基于DEM数值模拟的超大型箕斗装卸载分析

王洪磊

(天地科技股份有限公司 高新事业部，北京 100013)

基于DEM数值模拟的超大型箕斗装卸载分析

王洪磊

(天地科技股份有限公司 高新事业部，北京 100013)

根据煤炭物料的散体特性和离散元理论，建立大型提升箕斗装卸载过程中的物料流动模型，并利用DEM软件进行数值模拟分析，掌握大型箕斗装卸载过程中的物料流动规律以及装卸载时间，为箕斗结构设计和立井提升系统设计提供参考和依据。

DEM；超大型箕斗；装卸载

作为煤矿立井提升关键环节之一，箕斗内物料的流动形态以及装卸载时间对矿井生产效率有着重要的影响，因此，掌握箕斗装卸载过程中物料流动规律，预测箕斗装卸载时间对保证矿井高效运行有着重要意义。针对箕斗装卸载过程，秦强等通过实验总结出了箕斗卸载时间经验公式，并对其中部分参数获取进行了说明[1]。吴荣华等根据理论力学和松散物料力学的理论进行推导，由已知的箕斗和定量斗的参数对箕斗的装卸载时间进行探讨，提出了箕斗装卸载时间的预测模型[2]。上述学者对于箕斗装卸载过程的分析更多是基于经验公式和理论计算，很难直观地观察物料在箕斗内的流动状态，当箕斗结构复杂时，经验公式参数获取、理论公式求解计算将会比较困难。利用离散元模型模拟煤炭物料装卸载过程在直接观测物料流动的同时可以准确预测物料装卸载时间。本文基于离散元理论，以50t大型箕斗为研究对象，建立矿用箕斗的物料流动模型，实现箕斗装卸载过程的动态模拟，为箕斗的结构改进和提升系统设计提供参考和依据。

1 煤炭物料流动模型

由于煤炭物料在箕斗装卸载过程中呈现出散体特征，其物理性质介于固体和液体之间，从单个颗粒的角度来说是固体，而多个颗粒形成的集合体又显示出流体的性态，具有流动性，能在一定范围内保持其形状，因此，在进行煤炭物料流动性分析时可采用离散单元法。

离散单元法[3](Discrete Element Method，简称DEM)是上世纪70年代由Cundall教授提出的，其基本原理是将散体看作具有一定形状和质量的离散质元集合，根据牛顿第二定律建立每个质元的运动方程，利用动态松驰法迭代求解，从而获得散体的整体运动形态。当各个质元之间的平均不平衡力趋于零时，散体呈现出稳定堆积状态。

离散元理论的动力学方程如下[4]：

以离散单元法为理论基础，利用离散元建模工具进行大型箕斗物料流动性分析的流程见图1。

图1 物料流动性分析流程

(1)对箕斗本体结构进行简化，将装卸载过程中与煤炭物料发生接触的壁面提取出来形成煤炭物料流动性分析时的外围壁板，并将其转换成中性几何文件。图2(a)所示的是箕斗装卸载过程几何模型简化结果，其中包括定量斗，箕斗本体以及斗箱下部的扇形闸门。箕斗装载时，煤炭物料首先要在定量斗内堆积称重，当箕斗到达指定位置时，定量斗闸门开启实现箕斗装载。箕斗满载提升至卸料仓口处打开底部扇形闸门实现箕斗卸载。

(2)根据箕斗壁板材料属性设置墙板的摩擦系数、泊松比和剪切模量等参数，利用离散元程序在定量装载斗内生成颗粒，颗粒的粒径大小、物性参数以及分布规律需要根据箕斗所在工作矿区的煤质特征进行设定。颗粒形状可采用球状的刚性离散元，颗粒之间的接触模型通常采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型。

(3)在完成定量装载斗内的颗粒生成之后，利用离散元计算工具对物料流动模型进行求解计算，其中计算时间步长应满足瑞利时步的20%～30%；邻居搜索网格尺寸应控制网格单元总数目小于10万个；在完成箕斗装卸载之后停止计算，并将结果导入到后处理软件中进行数据整理。

图2 箕斗本体简化及颗粒生成示意

2 实例分析

以国内某50t立井外动力卸载提升箕斗为例进行装卸载分析，其箕斗本体结构可参见图2，主要参数如表1所示。箕斗装载设备为50t定量斗，装载溜煤槽倾角为45°，装载物料平均粒径为10mm的块煤。

表1 50t箕斗本体结构主要几何参数

根据前文所述的分析方法，建立箕斗装卸载50t煤炭物料时的流动模型如图2(b)所示。首先在定量装载斗内生成平均粒径为10mm，粒径分布符合正态分布的煤炭物料，颗粒生成时沿装载斗高度方向逐层生成，每一层达到平衡后，再生成上一层颗粒，由下而上，逐渐装满整个定量装载斗，建模过程中所涉及的主要参数如表2和表3所示。

