离散煤料与转运结构磨损关系的研究

秦 翥

中煤科工集团上海有限公司 上海 200030

转运系统作为无人化煤矿综采工作面的关键装备，对截割后离散煤料的转运轨迹进行有效约束，在安全、连续生产中起着至关重要的作用[1]。但在实际工程中，设计人员根据经验及对煤料特性的熟悉程度，通过查找设计手册完成转运系统结构部件的选型与装配，难以实现精益制造。据统计，转运系统中约 80% 以上的停机用于转运结构维护。因煤料高强度、长时间的冲击与碰撞，使包括头部挡板、底部衬板在内的转运关键部件磨损较为严重，对其修缮、更换约占停机维护主因的 47.6%[2]。目前，国内外主要通过对头部挡板、底部衬板定期检修、周期性更换部件的方式，来降低因其磨损严重对转运系统正常运转造成的影响，但因缺少针对结构参数与离散煤料转运轨迹间的关系研究[3]，难以有效解决因转运系统结构设计不合理造成的磨损问题。

针对离散煤料在转运过程中造成关键部件磨损的原因，笔者使用在区域时间内，单元煤料对转运系统结构部件的冲击作用力进行分析。由分析可知，转运系统中的卸料输送带带速、曲率半径参数与煤料对头部挡板、底部衬板的磨损具有关联关系。采用 EDEM BulkSim 离散元仿真软件对曲线型转运结构进行数值模拟[4]，利用 Hertz-Mindlin with JKR、Archard Wear及 Standard Rolling Friction 模型，对不同卸料输送带带速下，煤料对头部挡板、底部衬板的磨损深度进行分析；对不同曲率半径下，煤料对底部衬板的磨损过程进行仿真。通过研究，旨在为煤料转运系统的结构优化提供理论依据与数据支撑，并有效降低转运过程中，煤料对头部挡板、底部衬板的磨损[5-6]。

1 转运系统关键部件磨损原因分析

1.1 头部挡板磨损原因分析

转运过程中，煤料间、煤料与转运结构部件间的磨损类型可分为黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损以及腐蚀磨损，通常会呈现一种磨损类型为主、其他磨损类型共生的现象[7-8]。根据实际工况，转运结构中头部挡板、底部衬板的磨损问题较为突出[9]，究其原因主要在于转运煤料对头部挡板及底部衬板的冲击作用力过大、持续时间过长[10]。

单元煤料对头部挡板的冲击作用力如图1 所示，根据动量守恒定律，相关力学模型可用式 (1) 表示：

图1 单元煤料对头部挡板的冲击作用力意Fig.1 Impact force of unit coal material on head baffle

式中：Fn1为单元煤料对头部挡板的法向冲击作用力，kg·(m·s-2)；t1为单元煤料从卸料输送带到头部挡板垂直距离为H1时所用的时间，s；Δm为单元煤料的质量，kg；v0为单元煤料进入转运系统的初始速度，t/s；g为单元煤料的重力加速度，m/s2；θ1为该单元煤料所处位置与头部挡板的倾角，(°)。

从式 (1) 可以看出，当转运结构参数固定时，单元煤料进入转运系统的初始速度与煤料对头部挡板的法向冲击作用力成正比；单元煤料进入转运系统的初始速度与卸料输送带带速相同，因此，卸料输送带带速应与煤料对头部挡板的法向冲击作用力成正比，即卸料输送带带速与头部挡板的磨损程度成正比。

1.2 底部衬板磨损原因分析

曲线型转运系统中，单元煤料对底部衬板的冲击作用力如图2 所示，相关力学模型可以用式 (2) 表示：

图2 单元煤料对底部衬板的冲击作用力Fig.2 Impact force of unit coal on bottom liner

式中：Fn2为单元煤料对底部衬板的法向冲击作用力，kg·(m·s-2)；t2为单元煤料从卸料输送带到达底部衬板所用的时间，s；θ2为该单元煤料所处位置与底部衬板的倾角，(°)；r为转运结构的曲率半径，m。

