shù)對水射流性能的影響1）圓錐段收縮角大量的試驗表明：當(dāng)噴嘴的收縮角很小時，射流密集性比較差，而且噴嘴的軸向尺寸很長。隨著收縮角的加大，出口邊界層厚度減小，因此射流的密集性是隨著收縮角的增加而減小。由此可見，為了保證射流的切割能力，收縮角有一個最佳值。另外,由于噴嘴的收縮作用,當(dāng)加速因子達(dá)到一定值時,噴嘴內(nèi)的阻力會下降,出現(xiàn)類似層流的阻力現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為層流化現(xiàn)象。加速因子k為：k=dy/dxk-加速因子 r-流體運動粘度v0-噴嘴內(nèi)核心區(qū)速度v-邊界層中流體流動速度x-射流離開噴嘴出口的距

13、離考慮以上諸因素,一般取收縮角為：1314之間為好。2）噴嘴出口圓柱段長度：通過大量試驗分析表明：隨著圓柱段長度的增加，出口速度隨之增加，而射流的密集性的長度卻隨之而減小。因此噴嘴出口圓柱段長度也存在著一個最佳值。另外，噴嘴圓柱段收縮角的大小及流體流動條件，對圓柱段的最佳長度是有一定影響的?？紤]到這些因素，一般取圓柱段長度為噴嘴出口直徑的2.53倍最合適。3）噴嘴內(nèi)孔表面的粗糙度噴嘴內(nèi)孔表面的粗糙度是決定射流品質(zhì)和噴嘴的壽命的重要因素。噴嘴內(nèi)孔表面微小的凸凹不平,會導(dǎo)致射流產(chǎn)生較大的初始擾動,這種擾動將引起流體的壓力波動。在高速射流中，這種壓力波會引起嚴(yán)重的局部空穴現(xiàn)象，如果噴嘴的材料硬度不足

14、，噴嘴將遭到破壞。對噴嘴內(nèi)孔加工粗糙度的分析其變化情況表明：隨著粗糙度的增加，射流出口邊界厚度增加，出口速度減小，加速因子減小，同時噴嘴內(nèi)產(chǎn)生分離的可能性增大，層流化的可能性變小，射流的密集性和切割能力變差。因此，噴嘴內(nèi)孔表面是越光滑越好。對于鋼制噴嘴和碳化鎢噴嘴，圓錐內(nèi)表面的粗糙度最大允許值為0.2um，圓柱段內(nèi)表面的最大允許粗糙度為0.1um。67失效形式：噴嘴的失效形式主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）在一定的靶距上，射流的打擊力下降超過允許值；2）在一定的靶距上，射流的擴(kuò)散超過允許值，即射流發(fā)生了散射；3）噴嘴破裂。高壓水流經(jīng)過噴嘴斷加速，由于噴嘴內(nèi)表面的影響，水流邊界發(fā)生撓動，待流到高速區(qū)

15、時，逐漸形成渦流，同時由于噴嘴出口的收斂作用，在噴嘴出口圓柱段內(nèi)也將產(chǎn)生渦流區(qū)，這些都能使高速水流產(chǎn)生氣穴，并對噴嘴口內(nèi)壁產(chǎn)生氣蝕。隨著氣蝕作用的不斷發(fā)展，使噴嘴出口內(nèi)表面的粗糙度不斷增大，同時橫斷面積增加，以致出現(xiàn)嚴(yán)重磨損狀況。從噴嘴噴射出的高壓水射流，由于在噴嘴內(nèi)部受到某種干擾，加之在噴嘴出口處又卷入了部分空氣，將使水射流發(fā)生擴(kuò)散。隨著氣蝕損傷的發(fā)展，加劇了射流的擴(kuò)散作用，且主射流的擴(kuò)散超過允許值。這時噴嘴出口往往出現(xiàn)單邊磨損的現(xiàn)象，加速了噴嘴的失效過程。噴嘴磨損以后，不僅使射流發(fā)生散射，而且在流量不變的情況下，將使射流噴射壓力降低，從而減小了射流的打擊力。這樣也會導(dǎo)致失效。有時，噴嘴受到

