離散元方法在滾筒采煤機(jī)裝煤仿真中的應(yīng)用

徐嬋++王義亮++謝嘉成++楊兆建

摘要： 針對(duì)我國(guó)薄煤層工作面低，滾筒直徑受限，出煤口面積小，嚴(yán)重影響裝煤效果的問(wèn)題，采用離散元方法分析采煤機(jī)滾筒的裝煤過(guò)程.依據(jù)滾筒設(shè)計(jì)理論，在UG中建立滾筒模型.結(jié)合采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中裝煤的具體工況，確定顆粒本構(gòu)模型以及綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)配套方案；利用三維離散元軟件PFC3D，運(yùn)用Fish語(yǔ)言和PFC命令編寫(xiě)程序，建立滾筒、煤壁、刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)合仿真模型.設(shè)置滾筒牽引速度為2.5 m/min，轉(zhuǎn)速分別為40，45，50，55和60 r/min，得出滾筒逆轉(zhuǎn)情況下不同轉(zhuǎn)速的裝煤效率，提出滾筒轉(zhuǎn)速的最佳取值范圍.

關(guān)鍵詞： 滾筒采煤機(jī)； 薄煤層； 裝煤； 轉(zhuǎn)速； 離散元； PFC； 仿真

中圖分類號(hào)： TD421文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Application of discrete element method in coalloading

simulation of drum shearer

XU Chan， WANG Yiliang， XIE Jiacheng， YANG Zhaojian

（College of Mechanical Engineering； Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment， Taiyuan 030024， China）

Abstract： As to the issues such as the low mining face in thin seam， the limited drum diameter and the small outlet area of coal， which seriously decrease the loading efficiency， a discrete element method is used to analyze the coaling process of a shearer drum. According to the drum design theory， the drum model is built in UG. Combining with the actual coaling conditions of the shearer， the particle constitutive model and the matching scheme of the shearer and scraper conveyor in the fully mechanized coal mining face are determined. Through the 3D discrete element software PFC3D， a cosimulation model is built with Fish language and PFC command， which includes the drum， the coal wall and the chute of scraper conveyor. The drum traction speed is set as 2.5 m/min， the rotational speed is respectively set as 40， 45， 50， 55 and 60 r/ min， and the coal loading efficiency at different rotational speeds and the optimal range of the rotational speed of the drum are obtained.

Key words： drum shearer； thin coal seam； coalloading； rotational speed； discrete element； PFC； simulation

收稿日期： 2016[KG*9〗09[KG*9〗20修回日期： 2016[KG*9〗09[KG*9〗30

基金項(xiàng)目： 山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（MJ20140502）

作者簡(jiǎn)介： 徐嬋（1990—），女，山西晉城人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)和理論，（Email）215107701@qq.com；

王義亮（1969—），男，山西忻州人，教授，博士，研究?jī)?nèi)容為機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)電一體化、結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲分析和控制等，（Email） wangyiliangwyl@163.com0引言

薄煤層在我國(guó)分布范圍較廣且煤質(zhì)較好，可采儲(chǔ)量約占全國(guó)煤炭總量的1/5，但由于受采高限制，薄煤層采煤機(jī)滾筒直徑和筒轂直徑受限，結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)不匹配，使得薄煤層采煤機(jī)的裝煤效率差一直是突出問(wèn)題，因此，提高薄煤層滾筒采煤機(jī)裝煤效率具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義.[1]目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)薄煤層采煤機(jī)滾筒裝煤效率的研究多為試驗(yàn)研究，少數(shù)學(xué)者通過(guò)縮小一定比例建立試驗(yàn)臺(tái)以及假煤壁進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，但由于試驗(yàn)臺(tái)大多比較簡(jiǎn)陋且煤巖截割與實(shí)際工況相差較遠(yuǎn)，模型縮小導(dǎo)致的誤差較大，試驗(yàn)結(jié)果往往不準(zhǔn)確，且試驗(yàn)臺(tái)的建立投入大，試驗(yàn)周期長(zhǎng).[2]還有學(xué)者建立人工模擬輸送機(jī)裝運(yùn)松散煤，研究滾筒各參數(shù)對(duì)裝煤效率的影響程度，但在統(tǒng)計(jì)結(jié)果方面誤差很大.[34]因此，行業(yè)急需一種能夠符合實(shí)際工況且準(zhǔn)確可行的仿真方法，為采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等的選擇提供指導(dǎo).本文提出一種采煤機(jī)滾筒裝煤效率的離散元研究方法，在離散元軟件PFC3D中建立滾筒、煤壁、刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)合仿真模型，對(duì)滾筒的裝煤過(guò)程進(jìn)行仿真，研究采煤機(jī)滾筒裝煤效率問(wèn)題.