从式 (2) 可以看出，当转运结构参数固定时，单元煤料进入转运系统的初始速度与煤料对底部衬板的法向冲击作用力成正比；单元煤料进入转运系统的初始速度与卸料输送带带速相同，因此，卸料输送带带速应与煤料对底部衬板的法向冲击作用力成正比，即卸料输送带带速与底部衬板的磨损程度成正比；而转运结构的曲率半径与煤料对底部衬板的冲击作用力成反比，即转运结构的曲率半径与底部衬板的磨损程度成反比。

2 仿真模型建立

2.1 三维仿真模型

根据工程实例，利用三维建模软件建立曲线型转运系统的几何模型，如图3 所示。其中，上下滚筒直径均为 1 040 mm，上下行输送带垂直距离为 8 800 mm，运量为 7 000 t/h，上下行输送带带宽为 1 800 mm，煤料与头部挡板的夹角为 12.5°，溜槽倾角为42.5°。根据实际工况，通过不同数量、粒径、位置的小球填充模板，形成扁平型、柱状型、八角型 3种类型的单元煤料颗粒，其中，50 mm 粒径煤料占比35.1%，100 mm 粒径煤料占比 40.7%，150 mm 粒径煤料占比 24.2%。

图3 曲线型转运系统几何模型Fig.3 Geometric model of curve-type transport system

2.2 仿真参数设置

仿真过程中忽略煤料颗粒间的黏性[11]，且不考虑卸料过程中气压梯度对煤料流动特性的影响，采用单一变量法，讨论离散煤料在不同卸料输送带带速、曲率半径下对头部挡板、底部衬板的磨损情况。构成待仿真曲线型转运结构及输送带的材料分别为耐磨钢、橡胶，转运离散煤料为原煤[12-13]，仿真中设置煤、钢、橡胶的本征参数如表1 所列。

表1 材料本征参数Tab.1 Material intrinsic parameters

仿真中的接触关系包括：煤与煤、煤与钢、煤与橡胶[14]，设置材料间接触参数如表2 所列。

表2 材料间接触参数Tab.2 Contact parameters between materials

离散元仿真软件中的 Archard 模型常用于研究非连续形变磨损，可以较好地描述离散煤料在转运过程中对转运结构产生的磨损[15]。

3 仿真结果分析

3.1 不同卸料输送带带速下头部挡板的磨损分析

取转运系统的曲率半径为 5 000 mm，通过查找DTⅡ(A) 型带式输送机设计手册 (第 2 版)，确定匹配仿真结构带宽、运量的推荐卸料输送带带速为 5.80 m/s，仿真中的重力加速度为 9.80 m/s2，仿真步长为 20%。仿真试验取低于、高于 5.80 m/s 20%、40%的 5 组数据，即将卸料输送带带速分别设置为 3.48、4.64、5.80、6.96、8.12 m/s，根据式 (3) 计算各带速下对应的滚筒转速。

式中：n为滚筒转速，r/min；v卸为卸料输送带带速，m/s；Dn为滚筒直径，m。

利用离散元软件完成仿真，导出相同数值比例尺下，不同卸料输送带带速的头部挡板磨损趋势，如图4 所示。

图4 同比例尺不同带速下头部挡板磨损区域示意Fig.4 Diagram of wear area of head baffle under different belt speeds with same scale

从图4 可以看出，当卸料输送带带速较低时，因煤料与头部挡板的接触数量降低，头部挡板的磨损区域面积较小、磨损深度数值较低；当卸料输送带带速增加时，头部挡板的磨损区域面积较大、磨损深度数值较高。在实际工况中，当卸料输送带带速过高时，煤料卸运轨迹将抛射越过头部挡板，造成头部挡板边侧磨损问题加重，与仿真显示情况一致。取各带速在300 s 处头部挡板的磨损深度，在专业统计软件中进行分析，结果如图5 所示。

图5 不同带速下头部挡板磨损深度对比Fig.5 Comparison of wear depth of head baffle under different belt speeds

从图5 可以看出，卸料输送带带速与头部挡板的磨损深度成正比。根据数值统计，当卸料输送带带速在推荐带速 5.8 m/s 的 20% 范围内浮动时，头部挡板磨损深度增幅比与卸料输送带带速增幅比差值为3%。因此，在满足运量的情况下，卸料输送带带速若在不超过推荐带速 20% 的范围内浮动时，头部挡板受磨损影响将增幅放缓；若卸料输送带带速调整数值超过推荐带速的 20% 时，应当调整头部挡板的物理距离，确保其在转运系统中控制煤流的转运轨迹。

