基于EDEM的采煤機(jī)滾筒工作性能的仿真研究

盧紅波

【摘 ?要】為研究不同參數(shù)情況下的采煤機(jī)滾筒工作性能，本文以MG500/1180-WD型號的采煤機(jī)為研究對象，基于EDEM軟件建立仿真模型，再利用MATLAB等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析滾筒轉(zhuǎn)數(shù)、滾筒截深及頂板壓力對采煤機(jī)滾筒的截割能力、裝煤能力、滾筒三向載荷能力的影響。通過仿真模擬得出最佳數(shù)據(jù)，以提高采煤機(jī)滾筒的工作性能，進(jìn)而提高采煤效率。

【關(guān)鍵詞】EDEM;采煤機(jī)滾筒;工作性能;仿真模擬

前言

采煤機(jī)滾筒是用于截煤、落煤和輸煤的關(guān)鍵部位，采煤機(jī)滾筒的截齒排列和滾筒的轉(zhuǎn)速直接影響采煤機(jī)的采煤速率[1]。EDEM是世界上第一個利用現(xiàn)代化離散元模型科技設(shè)計(jì)的用于模擬和分析生產(chǎn)操作的通用CAE軟件，EDEM可通過建立煤巖破碎模型，模擬采煤機(jī)的截割過程。通過數(shù)學(xué)模型的建立和仿真，研究采煤機(jī)滾筒的工作性能指標(biāo)。在研究的過程中，還可對采煤機(jī)施加一定的頂板壓力，使模擬效果更加逼真。

1 滾筒截割過程中數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 建立仿真模型

為了更加清晰的描述采煤機(jī)截割巖煤的動態(tài)過程和滾筒的裝煤過程，可通過EDEM建立包含滾筒、刮板輸運(yùn)機(jī)中的部槽和煤層的虛擬仿真模型，再建立滾筒和刮板的三維模型進(jìn)行仿真。模型建立時應(yīng)遵循簡化原則，適當(dāng)?shù)暮雎圆粫Ψ抡娼Y(jié)果產(chǎn)生影響的內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)。參考本研究采用的采煤機(jī)型號，確定滾筒所需的主要參數(shù)結(jié)構(gòu)，包括滾筒寬度（1000mm）、筒轂直徑（650mm）、滾筒直徑（1800mm）以及螺旋升角（25°）等[2]。

1.2 建立巖煤模型

除了建立滾筒等模型以外，還需對巖煤顆粒進(jìn)行模擬。本次模擬主要添加煤和巖兩種顆粒。在實(shí)際操作過程中，巖煤具有多種形態(tài)。因此，在建立模型時，應(yīng)將巖煤顆粒設(shè)置為和真實(shí)狀態(tài)下相似的、有著特定結(jié)構(gòu)和尺寸的模型。在EDEM中可通過創(chuàng)建多個球面來定義巖煤顆粒的幾何特征，并進(jìn)行填充，這樣就能得到不同形狀和尺寸的模型顆粒，是的模型更貼近實(shí)際情況。

1.3 設(shè)定仿真參數(shù)

由于計(jì)算機(jī)算法都有時間的消耗和延遲，模型中涉及到的仿真數(shù)據(jù)越多，計(jì)算機(jī)處理速度越低。由于仿真模型中的顆粒接觸數(shù)較多，為了確保仿真的穩(wěn)定，應(yīng)設(shè)定固定時間步長為21%。在不影響仿真結(jié)果的情況下，盡量減少仿真的時間。網(wǎng)格尺寸為最小顆粒半徑的3-4倍。

2 滾筒轉(zhuǎn)速對采煤機(jī)裝煤性能的影響

在滾筒牽引速度為4m/min，截深為1050mm的條件下，分別對轉(zhuǎn)速為20、30、40r/min時的滾筒截割過程進(jìn)行模擬，通過對比相同時刻不同轉(zhuǎn)速下顆粒的運(yùn)動軌跡，研究顆粒的平均速度以及采煤機(jī)的裝煤曲線圖可得到滾筒轉(zhuǎn)數(shù)對采煤機(jī)裝煤性能的影響[3]。詳情如下圖一所示：