1模型建立

1.1建立滾筒模型

利用三維建模軟件UG，根據(jù)滾筒設(shè)計(jì)理論[5]，以MG2×125/571WD型薄煤層采煤機(jī)滾筒為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立滾筒模型，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.

Tab.1Drum parameters參數(shù)值滾筒直徑/mm1 250葉片直徑/mm1 100筒轂直徑/mm590滾筒寬度/mm640滾筒截深/mm600葉片螺旋升角/（°）20葉片旋向右旋參數(shù)值葉片數(shù)/頭3截齒排布順序式葉片截齒數(shù)/個(gè)7端盤(pán)截齒數(shù)/個(gè)18端盤(pán)結(jié)構(gòu)蝶形結(jié)構(gòu)端盤(pán)傾角/（°） 15

為提高計(jì)算效率，將截齒座簡(jiǎn)化為三棱柱、截齒簡(jiǎn)化為圓錐，并對(duì)筒體、葉片、端盤(pán)和截齒求和，使之組合成為一個(gè)實(shí)體.將UG滾筒模型以stl中間格式導(dǎo)出，為導(dǎo)入PFC3D軟件做好準(zhǔn)備.建立的滾筒模型見(jiàn)圖1，截齒模型見(jiàn)圖2.圖 1滾筒模型

Fig.1Drum model

1.2滾筒、煤壁和刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)合仿真模型

PFC3D是目前較為常用的一種離散元軟件，其利用球形顆粒作為模擬材料的離散單元，并通過(guò)力位移法則、牛頓運(yùn)動(dòng)定律和接觸本構(gòu)模型確定顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程.[6]PFC3D軟件功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛、性能獨(dú)特，被成功應(yīng)用到許多領(lǐng)域，包括采礦、土木、石油、化工和廢料隔離等工程.目前，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者驗(yàn)證三維離散元法在模擬滾筒裝煤過(guò)程的可行性和準(zhǔn)確性，并提出合理的本構(gòu)模型以及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置范圍.[78]

滾筒、煤壁、刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)合仿真模型建立步驟如下.

1.2.1本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)定

利用PFC3D軟件建立2 m高的假煤壁模型.選用PFC3D中自帶的線性接觸粘接模型，在顆粒大小與截齒尺寸匹配的前提下，盡量選用較大的顆粒.本文設(shè)置顆粒半徑為15 mm.由于仿真研究重點(diǎn)為滾筒裝煤，截齒受力不在研究范圍內(nèi)，因此，粘接模型中的粘接強(qiáng)度可取較小值，根據(jù)參考文獻(xiàn)，設(shè)置法向、切向粘接強(qiáng)度為8 MPa.

1.2.2煤壁的建立

每次仿真煤巖大小一定，滾筒向前行走約半個(gè)滾筒的距離，預(yù)先在煤壁上開(kāi)出半圓形豁口.將所有顆粒分組，方便統(tǒng)計(jì)，底部未截割部分煤巖用墻體代替.將煤壁上、下、左、后側(cè)固定，防止煤壁在截割過(guò)程中坍塌.

1.2.3刮板輸送機(jī)中部槽的建立

常見(jiàn)的模擬滾筒裝煤的試驗(yàn)臺(tái)，往往沒(méi)有考慮煤壁與刮板輸送機(jī)之間的空距和中部槽結(jié)構(gòu)，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算裝煤效率.本次仿真在軟件自帶的help文件幫助下，通過(guò)wall generate，wall group等PFC語(yǔ)句建立煤巖未截割部分、地面、鏟煤板、煤壁與刮板輸送機(jī)間隙、中部槽、槽幫等實(shí)際工況中出現(xiàn)的簡(jiǎn)易墻體模型，可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)落入刮板輸送機(jī)中部槽區(qū)域的顆?？倲?shù).

滾筒與中部槽之間的距離為（180+295） mm，中部槽寬度724 mm，槽幫高300 mm.在實(shí)際工況中，輸送機(jī)具有一定的牽引速度.本次仿真設(shè)計(jì)一個(gè)靜止的中部槽結(jié)構(gòu)，為避免顆粒在槽內(nèi)堆積溢出，建立的中部槽必須長(zhǎng)度、深度足夠，才能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)裝煤效率.

1.2.4聯(lián)合仿真模型的生成

利用geom import語(yǔ)句將上文建立的滾筒stl格式文件導(dǎo)入，形成滾筒、煤壁、刮板輸送機(jī)中部槽聯(lián)合仿真模型，見(jiàn)圖3和4.

1.3以轉(zhuǎn)速為變量的裝煤效率仿真研究

薄煤層采煤機(jī)通常采用前滾筒拋射裝煤、后滾筒擠壓裝煤的開(kāi)采方式，而主要負(fù)責(zé)裝煤的是前滾筒，因此只研究滾筒拋射裝煤的情況，即逆轉(zhuǎn)裝煤.

