王洪磊

(天地科技股份有限公司 高新事業(yè)部，北京 100013)

基于DEM數(shù)值模擬的超大型箕斗裝卸載分析

王洪磊

(天地科技股份有限公司 高新事業(yè)部，北京 100013)

根據(jù)煤炭物料的散體特性和離散元理論，建立大型提升箕斗裝卸載過程中的物料流動(dòng)模型，并利用DEM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，掌握大型箕斗裝卸載過程中的物料流動(dòng)規(guī)律以及裝卸載時(shí)間，為箕斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和立井提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

DEM；超大型箕斗；裝卸載

作為煤礦立井提升關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，箕斗內(nèi)物料的流動(dòng)形態(tài)以及裝卸載時(shí)間對(duì)礦井生產(chǎn)效率有著重要的影響，因此，掌握箕斗裝卸載過程中物料流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)箕斗裝卸載時(shí)間對(duì)保證礦井高效運(yùn)行有著重要意義。針對(duì)箕斗裝卸載過程，秦強(qiáng)等通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了箕斗卸載時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)其中部分參數(shù)獲取進(jìn)行了說明[1]。吳榮華等根據(jù)理論力學(xué)和松散物料力學(xué)的理論進(jìn)行推導(dǎo)，由已知的箕斗和定量斗的參數(shù)對(duì)箕斗的裝卸載時(shí)間進(jìn)行探討，提出了箕斗裝卸載時(shí)間的預(yù)測(cè)模型[2]。上述學(xué)者對(duì)于箕斗裝卸載過程的分析更多是基于經(jīng)驗(yàn)公式和理論計(jì)算，很難直觀地觀察物料在箕斗內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)箕斗結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)獲取、理論公式求解計(jì)算將會(huì)比較困難。利用離散元模型模擬煤炭物料裝卸載過程在直接觀測(cè)物料流動(dòng)的同時(shí)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物料裝卸載時(shí)間。本文基于離散元理論，以50t大型箕斗為研究對(duì)象，建立礦用箕斗的物料流動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)箕斗裝卸載過程的動(dòng)態(tài)模擬，為箕斗的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 煤炭物料流動(dòng)模型

由于煤炭物料在箕斗裝卸載過程中呈現(xiàn)出散體特征，其物理性質(zhì)介于固體和液體之間，從單個(gè)顆粒的角度來說是固體，而多個(gè)顆粒形成的集合體又顯示出流體的性態(tài)，具有流動(dòng)性，能在一定范圍內(nèi)保持其形狀，因此，在進(jìn)行煤炭物料流動(dòng)性分析時(shí)可采用離散單元法。

離散單元法[3](Discrete Element Method，簡(jiǎn)稱DEM)是上世紀(jì)70年代由Cundall教授提出的，其基本原理是將散體看作具有一定形狀和質(zhì)量的離散質(zhì)元集合，根據(jù)牛頓第二定律建立每個(gè)質(zhì)元的運(yùn)動(dòng)方程，利用動(dòng)態(tài)松馳法迭代求解，從而獲得散體的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。當(dāng)各個(gè)質(zhì)元之間的平均不平衡力趨于零時(shí)，散體呈現(xiàn)出穩(wěn)定堆積狀態(tài)。

離散元理論的動(dòng)力學(xué)方程如下[4]：

以離散單元法為理論基礎(chǔ)，利用離散元建模工具進(jìn)行大型箕斗物料流動(dòng)性分析的流程見圖1。

圖1 物料流動(dòng)性分析流程

(1)對(duì)箕斗本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將裝卸載過程中與煤炭物料發(fā)生接觸的壁面提取出來形成煤炭物料流動(dòng)性分析時(shí)的外圍壁板，并將其轉(zhuǎn)換成中性幾何文件。圖2(a)所示的是箕斗裝卸載過程幾何模型簡(jiǎn)化結(jié)果，其中包括定量斗，箕斗本體以及斗箱下部的扇形閘門?；费b載時(shí)，煤炭物料首先要在定量斗內(nèi)堆積稱重，當(dāng)箕斗到達(dá)指定位置時(shí)，定量斗閘門開啟實(shí)現(xiàn)箕斗裝載?；窛M載提升至卸料倉口處打開底部扇形閘門實(shí)現(xiàn)箕斗卸載。