由圖可知，在相同牽引速度與截深的情況下，滾筒轉(zhuǎn)速越高，顆粒運(yùn)動速度越大，滾筒上堆積顆粒越少，且轉(zhuǎn)速越高，顆粒拋得更遠(yuǎn)，這說明此時滾筒的輸出能力越強(qiáng)。但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過30r/min后，巖煤粒子的其中一部分打在了采空區(qū)。因此，滾筒的最佳轉(zhuǎn)速為30r/min。

3 截深對采煤機(jī)裝煤性能的影響

在研究截深對采煤機(jī)裝煤性能的影響時，保證30r/min的轉(zhuǎn)速、3m/min的牽引速度不變的情況下，分別模擬截深為600、800和1000mm情況下的采煤機(jī)截割過程，通過在不同截深的情況下的某一時刻，顆粒的運(yùn)動軌跡分析截深對采煤機(jī)性截割性能的影響。

由仿真結(jié)果可知，隨著截深的增大，被截落的煤巖顆粒逐漸增多，這說明隨著截深的加大，滾筒的輸出越多，且在1000mm的截深時，煤巖顆粒仍能被拋出，這說明1000mm的截深在適當(dāng)范圍內(nèi)[4]。利用MATLAB繪制處理后得到不同截深下的采煤機(jī)裝煤曲線圖，由圖可知，截深為1000mm時，采煤機(jī)的裝煤率最高，具體如下圖2所示：

4 轉(zhuǎn)速和截深對采煤機(jī)截割性能的聯(lián)合影響

截割比是在一定程度上反應(yīng)滾筒截割單位體積巖煤時所需消耗的能量大小，根據(jù)EDEM處理后的數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)速和截割深度的增加均會使截割比能耗增加，因此，在實(shí)際操作中，施工者可使用一定程度上能減小能耗的低轉(zhuǎn)速、小截深滾筒，同時，低轉(zhuǎn)速和小截深的滾筒還能提高截割率。

滾筒的三向載荷是指工作過程中，滾筒上所有載荷點(diǎn)載荷量的矢量和，矢量是有大小有方向的量，利用EDEM處理牽引速度為3m/min、滾筒轉(zhuǎn)速為30r/min以及截深為1000mm時的滾筒三向荷載曲線后得知：隨著轉(zhuǎn)速的增大滾筒三向載荷值都有不同程度的減小;隨著截深的增加，滾筒的切削面積增大，滾筒的三向載荷也逐漸增大。這說明，適當(dāng)減小截深和增大滾筒轉(zhuǎn)速可有效減小滾筒的三向載荷，減少截齒的磨損。

5 結(jié)論

本文以MG500/1180-WD型號采煤機(jī)為研究對象，利用EDEM仿真軟件對采煤機(jī)在不同截深和轉(zhuǎn)速下的工作狀況進(jìn)行仿真模擬，探索出最適合的滾筒截深和轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果表明：在滾筒的牽引速度與截深一定時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，采煤機(jī)裝煤速度逐漸增加，滾筒的最佳轉(zhuǎn)速為30r/min;在轉(zhuǎn)速和牽引速度一定的情況下，隨著截深的增加，采煤機(jī)的裝煤速率逐漸增加，最佳的截深為1000mm;滾筒的三向載荷隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨截深的增大而增大;滾筒的截割比隨著轉(zhuǎn)速和截深的增大而增大[5]。

根據(jù)EDEM仿真結(jié)果可得知，在實(shí)際操作中，為保證采煤機(jī)的采煤速率與質(zhì)量，應(yīng)選擇合適的低轉(zhuǎn)速和大截深的滾筒進(jìn)行采煤作業(yè)，但若需要保證能耗較小，同時又提高截割效率，可將截深進(jìn)行適量減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭小軍，張海東，吳進(jìn)玲等.基于EDEM的勺輪式葵花排種器離散元仿真研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（02）：25-30.

[2]毛君，劉思陽，張坤等.基于EDEM的放頂煤液壓支架放煤過程的仿真研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2019，41（02）：217-221.

[3]張強(qiáng)，張旭，孫紹安等.基于EDEM的家用榨油機(jī)壓榨腔工作性能仿真研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（24）：291-299.

[4]江濤，吳崇友，湯慶等.基于ANSYS和EDEM的小麥莖稈切割仿真研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（17）：239-242.

[5]李祖吉，宋少云，陳德炳等.基于EDEM與Workbench的碾米機(jī)米篩聯(lián)合仿真研究[J].糧食與飼料工業(yè)，2015，344（12）：42-44.

（作者單位：山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)毛則渠煤炭有限公司）