离散元方法在滚筒采煤机装煤仿真中的应用

徐婵++王义亮++谢嘉成++杨兆建

摘要： 针对我国薄煤层工作面低，滚筒直径受限，出煤口面积小，严重影响装煤效果的问题，采用离散元方法分析采煤机滚筒的装煤过程.依据滚筒设计理论，在UG中建立滚筒模型.结合采煤机在实际生产中装煤的具体工况，确定颗粒本构模型以及综采工作面采煤机、刮板输送机配套方案；利用三维离散元软件PFC3D，运用Fish语言和PFC命令编写程序，建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型.设置滚筒牵引速度为2.5 m/min，转速分别为40，45，50，55和60 r/min，得出滚筒逆转情况下不同转速的装煤效率，提出滚筒转速的最佳取值范围.

关键词： 滚筒采煤机； 薄煤层； 装煤； 转速； 离散元； PFC； 仿真

中图分类号： TD421文献标志码： 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

基金項目： 山西省煤基重点科技攻关项目（MJ20140502）

作者简介： 徐婵（1990—），女，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为现代设计和理论，（Email）215107701@qq.com；

王义亮（1969—），男，山西忻州人，教授，博士，研究内容为机械现代设计、机械结构及系统动力学、机电一体化、结构振动与噪声分析和控制等，（Email） wangyiliangwyl@163.com0引言

薄煤层在我国分布范围较广且煤质较好，可采储量约占全国煤炭总量的1/5，但由于受采高限制，薄煤层采煤机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.[1]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，试验结果往往不准确，且试验台的建立投入大，试验周期长.[2]还有学者建立人工模拟输送机装运松散煤，研究滚筒各参数对装煤效率的影响程度，但在统计结果方面误差很大.[34]因此，行业急需一种能够符合实际工况且准确可行的仿真方法，为采煤机滚筒结构和运动参数等的选择提供指导.本文提出一种采煤机滚筒装煤效率的离散元研究方法，在离散元软件PFC3D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建立滚筒模型

利用三维建模软件UG，根据滚筒设计理论[5]，以MG2×125/571WD型薄煤层采煤机滚筒为原型进行设计，建立滚筒模型，有关参数见表1.

Tab.1Drum parameters参数值滚筒直径/mm1 250叶片直径/mm1 100筒毂直径/mm590滚筒宽度/mm640滚筒截深/mm600叶片螺旋升角/（°）20叶片旋向右旋参数值叶片数/头3截齿排布顺序式叶片截齿数/个7端盘截齿数/个18端盘结构蝶形结构端盘倾角/（°） 15

为提高计算效率，将截齿座简化为三棱柱、截齿简化为圆锥，并对筒体、叶片、端盘和截齿求和，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PFC3D软件做好準备.建立的滚筒模型见图1，截齿模型见图2.图 1滚筒模型

Fig.1Drum model

1.2滚筒、煤壁和刮板输送机中部槽联合仿真模型

PFC3D是目前较为常用的一种离散元软件，其利用球形颗粒作为模拟材料的离散单元，并通过力位移法则、牛顿运动定律和接触本构模型确定颗粒的运动过程.[6]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，并提出合理的本构模型以及相应的参数设置范围.[78]

滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型建立步骤如下.

1.2.1本构模型参数设定

利用PFC3D软件建立2 m高的假煤壁模型.选用PFC3D中自带的线性接触粘接模型，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15 mm.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、切向粘接强度为8 MPa.

1.2.2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，底部未截割部分煤岩用墙体代替.将煤壁上、下、左、后侧固定，防止煤壁在截割过程中坍塌.

1.2.3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wall generate，wall group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） mm，中部槽宽度724 mm，槽帮高300 mm.在实际工况中，输送机具有一定的牵引速度.本次仿真设计一个静止的中部槽结构，为避免颗粒在槽内堆积溢出，建立的中部槽必须长度、深度足够，才能够准确统计装煤效率.