(2)根據(jù)箕斗壁板材料屬性設(shè)置墻板的摩擦系數(shù)、泊松比和剪切模量等參數(shù)，利用離散元程序在定量裝載斗內(nèi)生成顆粒，顆粒的粒徑大小、物性參數(shù)以及分布規(guī)律需要根據(jù)箕斗所在工作礦區(qū)的煤質(zhì)特征進(jìn)行設(shè)定。顆粒形狀可采用球狀的剛性離散元，顆粒之間的接觸模型通常采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型。

(3)在完成定量裝載斗內(nèi)的顆粒生成之后，利用離散元計(jì)算工具對(duì)物料流動(dòng)模型進(jìn)行求解計(jì)算，其中計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)滿足瑞利時(shí)步的20%～30%；鄰居搜索網(wǎng)格尺寸應(yīng)控制網(wǎng)格單元總數(shù)目小于10萬個(gè)；在完成箕斗裝卸載之后停止計(jì)算，并將結(jié)果導(dǎo)入到后處理軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

圖2 箕斗本體簡(jiǎn)化及顆粒生成示意

2 實(shí)例分析

以國內(nèi)某50t立井外動(dòng)力卸載提升箕斗為例進(jìn)行裝卸載分析，其箕斗本體結(jié)構(gòu)可參見圖2，主要參數(shù)如表1所示。箕斗裝載設(shè)備為50t定量斗，裝載溜煤槽傾角為45°，裝載物料平均粒徑為10mm的塊煤。

表1 50t箕斗本體結(jié)構(gòu)主要幾何參數(shù)

根據(jù)前文所述的分析方法，建立箕斗裝卸載50t煤炭物料時(shí)的流動(dòng)模型如圖2(b)所示。首先在定量裝載斗內(nèi)生成平均粒徑為10mm，粒徑分布符合正態(tài)分布的煤炭物料，顆粒生成時(shí)沿裝載斗高度方向逐層生成，每一層達(dá)到平衡后，再生成上一層顆粒，由下而上，逐漸裝滿整個(gè)定量裝載斗，建模過程中所涉及的主要參數(shù)如表2和表3所示。

表2 材料屬性

表3 材料間接觸屬性表[5]

將設(shè)置好的物料流動(dòng)分析模型導(dǎo)入DEM求解工具進(jìn)行計(jì)算可獲得不同時(shí)刻的物料流動(dòng)狀態(tài)以及物料裝卸載時(shí)間曲線。

2.1 裝載過程分析

開啟定量裝載斗閘門，煤炭物料沿溜煤槽進(jìn)入箕斗斗箱內(nèi)，每隔5s取箕斗裝載過程物料流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行觀察(如圖3所示)。由圖4可知，箕斗裝載過程中，物料呈拋物線形狀進(jìn)入箕斗，在距箕斗頂部3.5m處形成沖擊后沿著左側(cè)壁板流入斗箱內(nèi)，并形成了左高右低的裝載曲面。當(dāng)裝載完畢，50t物料全部裝入斗箱后會(huì)形成圖3(d)所示的穩(wěn)定堆積狀態(tài)，這與實(shí)際井口觀察的真實(shí)煤炭物料堆積形態(tài)基本吻合。將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理可獲得物料裝載量與裝載時(shí)間的關(guān)系曲線圖，通過與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中的理論計(jì)算公式對(duì)比(如圖4所示)，可發(fā)現(xiàn)利用DEM數(shù)值模擬計(jì)算獲得的裝載時(shí)間與理論計(jì)算的裝載時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。模擬過程中，物料在裝載口會(huì)發(fā)生碰撞擠壓導(dǎo)致裝載時(shí)間曲線出現(xiàn)非線性，這是物料本身流動(dòng)特性引起的，有利于掌握真實(shí)的物料裝載時(shí)間。