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，在滾筒實(shí)際裝煤過(guò)程中，滾筒轉(zhuǎn)速的影響較大，因此以轉(zhuǎn)速為主要變量進(jìn)行研究.選取轉(zhuǎn)速分別為40，45，50，55和60 r/min，牽引速度為2.5 m/min進(jìn)行仿真.

采煤機(jī)裝煤通過(guò)滾筒螺旋葉片的螺旋面進(jìn)行裝載，利用螺旋葉片的軸向推力，將從煤壁上截割下來(lái)的煤拋到刮板輸送機(jī)中部槽.[910]仿真過(guò)程中可看到少量顆粒被甩到滾筒后側(cè)，形成煤塵或浮煤，大多數(shù)顆粒被旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片拋到刮板輸送機(jī)一側(cè)，分布在煤壁與中部槽之間的空距、中部槽內(nèi)部和采空區(qū)3個(gè)區(qū)域；轉(zhuǎn)速不同，各區(qū)域堆積的顆粒數(shù)量不同，裝煤效率也不同.仿真過(guò)程見(jiàn)圖5.

圖 5裝煤過(guò)程仿真

Fig.5Simulation of coal loading process

2仿真結(jié)果分析

在滾筒截割煤巖前，統(tǒng)計(jì)需要截割的顆?？倲?shù).由于截割前煤壁右側(cè)有半圓形豁口，截割后剩余煤壁的右側(cè)同樣為半圓形豁口，利用等體積原理，把中間將要被截割的煤壁區(qū)域等效為長(zhǎng)方體區(qū)域，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)的顆?？倲?shù)為總截割顆粒數(shù).在截割煤巖后，統(tǒng)計(jì)落入刮板輸送機(jī)中部槽內(nèi)的顆?？倲?shù)，與總截割顆粒數(shù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算裝煤效率.仿真結(jié)果見(jiàn)表2.根據(jù)仿真結(jié)果，繪制各區(qū)域顆粒數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)，見(jiàn)圖6.

圖6能夠更加直觀反映出轉(zhuǎn)速與裝煤效率、空距間浮煤數(shù)量與采空區(qū)顆粒數(shù)量之間的關(guān)系.

（1）裝煤效率隨著轉(zhuǎn)速的增大基本呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)：轉(zhuǎn)速為45 r/min時(shí)中部槽內(nèi)顆粒最多，裝煤效率最高；轉(zhuǎn)速為50～60 r/min時(shí)裝煤效率變化比較緩慢.

（2）落入煤壁與中部槽之間空距的顆粒隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸減少，之后趨于平緩.

（3）由于設(shè)置的區(qū)域有限，部分過(guò)拋顆粒會(huì)拋出區(qū)域以外，因此采空區(qū)實(shí)際顆粒數(shù)應(yīng)比統(tǒng)計(jì)的采空區(qū)顆粒多.落入采空區(qū)的顆粒數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)：40～45 r/min時(shí)，采空區(qū)顆粒較少；50～60 r/min時(shí)，采空區(qū)顆粒大幅度增加，即過(guò)拋現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生的煤塵會(huì)更多.其主要原因在于轉(zhuǎn)速較小時(shí)，顆粒速度小，受重力影響，部分顆粒會(huì)掉落至煤壁與中部槽之間的空距內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增大，滾筒螺旋葉片軸向推力增大，顆粒被拋的距離越遠(yuǎn)，速度較大的顆粒會(huì)被拋到采空區(qū)，使裝煤效率降低.因此，滾筒轉(zhuǎn)速取值建議在40～50 r/min，最佳取值需要結(jié)合其他因素確定.

3結(jié)論

（1）通過(guò)PFC3D軟件對(duì)采煤機(jī)滾筒裝煤過(guò)程進(jìn)行仿真，與以往搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究相比，投入少、時(shí)間短，且可建立真實(shí)工況模型，能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行大量分析.

（2）根據(jù)單因素分析仿真結(jié)果，裝煤效率在轉(zhuǎn)速為45 r/min左右時(shí)，裝煤效率較高，這與實(shí)際生產(chǎn)中的情況基本吻合，但轉(zhuǎn)速的最佳取值通常需要與牽引速度、螺旋升角等因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)分析獲得.

（3）本文提出的裝煤效率研究方法不僅可以對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，對(duì)采煤機(jī)滾筒的牽引速度以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)同樣適用，同時(shí)，也為進(jìn)行工作面走向、采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)、煤層厚度、刮板機(jī)尺寸優(yōu)化、擋煤板等問(wèn)題的研究提供一種全新的設(shè)計(jì)思路.

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