16、的液體腐蝕作用也不可忽視。68 本設(shè)計中的噴嘴由于本設(shè)計中噴嘴工作壓力不大，并且數(shù)量較小，考慮這些因素，材料可用不銹鋼。但最好用碳化鎢合金。雖然價格貴些，但數(shù)量為多。2=13 d=1.5mm圓圓柱柱出口段長度L=4mm考慮到具體工作環(huán)境,結(jié)構(gòu)如下：（和基本結(jié)構(gòu)稍有不同）圖6-57 滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù) 螺旋滾筒一般有葉片，端盤，筒轂三部分組成。對螺旋滾筒一般有如下要求：1）比能耗低；2）滾筒所受阻力幅值變動量??；3）具有一定的可靠性；4）自行切入煤壁之能力；5）截齒裝拆方便，且不易丟失。滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)有如下幾個方面：一、 滾筒的三個直徑：1）滾筒直徑D：指從滾筒截齒尖測量。滾筒直徑D有一定系列：0.5

17、、0.55、0.60、0.65、1.00、1.10、1.25、1.40、1.60、1.80、2.00、2.30、2.60m。其選擇原則：（1）對于單滾筒：D H（煤厚）一次采全高D0.550.6H.往返采全高（2）對于雙滾筒：D0.55H2）葉片直徑Dy：截齒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,_截齒截刃寬度和截槽崩裂角。一般有如下規(guī)定：2 Hmax0.7(DDy)所以, DyD1.43(tmaxb)ctg3）筒轂直徑Dg:筒轂直徑Dg愈大,則滾筒內(nèi)容納碎煤的空間愈小,碎煤在滾筒內(nèi)循環(huán)和被破碎的可能性愈大。一般規(guī)定：D>1m時,DY/D

18、g2D1m時, DY/Dg>2.5二、滾筒的寬度B：滾筒結(jié)構(gòu)寬度B一般大于實際截深。我國的滾筒寬度系列為：500、600、630、700、750、800、900和1000mm。三、螺旋葉片升角螺旋葉片頭數(shù)主要是按截割參數(shù)的要求確定。D1250時，用雙頭；D1400時，用雙頭或3頭；D1600時，用3頭或4頭。根據(jù)葉片的旋向，分為左旋，右旋滾筒。左旋：頭數(shù)為2圖7-1右旋：頭數(shù)為2圖7-2葉片升角ai=arctg(L_導(dǎo)程Di_任意直徑則ay=arctg(,ay稱之為螺旋滾筒的名義升角。由ay可計算出每個葉片對滾筒的圍包角：By= By_葉片占有滾筒的寬度雙頭螺旋滾筒的葉片圍包角取210,

19、三頭時取140,四頭時取105.一般ay=830四、端盤：端盤一般為錐形，厚度約4050mm,傾角1530。端盤和筒轂、葉片是焊為一體的。8 截齒和噴嘴的布置81 截齒的配置在設(shè)計滾筒時，合理選擇其工作參數(shù)，特別是合理選擇截齒的配置方式，對于提高煤的塊度，降低比能耗有著重要意義。另外對滾筒的受力也有影響，盡量使之受載荷變動較小，從而增加機(jī)器運行的穩(wěn)定性。截齒在螺旋滾筒上的布置，一般用截齒配置圖來表示。以MLS3170采煤機(jī)為例：見下圖。 圖8-1 圖為截齒尖所在圓柱面的展開圖。水平直線表示齒尖的運動軌跡，即截線。相鄰兩截線之間的距離為截距t。小圓圈代表0齒的位置；小黑點代表安裝角不為0，所謂0

