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离散元方法在采煤机装煤仿真中的应用

2017/9/13    来源:互联网    作者:徐婵  王义亮  谢嘉成  杨兆建      
关键字:CAE  采煤机  PFC  
本文提出了一种采煤机滚筒装煤效率的离散元研究方法,在三维离散元软件PFC中建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型,对滚筒的装煤过程进行仿真,研究采煤机滚筒装煤效率问题。

    0 引言

    我国薄煤层分布范围较广且煤质较好,薄煤层可采储量约占全国煤炭总量的1/5,但薄煤层受采高限制,滚筒直径和筒毂直径受限,结构参数、运动参数不匹配,使得薄煤层采煤机的装煤效率差一直是一个突出问题,因此提高薄煤层滚筒采煤机装煤效率具有十分重要的经济和社会意义。目前国内针对薄煤层采煤机滚筒装煤效率的研究多为试验研究,少数学者通过缩小一定比例建立试验台以及假煤壁进行正交实验,但由于试验台大多比较简陋且煤岩截割与实际工况相差较远,模型缩小导致的误差较大,实验结果往往不准确,且试验台的建立投入大,试验过程周期长。还有学者建立人工模拟输送机装运松散煤,来研究滚筒各参数对装煤效率的影响程度,但往往在统计结果方面误差很大。因此,急需一种能够符合实际工况且准确可行的仿真方法,为薄煤层采煤机滚筒的结构设计和运行参数等的选择提供指导。本文提出了一种采煤机滚筒装煤效率的离散元研究方法,在三维离散元软件PFC中建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型,对滚筒的装煤过程进行仿真,研究采煤机滚筒装煤效率问题。

    1 模型建立

    1.1 UG建立滚筒模型

    利用三维建模软件UG,根据滚筒设计理论,以某型号薄煤层采煤机滚筒为原型进行设计,建立三维滚筒模型,滚筒设计有关参数见表1。

    表1 滚筒有关参数

    1

    为了提尚计算效率,将截齿座简化为二棱柱、截齿简化为圆锥,并对筒体、叶片、端盘、截齿求和,使之组合成为一个实体。将UG滚筒模型以stl中间格式导出,为导入PFC软件做好准备。建立的滚筒模型如图1所示,截齿模型如图2所示。

    2

    2.2 滚筒、煤壁和刮板输送机中部槽联合仿真模型的建立

    PFC3D是目前较为常用的一种离散元软件,它利用球形颗粒作为模拟材料的离散单元,并通过力一位移法则、牛顿运动定律和接触本构模型来确定颗粒的运动过程。PFC3D软件功能强大、应用广泛、性能独特,被成功应用到许多领域,包括采矿、土木、石油、化工和废料隔离等工程。目前,国内已有学者验证了三维离散元法在模拟滚筒装煤过程的可行性和准确性,并提出了合理的本构模型以及相应的参数设置范围。

    本文建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型步骤如下:

    (1)本构模型参数设定

    本文利用PFC软件建立2m高的假煤壁模型,选用PFC中自带的线性接触粘结模型,在颗粒大小与截齿尺寸匹配的前提下,尽量选用较大的颗粒,本文设置颗粒半径为15mm。由于仿真研究重点为滚筒装煤,截齿受力不在研究范围内,因此,粘接模型中的粘接强度可取较小值,根据参考文献,设置法向、切向粘结强度为8Mpa。

    (2)煤壁的建立

    每次仿真煤岩大小一定,滚筒向前行走约半个滚筒的距离,预先在煤壁上开出半圆形豁口。将所有颗粒分组,方便统计,底部未截割部分的煤岩用墙体代替。将煤壁上、下、左、后侧固定,以防止煤壁在截割过程中坍塌。

    (3)刮板输送机中部槽的建立

    常见的模拟滚筒装煤的试验台,往往没有考虑煤壁与刮板输送机之间的空距和中部槽结构,无法准确计算装煤效率,本次仿真在软件自带的help文件帮助下,通过wallgenerate,wallgroup等PFC语句建立煤岩未截割部分、地面、铲煤板、煤壁与刮板输送机间隙、中部槽、槽帮等实际工况中出现的简易墙体模型,可准确统计落入刮板输送机中部槽区域的颗粒总数。

    滚筒与中部槽之间的距离为(180+295)腿,中部槽宽度724mm,槽帮高300mm,实际工况时输送机具有一定的牵引速度,本次仿真设计了一个静止的中部槽结构,为避免颗粒在槽内堆积溢出,本文建立的中部槽必须长度、深度足够,能够准确统计装煤效率。

    (4)联合仿真模型的生成

    利用geomimport语句将上文建立的滚筒stl格式文件导入,形成滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型,如图3、图4所示。

    3

责任编辑:张纯子
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