3.2 不同卸料输送带带速下底部衬板的磨损分析

利用离散元软件完成仿真，导出相同比例尺、不同卸料输送带带速下的底部衬板磨损趋势，如图6 所示。

图6 同比例尺不同带速下底部衬板磨损区域示意Fig.6 Diagram of wear area of bottom liner under different belt speeds with same scale

从图6 可以看出，不同卸料带带速对底部衬板的磨损深度影响较小，磨损区域随卸料输送带带速增加而增加，卸运煤料到达受料输送带的冲击力也随之增加，与实际工况反应一致。取各带速在 300 s 处底部衬板的磨损深度，在专业统计软件中进行分析，结果如图7 所示。

图7 不同带速下底部衬板磨损深度对比Fig.7 Comparison of wear depth of bottom liner under different belt speeds

从图7 可以看出，底部衬板的磨损深度随卸料输送带带速的增加而增加。根据数值统计，当卸料输送带带速在推荐带速 5.80 m/s 的 20% 范围内浮动时，底部衬板磨损深度增幅比与卸料输送带带速增幅比差值为 1%～5%。因此，在满足运量的情况下，降低卸料输送带带速，可以降低底部衬板的磨损情况；当卸料输送带带速适当增加时，煤料对底部衬板的磨损影响程度较小。

3.3 不同曲率半径下底部衬板的磨损分析

取卸料输送带带速为推荐数值 5.80 m/s，分别设置转运系统的曲率半径为 3 000、4 000、5 000、6 000、7 000 mm。利用离散元软件完成仿真，导出相同数值比例尺、不同曲率半径下的底部衬板磨损趋势，如图8 所示。

图8 同比例尺不同带速下底部衬板磨损区域示意Fig.8 Diagram of wear area of bottom liner under different belt speeds with same scale

从图8 可以看出，不同曲率半径对底部衬板的磨损位置、面积均有较大影响，且磨损数值随曲率半径增加而降低，可见，当曲率半径增加时，煤料到达受料输送带的冲击作用力较低，与实际工况一致。取不同曲率半径下，300 s 时底部衬板的磨损深度最大数值进行统计，在专业统计软件中进行分析，结果如图9所示。

图9 不同曲率半径下底部衬板磨损深度最大值对比Fig.9 Comparison of maximum wear depth of bottom liner under different curvature radius

从图9 可以看出，底部衬板的磨损深度随曲率半径增加而减小。根据数值统计，当曲率半径在 5 000 mm 的 20% 范围内浮动时，底部衬板磨损深度增幅比与曲率半径增幅比差值为 3%～27%。因此，在满足工况的情况下，可适当增加转运系统的曲率半径，有利于延长底部衬板的使用寿命，但当曲率半径参数超过一定数值时，煤料对底部衬板的磨损影响程度减弱。

4 结论

(1) 通过冲击作用分析得出曲线型转运系统中的卸料输送带带速、曲率半径与头部挡板、底部衬板之间的磨损具有关联关系，即头部挡板、底部衬板的磨损随卸料输送带带速增加而增加，底部衬板的磨损随曲率半径的增加而减少。笔者通过建立三维模型，利用离散元仿真软件对理论结果进行验证。

(2) 对不同卸料输送带带速下的头部挡板、底部衬板进行磨损分析，验证了推理结论的正确性。利用数据统计，得出当卸料输送带带速在不超过推荐带速20% 的范围内浮动时，头部挡板所受磨损程度影响将等比例增加；当卸料输送带带速调整数值超过推荐带速的 20% 时，应当调整头部挡板的物理距离，确保其在转运系统中控制煤流的转运轨迹；当卸料输送带带速增加时，煤料对底部衬板的磨损影响程度较小。

(3) 对相同卸料输送带带速、不同曲率半径下的底部衬板进行磨损分析，通过仿真趋势图可以得出，不同曲率半径对底部衬板的磨损位置、磨损面积均有较大影响。利用数据统计得出，卸料输送带带速与底部衬板的磨损深度成反比，若适当增加转运系统的曲率半径，有利于延长底部衬板的使用寿命，但当曲率半径参数超过一定数值时，煤料对底部衬板的磨损影响程度减弱。