20、齒指的是安裝角為0，截齒斜向煤壁為正方向，而向采空區(qū)方向傾斜則為負(fù)方向。螺旋葉片和端盤上的截齒分別約占滾筒截齒數(shù)的80%和20%。由于工作條件的不同，它們配置原則也可以不同。一、 葉片截齒的配置一般根據(jù)煤的性質(zhì)和采煤機(jī)的參數(shù)不同而確定截齒的配置方式、截距和每條截線上截齒數(shù)。葉片上截齒常見的配置方式有交錯式和順序式。1 交錯式。這種配置方式的特點是：切屑厚度大，切屑斷面形狀對稱，截槽兩側(cè)受力基本平衡，每條截線配置齒數(shù)只有一個。見下圖所示：圖8-2 2順序式。這種配置方式的特點是：切屑斷面形狀不對稱，截槽兩側(cè)受力不平衡，存在著側(cè)向力。每條截線配置兩個齒。 圖83兩者的配置方式比較起來，在相同的牽引

21、速度下，截齒數(shù)和每個截齒的切屑厚度相差一倍。根據(jù)切屑參數(shù)的不同，各有其適用范圍。一般和切屑厚度h和截距t有關(guān),可參見下圖:圖84如圖中所示: A適用順序式. B適用交錯式。端盤截齒的配置端盤的最靠近煤壁的邊緣截線上的截齒，一般其安裝角在5355之間。這樣有利于滾筒斜切入煤壁。這條邊緣截線上的截齒工作條件最差，因此配置的截齒數(shù)目是最多的。其靠煤壁側(cè)的截刃一般傾斜角度在 810之間，與煤壁之間留有間隙。端盤上的截線之間距離比較小。平均截距大約是葉片截齒的一半。每條截線上的截齒數(shù)一般應(yīng)比葉片上的截線布置的截齒數(shù)要多23個截齒。端盤截齒一般分為24組，每組有一個0截齒，26個傾斜安裝的截齒，傾角應(yīng)隨著

22、滾筒轉(zhuǎn)向從小到大的順序排列。截距應(yīng)從煤壁逐漸向外增大，每組截齒中還可設(shè)一個向采空區(qū)傾斜2030的截齒，以抵消一部分滾筒的軸向力。端盤截齒的配置也是極其重要的。8.2噴嘴在滾筒上的布置根據(jù)噴嘴數(shù)目，以及噴嘴和截齒聯(lián)合破煤方式之不同，可分為兩種情況。1)噴嘴數(shù)量較少，其配置和截齒無關(guān)。2)水射流噴嘴與截齒進(jìn)行對應(yīng)布置。第一種情況見于輔助法之中，噴嘴數(shù)可有2個，4個，6個等；第二種情況則常見于結(jié)合法之中，所需噴嘴數(shù)目較多，加工，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較困難。 總之，回顧高壓水射流技術(shù)發(fā)展概況，大體上可分為四個階段。即60年代初期的探索試驗階段，主要為低壓水射流采礦；60年代初至70年代初為基礎(chǔ)設(shè)備研制和攻關(guān)階段

23、，主要研制高壓泵、增壓器和高壓管件及推廣高壓水射流清洗技術(shù)；70年代初至80年代初為工業(yè)試驗及工業(yè)應(yīng)用階段，主要特點是大量的高壓水射流采煤機(jī)、切割機(jī)、清洗機(jī)相繼問世并進(jìn)行了工業(yè)試驗，其應(yīng)用領(lǐng)域也由采礦發(fā)展到其他領(lǐng)域；80年代以來是高壓水射流技術(shù)迅速發(fā)展階段，主要特點是高壓水射流技術(shù)的研究進(jìn)一步深化，磨料射流、空化射流等新型水射流發(fā)展更快，許多產(chǎn)品已達(dá)到商品化。一個能夠根據(jù)實際需要自如地控制高壓水射流技術(shù)特性，為人類服務(wù)的新時代即將到來。結(jié) 束 語本次畢業(yè)設(shè)計的課題是水射流采煤機(jī)切割裝置。經(jīng)過自己的努力和指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，我繪制出了DY-150采煤機(jī)滾筒裝配圖，旋轉(zhuǎn)密封裝置圖和旋轉(zhuǎn)密封內(nèi)軸圖，及箱體分布圖。領(lǐng)會到了切割系統(tǒng)設(shè)計的思想。畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)所學(xué)知識的綜合應(yīng)用，使我的專業(yè)基礎(chǔ)得到一次