陳鐸

(神華寧煤煤業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏銀川750011)

基于AMESim的綜采工作面供液系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)及計(jì)算

陳鐸

(神華寧煤煤業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏銀川750011)

Pipe Design and Calculation of Liquid Feed System for Full-mechanized Mining Face Based on AMEsim

基于AMESim對(duì)綜采工作面供液系統(tǒng)管路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，利用管道分布參數(shù)模型替代了管道集中參數(shù)模型，通過(guò)搭建多組仿真模型，得出了不同管徑與管長(zhǎng)下壓力損失的變化規(guī)律，并以某礦綜采工作面實(shí)際工況為基準(zhǔn)進(jìn)行了校核。研究結(jié)果表明:管道越長(zhǎng)，管徑越大，壓力損失越小。但管徑到達(dá)臨界值，其對(duì)壓力損失的影響便十分微弱，接近該臨界值的管徑最為合理。經(jīng)過(guò)校核，仿真結(jié)果與實(shí)際接近，滿足實(shí)際工況要求，該方法具有一定的工程指導(dǎo)意義。

AMESim;綜采工作面;供液系統(tǒng)管路;仿真

1 概述

綜采工作面供液系統(tǒng)是綜采工作面液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，是綜采工作面正常運(yùn)行的必備條件。隨著礦井開采深度的加深，傳統(tǒng)的供液系統(tǒng)集中布置近距離供液已經(jīng)受到嚴(yán)重制約，綜采工作面長(zhǎng)距離集中供液方式的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

長(zhǎng)距離供液需要通過(guò)對(duì)供液管路管徑的合理選取來(lái)解決管路的壓力損失問(wèn)題，管徑合理選取的關(guān)鍵在于管道的壓力損失需在工程要求的范圍之內(nèi)，而壓力損失主要表現(xiàn)為沿程壓力損失，在流體力學(xué)中，常用的沿程壓力損失計(jì)算公式為［1］:

根據(jù)流體傳輸管道動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，流體管道特性包括含粘性剪切摩擦壓力損失引起的液阻、流體可壓縮性或柔性引起的液容和流體加速慣性作用引起的液感［2］。在管道較短的情況下，其動(dòng)態(tài)模型可以等效為液阻、液容與液感的純集中參數(shù)集合，式 (1)便是基于集中參數(shù)模型的管道壓力損失。對(duì)于長(zhǎng)距離供液系統(tǒng)，所采用的管道較長(zhǎng)，采用集中參數(shù)模型計(jì)算準(zhǔn)確性較差，需基于更加真實(shí)精確的分布參數(shù)模型。管道分布參數(shù)模型的計(jì)算方法采用頻域分析法，其計(jì)算過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，且不便于獲得時(shí)域中相關(guān)信息，為設(shè)計(jì)人員的工作帶來(lái)了極大的不便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真理論的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不斷提高，越來(lái)越多的領(lǐng)域在其研究過(guò)程中都引用了計(jì)算機(jī)仿真，而在液壓系統(tǒng)分析中通常采用AMESim這一仿真分析軟件［3］。

AMESim是法國(guó)Imagine公司在1995年推出的一種基于鍵合圖機(jī)械/液壓系統(tǒng)建模仿真以及動(dòng)力學(xué)分析軟件，用戶可使用已有模型或者建立新子模型元件，建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析。

2 仿真計(jì)算

2.1 供液系統(tǒng)的布置

綜采工作面供液系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 綜采工作面供液系統(tǒng)原理

以某煤礦的綜采工作面為例，供液系統(tǒng)主要有3臺(tái)乳化液泵進(jìn)行供液，每臺(tái)泵的額定流量為400L/min，額定壓力為31.5MPa，乳化液從泵流出經(jīng)高壓多通塊后會(huì)分為2個(gè)支路向綜采工作面進(jìn)行供液。實(shí)際工作中，通常開啟2臺(tái)或3臺(tái)乳化液泵，則每根供液管道內(nèi)的流量為 400L/min或600L/min，供液管道入口壓力為31.5MPa。

2.2 模型搭建

根據(jù)長(zhǎng)距離供液管道的壓力和流量，可對(duì)圖1中供液系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在AMESim中進(jìn)行仿真模型搭建，如圖2所示。

圖2 供液系統(tǒng)模型

供液系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為供液管道兩端分別設(shè)置特定壓力與特定流量的模型，壓力源設(shè)定為31.5MPa，流量源為400L/min和600L/min，管道模型選用HL030液壓鋼管或軟管的分布參數(shù)模型，該模型能精確計(jì)算管路中與頻率相關(guān)的摩擦損失，同時(shí)考慮液體的可壓縮性與慣性，管道兩端都安裝管接頭。