1.2.4联合仿真模型的生成

利用geom import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，见图3和4.

1.3以转速为变量的装煤效率仿真研究

薄煤层采煤机通常采用前滚筒抛射装煤、后滚筒挤压装煤的开采方式，而主要负责装煤的是前滚筒，因此只研究滚筒抛射装煤的情况，即逆转装煤.

通过查阅文献可知，在滚筒实际装煤过程中，滚筒转速的影响较大，因此以转速为主要变量进行研究.选取转速分别为40，45，50，55和60 r/min，牵引速度为2.5 m/min进行仿真.

采煤机装煤通过滚筒螺旋叶片的螺旋面进行装载，利用螺旋叶片的轴向推力，将从煤壁上截割下来的煤抛到刮板输送机中部槽.[910]仿真过程中可看到少量颗粒被甩到滚筒后侧，形成煤尘或浮煤，大多数颗粒被旋转的螺旋叶片抛到刮板输送机一侧，分布在煤壁与中部槽之间的空距、中部槽内部和采空区3个区域；转速不同，各区域堆积的颗粒数量不同，装煤效率也不同.仿真过程见图5.

图 5装煤过程仿真

Fig.5Simulation of coal loading process

2仿真结果分析

在滚筒截割煤岩前，统计需要截割的颗粒总数.由于截割前煤壁右侧有半圆形豁口，截割后剩余煤壁的右侧同样为半圆形豁口，利用等体积原理，把中间将要被截割的煤壁区域等效为长方体区域，统计该区域内的颗粒总数为总截割颗粒数.在截割煤岩后，统计落入刮板输送机中部槽内的颗粒总数，与总截割颗粒数进行对比，计算装煤效率.仿真结果见表2.根据仿真结果，绘制各区域颗粒数随转速变化的趋势，见图6.

图6能够更加直观反映出转速与装煤效率、空距间浮煤数量与采空区颗粒数量之间的关系.

（1）装煤效率随着转速的增大基本呈现先增后减的趋势：转速为45 r/min时中部槽内颗粒最多，装煤效率最高；转速为50～60 r/min时装煤效率变化比较缓慢.

（2）落入煤壁与中部槽之间空距的颗粒随着转速的增大逐渐减少，之后趋于平缓.

（3）由于设置的区域有限，部分过抛颗粒会抛出区域以外，因此采空区实际颗粒数应比统计的采空区颗粒多.落入采空区的颗粒数随着转速的增大呈现上升趋势：40～45 r/min时，采空区颗粒较少；50～60 r/min时，采空区颗粒大幅度增加，即过抛现象严重，产生的煤尘会更多.其主要原因在于转速较小时，颗粒速度小，受重力影响，部分颗粒会掉落至煤壁与中部槽之间的空距内，随着转速增大，滚筒螺旋叶片轴向推力增大，颗粒被抛的距离越远，速度较大的颗粒会被抛到采空区，使装煤效率降低.因此，滚筒转速取值建议在40～50 r/min，最佳取值需要结合其他因素确定.

3结论

（1）通过PFC3D软件对采煤机滚筒装煤过程进行仿真，与以往搭建实验台进行研究相比，投入少、时间短，且可建立真实工况模型，能准确统计实验结果，进行大量分析.

（2）根据单因素分析仿真结果，装煤效率在转速为45 r/min左右时，装煤效率较高，这与实际生产中的情况基本吻合，但转速的最佳取值通常需要与牵引速度、螺旋升角等因素进行正交实验分析获得.

（3）本文提出的装煤效率研究方法不仅可以对滚筒转速进行分析，对采煤机滚筒的牵引速度以及其他结构参数、运动参数同样适用，同时，也为进行工作面走向、采煤机摇臂结构、煤层厚度、刮板機尺寸优化、挡煤板等问题的研究提供一种全新的设计思路.

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