圖3 50t箕斗裝載過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 箕斗裝載時(shí)間曲線

2.2卸載過程分析

當(dāng)箕斗斗箱內(nèi)物料滿載穩(wěn)定后，開啟斗箱下部的扇形閘門，觀察箕斗卸載過程的物料流動(dòng)形狀如圖5所示，卸載開始階段，物料上表面呈水平均勻下降，當(dāng)物料卸載約2/3時(shí)，受箕斗底部溜煤板影響左側(cè)物料卸載速度高于右側(cè)，形成了左低右高的卸載曲面，物料卸載量與卸載時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示，卸載時(shí)間相對(duì)于裝載時(shí)間要短，這也符合礦井提升真實(shí)情況。

圖5 箕斗卸載過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 箕斗卸載時(shí)間曲線

綜合上述50t箕斗裝卸載分析結(jié)果，基于DEM數(shù)值模擬的物料流動(dòng)性分析可以有效地預(yù)測(cè)箕斗裝卸載時(shí)間，并能夠觀察裝卸載過程中物料流動(dòng)形態(tài)變化，掌握物料在斗箱內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，便于設(shè)計(jì)人員根據(jù)物料流動(dòng)特征調(diào)整箕斗結(jié)構(gòu)，保證箕斗高效可靠運(yùn)行。

3 結(jié)論

將DEM方法引入到箕斗裝卸載分析中，提出了基于DEM的物料流動(dòng)性分析方法，并針對(duì)50t大型提升箕斗進(jìn)行了裝卸載過程分析。利用本文的物料流動(dòng)模型得到的裝卸載時(shí)間與理論計(jì)算得到的結(jié)論基本一致，同時(shí)可以掌握物料在箕斗內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，便于設(shè)計(jì)人員根據(jù)物料流動(dòng)特征調(diào)整箕斗結(jié)構(gòu)，為超大型箕斗提高裝卸載效率提供了參考依據(jù)。

[1]秦 強(qiáng)，吳焱明，趙 韓.箕斗卸煤過程分析與卸載時(shí)間預(yù)測(cè)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，42(2): 76-77.

[2]吳榮華，曹國華，王進(jìn)杰，等.超大型箕斗裝卸載時(shí)間預(yù)測(cè)理論模型探討[J].礦山機(jī)械，2012，42(7): 55-58.

[3]Cundall P A, Stracko D L.A discrete numerical model for granular assemblies[J].GPotechnique29，1979(1): 47-65.

[4]徐 爽，朱浮聲，張 俊.離散元法及其耦合算法的研究綜述[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013(1): 8-9.

[5]周文君，衛(wèi)紅波.基于EDEM的帶式輸送機(jī)輸送過程仿真及分析[J].煤礦機(jī)械，2013，35(5): 89-91.

[6]常明豐，裴建中.瀝青混合料二維數(shù)字重構(gòu)技術(shù)及離散元模型[J].公路，2010(2)：118-123.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

Loading and Unloading Analysis of Ultra-large Type Skip Based on DEM Simulation

WANG Hong-lei

(Advanced Technology Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying DEM software, material flow model of ultra-large skip during loading and unloading period was set up on the basis of coal granular characteristic and discrete element theory.Material flow rule, loading and unloading time of ultra-large skip were obtained, which provided reference and basis for skip structure design and shaft lift system design.

DEM; ultra-large skip; loading and unloading

2013-12-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.016

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA06A404)

王洪磊(1983- )，男，遼寧丹東人，博士研究生，助理研究員，從事煤礦礦井提升運(yùn)輸設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。

王洪磊.基于DEM數(shù)值模擬的超大型箕斗裝卸載分析[J].煤礦開采，2014，19(3)：57-59.

TD531.1

A

1006-6225(2014)03-0057-03