管道的分布參數(shù)模型為若干集中參數(shù)模型的集合，在AMESim中可設(shè)置集中參數(shù)模型個(gè)數(shù) (默認(rèn)為5)，每段集中參數(shù)模型管道的壓力與流量表達(dá)式為:

式中，P為管道各點(diǎn)的壓力;Q為管道各點(diǎn)的流量; ρ為流體密度;υ為流體運(yùn)動(dòng)黏度;l為集中參數(shù)模型下管道長(zhǎng)度;d為管道內(nèi)徑;β'為管道綜合彈性模量。

管道分布參數(shù)模型可以等效為多個(gè)集中參數(shù)模型串聯(lián)構(gòu)成，則其壓力與流量表達(dá)式為:

式中，P0…Pn為各段集中參數(shù)模型管道進(jìn)出口壓力;Q0…Qn為各段集中參數(shù)模型管道進(jìn)出口流量; Δl1…Δln為各段集中參數(shù)模型管道長(zhǎng)度。

管接頭分為擴(kuò)大管件與縮小管件2種類型，其壓力損失為局部壓力損失，管接頭處壓力與流量的表達(dá)式為:

式中，ξ為局部阻力系數(shù)，Cq為流量系數(shù)，ν為管道內(nèi)流體平均流速。

根據(jù)實(shí)際工況需求，按照管徑為 31.5mm，40mm，51mm，64mm，76mm，89mm，管長(zhǎng)由100m增加至1600m搭建了多組仿真模型進(jìn)行對(duì)比分析，不同管徑下對(duì)應(yīng)管接頭的關(guān)鍵參數(shù)均按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。乳化液密度為995kg/m3，動(dòng)力黏度為6cP，仿真時(shí)間設(shè)定為100s。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖3為管徑40mm，流量分別為400L/min與600L/min時(shí)長(zhǎng)距離供液管道壓力損失與管長(zhǎng)之間的關(guān)系。由圖3可以看出，壓力損失與管長(zhǎng)成線性規(guī)律，隨著管長(zhǎng)的增長(zhǎng)，壓力損失逐漸增加，在流量與管徑相同的情況下，壓力損失與管長(zhǎng)成正比，而流量越高，壓力損失越大。圖4為流量Q為400L/min，管長(zhǎng)L分別為100m，200m和300m時(shí)長(zhǎng)距離供液管道壓力損失與管徑之間的關(guān)系。由圖4可以看出，在管長(zhǎng)與流量相同的情況下，隨著管徑的增加，壓力損失急劇減小，當(dāng)管徑增加至某特定值，壓力損失變化幅度逐漸減小，最后趨近于0。同時(shí)可以看出，管長(zhǎng)越長(zhǎng)，壓力損失越大。

圖3 管長(zhǎng)與壓降關(guān)系分布

圖4 管徑與壓降關(guān)系分布

2.4 實(shí)際工況校核

以寧煤某工作面為例，供液管道長(zhǎng)度為1600m，最大流量為400L/min，要求在整個(gè)供液過(guò)程中壓力損失不超過(guò)2MPa。仿真結(jié)果如表1所示，選取管徑為64mm，其壓力損失為1.424MPa，滿足要求;實(shí)際系統(tǒng)中采用的管徑為64mm，其壓力損失為1.68MPa。仿真與實(shí)際工況較為接近，根據(jù)仿真結(jié)果所選取的管徑可以滿足實(shí)際工程要求。

表1 仿真結(jié)果

3 結(jié)論

長(zhǎng)距離供液管道壓力損失主要為沿程壓力損失，接頭處產(chǎn)生局部壓力損失很小，管長(zhǎng)越長(zhǎng)，流量越大，壓力損失越大;管徑越大，壓力損失越小。根據(jù)實(shí)際工況下的管長(zhǎng)與流量，需合理選擇管徑，使壓力損失滿足要求;在長(zhǎng)管道大流量的情況下，需選擇較大的管徑，隨著管徑的逐漸增大，壓力損失變化幅度顯著減小，管徑到達(dá)某值時(shí)，其對(duì)壓力損失的影響微乎其微，此時(shí)再增大管徑效果不再明顯，同時(shí)會(huì)大幅增加系統(tǒng)造價(jià)，降低系統(tǒng)安全等級(jí)。

［1］路甬祥.液壓氣壓技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］蔡亦鋼.流體傳輸管道動(dòng)力學(xué)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1990.

［3］李華聰，李 吉.機(jī)械/液壓系統(tǒng)建模仿真軟件 AMESim［J］.計(jì)算機(jī)仿真.2006(12).

［責(zé)任編輯:王興庫(kù)］

TH137

B

1006-6225(2012)04-0030-02

2012－06－11

陳 鐸 (1975－)，男，寧夏固原人，工程師，從事煤礦機(jī)電方面的管理工作，現(xiàn)任集團(tuán)公司羊場(chǎng)灣煤礦副礦長(zhǎng)。