表2 材料属性

表3 材料间接触属性表[5]

将设置好的物料流动分析模型导入DEM求解工具进行计算可获得不同时刻的物料流动状态以及物料装卸载时间曲线。

2.1 装载过程分析

开启定量装载斗闸门，煤炭物料沿溜煤槽进入箕斗斗箱内，每隔5s取箕斗装载过程物料流动形态进行观察(如图3所示)。由图4可知，箕斗装载过程中，物料呈抛物线形状进入箕斗，在距箕斗顶部3.5m处形成冲击后沿着左侧壁板流入斗箱内，并形成了左高右低的装载曲面。当装载完毕，50t物料全部装入斗箱后会形成图3(d)所示的稳定堆积状态，这与实际井口观察的真实煤炭物料堆积形态基本吻合。将计算结果进行后处理可获得物料装载量与装载时间的关系曲线图，通过与文献[1]和文献[2]中的理论计算公式对比(如图4所示)，可发现利用DEM数值模拟计算获得的装载时间与理论计算的装载时间变化趋势基本一致。模拟过程中，物料在装载口会发生碰撞挤压导致装载时间曲线出现非线性，这是物料本身流动特性引起的，有利于掌握真实的物料装载时间。

图3 50t箕斗装载过程数值模拟结果

图4 箕斗装载时间曲线

2.2卸载过程分析

当箕斗斗箱内物料满载稳定后，开启斗箱下部的扇形闸门，观察箕斗卸载过程的物料流动形状如图5所示，卸载开始阶段，物料上表面呈水平均匀下降，当物料卸载约2/3时，受箕斗底部溜煤板影响左侧物料卸载速度高于右侧，形成了左低右高的卸载曲面，物料卸载量与卸载时间的关系曲线如图6所示，卸载时间相对于装载时间要短，这也符合矿井提升真实情况。

图5 箕斗卸载过程数值模拟结果

图6 箕斗卸载时间曲线

综合上述50t箕斗装卸载分析结果，基于DEM数值模拟的物料流动性分析可以有效地预测箕斗装卸载时间，并能够观察装卸载过程中物料流动形态变化，掌握物料在斗箱内的流动规律，便于设计人员根据物料流动特征调整箕斗结构，保证箕斗高效可靠运行。

3 结论

将DEM方法引入到箕斗装卸载分析中，提出了基于DEM的物料流动性分析方法，并针对50t大型提升箕斗进行了装卸载过程分析。利用本文的物料流动模型得到的装卸载时间与理论计算得到的结论基本一致，同时可以掌握物料在箕斗内的流动规律，便于设计人员根据物料流动特征调整箕斗结构，为超大型箕斗提高装卸载效率提供了参考依据。

[1]秦 强，吴焱明，赵 韩.箕斗卸煤过程分析与卸载时间预测[J].煤炭科学技术，2006，42(2): 76-77.

[2]吴荣华，曹国华，王进杰，等.超大型箕斗装卸载时间预测理论模型探讨[J].矿山机械，2012，42(7): 55-58.

[3]Cundall P A, Stracko D L.A discrete numerical model for granular assemblies[J].GPotechnique29，1979(1): 47-65.

[4]徐 爽，朱浮声，张 俊.离散元法及其耦合算法的研究综述[J].力学与实践，2013(1): 8-9.

[5]周文君，卫红波.基于EDEM的带式输送机输送过程仿真及分析[J].煤矿机械，2013，35(5): 89-91.

[6]常明丰，裴建中.沥青混合料二维数字重构技术及离散元模型[J].公路，2010(2)：118-123.

[责任编辑：施红霞]

Loading and Unloading Analysis of Ultra-large Type Skip Based on DEM Simulation

WANG Hong-lei

(Advanced Technology Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying DEM software, material flow model of ultra-large skip during loading and unloading period was set up on the basis of coal granular characteristic and discrete element theory.Material flow rule, loading and unloading time of ultra-large skip were obtained, which provided reference and basis for skip structure design and shaft lift system design.

DEM; ultra-large skip; loading and unloading

2013-12-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.016

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA06A404)

王洪磊(1983- )，男，辽宁丹东人，博士研究生，助理研究员，从事煤矿矿井提升运输设备的设计与开发工作。

王洪磊.基于DEM数值模拟的超大型箕斗装卸载分析[J].煤矿开采，2014，19(3)：57-59.

TD531.1

A

1006-6225(2014)03-0057-03