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，通過搭建多組仿真模型，得出了不同管徑與管長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，管徑越大，壓力損失越小。但管徑到達(dá)臨界值，其對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，綜采工作面長距離集中供液方式的應(yīng)用越來越廣泛。

長距離供液需要通過對供液管路管徑的合理選取來解決管路的壓力損失問題，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。對于長距離供液系統(tǒng)，所采用的管道較長，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，越來越多的領(lǐng)域在其研究過程中都引用了計(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臺乳化液泵進(jìn)行供液，每臺泵的額定流量為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臺或3臺乳化液泵，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)長距離供液管道的壓力和流量，可對圖1中供液系統(tǒng)模型進(jìn)行簡化，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，管長由100m增加至1600m搭建了多組仿真模型進(jìn)行對比分析，不同管徑下對應(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)長距離供液管道壓力損失與管長之間的關(guān)系。由圖3可以看出，壓力損失與管長成線性規(guī)律，隨著管長的增長，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L分別為100m，200m和300m時(shí)長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，管長越長，壓力損失越大。

圖3 管長與壓降關(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，供液管道長度為1600m，最大流量為400L/min，要求在整個(gè)供液過程中壓力損失不超過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，管長越長，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)際工況下的管長與流量，需合理選擇管徑，使壓力損失滿足要求;在長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。

［1］路甬祥.液壓氣壓技術(shù)手冊［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］

TH137

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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)公司羊場灣煤礦副礦長。