基于EDEM的煤矿水仓清仓机集泥装置性能研究

崔 义，赵全文，王鹏鹤，路 辉，赵 宇，胡殿波，谢 苗

(1.扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古 满洲里 021400；2.扎赉诺尔煤业有限责任公司 灵露煤矿，内蒙古 满洲里 021400；3.扎赉诺尔煤业有限责任公司 灵东煤矿，内蒙古 满洲里 021400；4.扎赉诺尔煤业有限责任公司 灵泉煤矿，内蒙古 满洲里 021400；5.辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000)

煤矿井底水仓成为矿井安全保障和生态环境保护的关键基础设施，需定期进行清理[1]。目前普遍采用以清仓机为主以人工为辅的清仓方式[2-4]。煤泥清挖机采用螺杆集淤以及送料的方式完成煤泥的清理[5，6]。在运输过程中，煤泥随着叶片共同运动，两者间存在复杂的力学耦合机制。

本研究建立了煤矿水仓清仓机集泥装置的双螺旋EDEM仿真模型，探究了运送物料质量与传动比、传动比与转矩的关系，此研究对提高煤矿水仓清仓机集泥装置性能具有重要意义。

1 力学模型的建立

1.1 物料输送过程

水仓清仓机如图1所示。图1中箭头表征了煤矿井下水仓清仓机集泥过程中的煤泥流向，前端两螺旋铰刀旋向相同，通过锥齿轮啮合使得转动方向相反，以此使煤泥向中间聚集。聚集到中部的煤泥通过倾斜放置的后端螺旋铰刀运送到储料斗内，完成煤泥清挖工作。

图1 水仓清仓机示意

1.2 煤泥颗粒受力分析

为了简化研究，对煤泥颗粒进行受力分析，由于颗粒质量较小，可忽略本身重力对力学分析的影响[16]。基于散体力学理论，建立螺旋铰刀力学模型如图2所示。

图2 螺旋铰刀力学模型

由于螺旋面和煤泥颗粒之间存在摩擦，使得煤泥颗粒所受合外力P偏离了β角，对于清仓机而言，其所用的螺旋铰刀为热压或冷轧钢板拉制的螺旋面，可忽略表面粗糙度对β角的影响，近似认为β角为颗粒和螺旋铰刀之间的摩擦角。

沿螺旋面法向的正压力为：

P1=Pcosβ

(1)

垂直于法向的摩擦力为：

P2=Psinβ

(2)

式中，P为颗粒所受合外力，N；β为颗粒和螺旋铰刀之间的摩擦角，(°)。

本研究小组随机选取2014年11月至2017年11月在我院住院的100例患者,按照本研究小组制定的诊断标准:1.有慢性劳损史或外伤史。2.患者有头痛不适感和颈部疼痛、僵硬不适感。3.查体符合“四部27点中两部2点或两部2点以上规律”。4按揉阳性压痛点疼痛马上缓解。5.颈部CT有颈部间盘突出或X光有骨质增生或生理弯曲消失。诊断后按本研究小组的治疗方案进行治疗。临床评价效果:总有效率为90%以上(包括显效率和有效率)。显效率85例,占85%,有效率5例,占5%,无效率10例,占10%。通过临床观察与电话随访,绝大部分患者反应疗效持久,较为满意。

轴向推送力：

Px=Pcos(α+β)

(3)

式中，α为螺旋面的螺旋升角，(°)。

离心力为：

Py=Psin(α+β)

(4)

假设物料在螺旋输送机进口处为零势能点，利用能量法建立煤泥颗粒的能量平衡方程为：

其中，合速度：

式中，m为物料质量，kg；g为重力常数，9.8 N/kg；h为螺旋输送机的竖直高度，m；l为螺旋输送机长度，m；n为螺旋铰刀转速，(°/s)；r为煤泥颗粒到螺旋铰刀轴线的距离，m。

一个几何参数固定的螺旋铰刀，v仅和转速n有关，引入常数K0。

由式(8)可知，颗粒受到的轴向推送力Px和离心力Py的大小和螺旋铰刀的转速n成正比，增大转速有利于提高运输效率，但过大的转速将会导致离心力过大，使得颗粒沿径向飞出，反而会降低传输效率，增加不必要的能耗。在设计螺旋铰刀转速时，应保证其转速不超过某一极限转速。

