基于离散元的胶带中部初级采样方法研究

张翔宇

（国家能源集团神东锦界煤矿， 陕西 榆林 719319）

1 胶带中部初级采样概述

胶带中部初级采样器横跨输煤胶带安装，系统工作时，胶带中部初级采样器由控制信号控制，转动采样斗横切输煤胶带上的煤流，实现初级子样的收集。本文以煤炭科学技术研究院有限公司生产的SMB2000 型胶带初级采样器为研究对象，其适用于2 m 宽输煤主胶带。

2 胶带中部采样冲击研究

本文离散单元仿真分析的胶带中部初级采样器参数和输煤胶带运输参数如表1 所示，洗煤厂洗出的小块煤粒的定义为13～25 mm 之间，为了便于统计分析及节约离散单元模型的仿真时间，不失一般性，以均匀分布的19 mm 圆形颗粒来模拟煤流中的煤粒，设定主胶带煤流流量为2 m 宽主胶带常见的5 000 t/h，换算为胶带带速是5 m/s。

表1 输煤胶带与采样器相关参数

在离散元软件中设定初级采样器外壳为固定部分，采样斗增加动态旋转参数，设定开始时间0.4 s，结束时间1.1 s，旋转速度为2 r/s。在物理参数栏中增加颗粒—几何体的移动平板模型，设定煤流和胶带接触后胶带提供一个延胶带方向5 m/s 的移动速度。通过用C 语言编译的动态链接库文件控制煤流在胶带上的分布和初速度，分布横截面为梭形，初始速度为延胶带方向5 m/s。

输煤主胶带速度和生成颗粒的初始速度保持一致，均为5 m/s，仿真计算时间步长为0.001 s，为了离散元仿真精度，仿真网格尺寸设置为19 mm，和煤粒直径保持一致，模型中有482 个网格[1]。

胶带中部初级采样器切割斗在不同角速度下切割煤流时所受最大冲击力Fx、Fy和Fz随着胶带中部初级采样器切割角速度上升Fx，Fz同步增大，Fy相对保持稳定波动。即随着切割角速度的增大，水平垂直煤流方向所受冲击力和沿煤流方向所受到冲击力逐步增大，竖直垂直煤流方向所受到的冲击力相对稳定。

胶带中部初级采样器切割斗在不同角速度下切割煤流时所受最大冲击扭矩Nx、Ny和Nz，可以得出，随着胶带中部初级采样器切割角速度上升Ny和Nz同步增大，Nx在转速从1.1 r/s 变化为1.2 r/s 时有减少趋势。即随着切割角速度的增大，沿煤流方向所受冲击扭矩和竖直垂直煤流方向所受到冲击扭矩逐步增大，水平垂直煤流方向所受到的冲击扭矩在切割角速度从1.1 r/s 变化为1.2 r/s 时有减少趋势[2-3]。

3 胶带中部采样代表性研究

针对前文提到的2 m 宽胶带中部初级采样器，在离散单元法仿真模型中分别设置切割斗角速度为0.8 r/s、0.9 r/s、1.0 r/s、1.1 r/s 和1.2 r/s，进行离散元仿真和颗粒回溯，统计回溯至输煤主胶带上的颗粒坐标，得出输煤胶带横截面颗粒分布云图如下页图1所示。

图1 胶带中部初级采样器在切割器不同转速下的横截面颗粒数云图

可以得出输煤胶带横截面颗粒分布云图随着胶带中部初级采样器切割斗角速度的不断增加最大颗粒数不断降低。沿煤流横截面煤粒分布的离散系数保持在0.532 1～0.524 9 之间，随着切割斗转速的增加无明显的改变，即胶带中部初级采样器在切割斗角速度在0.8～1.2 r/s 变化时，其采样代表性波动范围为1.4%，可以认为无明显变化如图2 所示。

图2 胶带中部初采器在切割器不同转速下的横截面离散系数曲线

2 m 宽胶带中部采样器切割器角速度分别为0.8 r/s、0.9 r/s、1.0 r/s、1.1 r/s 和1.2 r/s 时，对其采集到的煤粒回溯至胶带进行统计分析后，得出沿煤流方向的颗粒位置分布图如图3 所示。

图3 胶带中部初级采样器在切割器不同转速下的沿煤流方向颗粒数云图

可以得出沿煤流方向的煤粒数量分布云图随着切割斗角速度从0.8～1.2 m/s 在Z 轴方向长度降低，可以认为采集到的颗粒在Z轴方向越来越集中。随着角速度的上升其沿煤流方向的位置标准差下降较快，从0.332 6 m 降到0.215 7 m，降低了35.1%，可以认为其采集颗粒的原始位置沿煤流方向分布更集中。

4 结论

为了研究胶带中部采样中切割斗角速度对煤流冲击和采样效果的影响，在离散单元法仿真模型中建立胶带中部初级采样模型，针对不同的切割斗角速度分别进行模拟分析，得出了不同切割斗角速度下，切割斗在采样过程中受到的冲击力和冲击扭矩。在离散元仿真模型中把胶带中部初级采样器切割斗的角速度分别设定为0.8 r/s、0.9 r/s、1.0 r/s、1.1 r/s 和1.2 r/s，分别在离散元模型中进行胶带中部初级采样过程仿真，切割斗角速度为1.2 r/s 时，其所受X，Z方向的冲击力最大，分别为-99 72.1 N、23 224.1 N，其所受Y，Z 方向的冲击扭矩最大，分别为-2 697.7 N·m，-4 379.2 N·m；角速度为1.1 r/s 时，其所受Y方向的冲击力最大，为4 833 N，其所受X 方向的冲击扭矩最大，为-6 585.2 N·m。同时可以得出，随着切割角速度的增大，沿煤流方向所受冲击力和水平垂直煤流方向所受到冲击力逐步增大，竖直垂直煤流方向所受到的冲击力相对稳定；沿煤流方向所受冲击扭矩和竖直垂直煤流方向所受到冲击扭矩逐步增大，水平垂直煤流方向所受到的冲击扭矩在切割角速度从1.1 r/s 变化为1.2 r/s 时有减少趋势。

通过研究胶带中部初级采样器切割斗在不同角速度下输煤胶带横截面煤炭颗粒分布的离散系数。得出沿煤流横截面煤粒分布的离散系数保持在0.532 1～0.524 9 之间，随着切割斗转速的增加无明显的改变，即胶带中部初级采样器在切割斗角速度在0.8～1.2 r/s 变化时，其采样代表性波动范围为1.4%，可以认为无明显变化。同时，可以得随着角速度的上升其沿煤流方向的位置标准差下降较快，从0.332 6 m 降到0.215 7 m，降低了35.1%，可以认为其采集颗粒的原始位置沿煤流方向分布更集中。