2 EDEM仿真模型的建立

螺旋铰刀参数表见表1。按照表1参数，借助三维绘图软件Solidworks绘制螺旋铰刀模型，并将三维模型导入EDEM中，设置颗粒以及几何体的材料属性以及接触参数。

表1 螺旋铰刀参数

几何体的材料属性表见表2。接触参数表见表3。

表2 几何体的材料属性

表3 接触参数

各项参数设置完成后，需要对颗粒形状进行设置。EDEM中仅为用户提供了圆形颗粒，但煤泥颗粒为复杂的多面体，其形状具有不规则性。为了使颗粒形状尽可能符合实际情况，采用圆形颗粒填充方式对不同形状的煤泥颗粒进行拟合。

为了研究不同传动比对运输效率的影响，根据《螺旋输送机》(JB/T 7679—95)标准及结合煤泥性质设定前端螺旋铰刀的转速为100(°/s)，后端螺旋铰刀转速按照下表所示的传动比在70～140(°/s)内设定。由于煤本身具有一定的粘性，煤泥颗粒的自接触模型以及煤泥颗粒与几何体之间的接触模型设为Hertz-Mindlin with JKR粘性模型[17]。

所有设置完成后得到EDEM耦合模型如图3所示。

图3 EDEM耦合模型(mm)

3 仿真结果分析

仿真试验数据表见表4。

表4 仿真试验数据

利用数值分析软件MATLAB对试验数据进行处理，得到质量-转速关系如图4所示。从图中观察可知，随着转速不断增大，单位时间内物料的运送质量也在不断增大，近似为一条二次曲线，但弧度较小。

图4 质量-转速关系

采用最小二乘法进行数据拟合，一次拟合直线和数据点之间的关系如图5所示。从图中分析可以得到，数据点近似分布在拟合直线附近。

图5 一次拟合直线和数据点之间关系

二次拟合曲线和数据点之间关系如图6所示。从拟合效果对比来看，二次多项式较能说明运料质量和后端螺旋铰刀的转速之间的关系。

图6 二次拟合曲线和数据点之间关系

为了进一步验证对拟合曲线猜想的正确性，将前端螺旋铰刀转速设定为200(°)/s进行仿真，得到50 s内运送的质量为226.83 kg。其中一次拟合多项式在该点的计算值为196.72 kg，偏差较大；二次拟合多项式在该点的计算值为227.9 7 kg，和仿真计算的结果较为接近。因此在理想情况下，当前端螺旋铰刀转速确定时，50 s内后端螺旋铰刀的运料质量同传动比成二次函数关系。

单一分析转速对效率提升的影响时，基于二次曲线的特性，随着转速的不断提高，颗粒的运送速度会明显增加。但是在转速提升的同时，螺旋铰刀所受转矩也会发生变化。在实际情况中，也并不为了追求绝对的输送效率而忽略设备的转矩和功率。因此在仿真过程中，利用EDEM的后处理模块提取了螺旋铰刀转矩随时间变化的图像。

传动比1∶0.9时的螺旋铰刀转矩如图7所示，后端螺旋铰刀的转矩峰值明显高于前端螺旋铰刀。

图7 传动比1∶0.9时的螺旋铰刀转矩

由于螺旋铰刀转矩随时间变化幅度较大且缺乏规律性，不同传动比下的后端螺旋铰刀转矩难以比较，因此在MATLAB中利用中位数指令提取出每组试验数据的中位数作为螺旋铰刀的参考转矩。螺旋铰刀转矩表见表5。

表5 螺旋铰刀转矩

通过对比同一螺旋铰刀在不同传动比下的转矩值，发现后端螺旋铰刀的转矩并无明显规律。而前端螺旋铰刀转矩在一定范围内随传动比的增加逐渐减小，在传动比为1∶1.1时达到最小，当传动比在1∶1.1～1∶1.4范围内无明显变化。对比不同螺旋铰刀转矩，发现后端螺旋铰刀所受转矩显著高于前端螺旋铰刀。

4 结 论

1)随着传动比不断增大，单位时间内物料的运送质量也在不断增大，其散点分布近似为一条弧度较小的二次曲线。当前端螺旋铰刀转速确定时，后端螺旋铰刀的运料质量同传动比成二次函数关系，为组合螺旋铰刀传动比的选择提供了理论基础。

2)后端螺旋铰刀的扭矩随传动比变化并无明显规律，但扭矩值全程高于前端螺旋铰刀的扭矩值，而前端螺旋铰刀扭矩在一定范围内随传动比的增加逐渐减小，在传动比为1∶1.1时达到最小，这为前后端螺旋铰刀的选材及进进一步优化提供了理论基础。