蘇永紅

（山西廣播電視大學(xué)，山西 太原 030027）

刮板形狀對(duì)平煤過程動(dòng)態(tài)行為影響的離散元模擬

蘇永紅

（山西廣播電視大學(xué)，山西 太原 030027）

針對(duì)目前市場(chǎng)上使用的平煤裝置在平煤過程中出現(xiàn)的一系列問題，從刮板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度，提出了一種對(duì)稱拋物線型的異型面結(jié)構(gòu)的平煤裝置，并使用離散元軟件對(duì)其進(jìn)行物理建模和運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果表明這種新型的平煤器刮板結(jié)構(gòu)能夠得到更好的平煤效果。

離散元；建模；異型面；平煤裝置

引言

隨著鐵路運(yùn)煤的高速化發(fā)展，煤運(yùn)列車的裝煤質(zhì)量有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在的鐵路裝煤方式是通過皮帶輸送的形式直接裝入無頂蓋的火車車廂內(nèi)，這種裝煤方式使得煤被轉(zhuǎn)入車廂后中間隆起煤峰，而車廂兩側(cè)則少煤或無煤。按照鐵路運(yùn)輸相關(guān)部門的規(guī)定，高出車廂的煤峰必須進(jìn)行平整，以免造成浪費(fèi)和環(huán)境的污染；煤炭若不平整必然會(huì)造成車廂的偏載，造成危險(xiǎn)。因此平煤裝置成為必要的設(shè)備，而刮板的形狀直接決定著平煤的效果。而目前市場(chǎng)使用的平煤器刮板并不能順暢地將中間堆起的煤排向火車車廂兩側(cè)，所以本文提出了一種對(duì)稱拋物線型異型面刮板，并利用離散元軟件對(duì)平煤過程進(jìn)行了仿真模擬，分析比較出這種異型面的刮板比市場(chǎng)上使用的長(zhǎng)方形刮板的平煤效果要順暢，具有良好的使用推廣性。

1　煤顆粒離散元力學(xué)模型

離散單元法這一研究方法是將研究對(duì)象進(jìn)行離散化分析，對(duì)顆粒群體的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究除了追蹤標(biāo)記某一典型顆粒體的運(yùn)動(dòng)外，還可以研究顆粒體群的運(yùn)動(dòng)情況。在本文建立的平煤過程離散元模型中，是以整個(gè)煤顆粒群體的運(yùn)動(dòng)狀況為研究目的，具體來說就是當(dāng)顆粒群體收到外界力的作用時(shí)，追蹤研究顆粒與顆粒之間、顆粒與外界載體之間接觸時(shí)的相對(duì)接觸力、相對(duì)速度和相對(duì)位移如何發(fā)生變化。離散元中有兩種接觸模型，即軟球模型和硬球模型［1］。根據(jù)軟球模型的原理，將相鄰顆粒球體在空間接觸時(shí)產(chǎn)生的作用力，化簡(jiǎn)為滑動(dòng)摩擦器、阻尼器和彈簧之間的互相作用，他們之間的接觸力劃分為切向接觸力和法向接觸力，如圖1所示。

圖1　離散元顆粒體的接觸模型

離散元中這種軟球模型實(shí)質(zhì)上是一種理論上接近的非線性的接觸模型，由這種模型而研究出的顆粒接觸力和相對(duì)位移都是非線性的關(guān)系，同時(shí)這個(gè)模型中所涉及到的接觸力有滑動(dòng)方向的摩擦力、顆粒之間的阻尼力以及顆粒自身的彈性力。由于煤炭中水分的存在，煤顆粒之間實(shí)際上是互相黏結(jié)的，平煤器推平煤峰顆粒的運(yùn)動(dòng)過程是一種非線性的運(yùn)動(dòng)過程，本文可據(jù)此采用離散元中的軟球模型，用滑動(dòng)摩擦器與彈簧阻尼器的變形力來近似地模擬在刮板推動(dòng)下煤顆粒之間的相互作用。

2　刮板形狀的建模

作為離散單元法的一種，PFC3D是一種基于顆粒流程序新的離散元數(shù)值模擬技術(shù)（Particle Follow Code），應(yīng)用其中內(nèi)含的顆粒堆積法，可以近似地將顆粒排列成某種特定的形狀，曾經(jīng)有研究者將這種方法應(yīng)用于超臨速球磨機(jī)內(nèi)部的導(dǎo)向板的生成［2］，模擬效果十分顯著，因此，本文將利用該軟件當(dāng)中的這一功能，結(jié)合其中的BALL命令生成單一顆粒球，而且能夠?qū)崿F(xiàn)將單個(gè)顆粒球在空間上按照指定的位置坐標(biāo)進(jìn)行排列，最終形成相應(yīng)數(shù)學(xué)函數(shù)的模擬刮板形狀。同時(shí)由于PFC3D中提供了Raft命令，這一命令又可以將之前生產(chǎn)的單獨(dú)顆粒形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)形狀，再利用“property pb_s=1e45 pb_n=1e45 range Raft”命令，賦予顆粒之間一定的黏結(jié)力，使得顆粒之間緊緊黏結(jié)在一起，最終成為一個(gè)牢固的模擬刮板［3］，為了進(jìn)行對(duì)比分析，本文建立兩種不同形狀的刮板，一種是市面上最常見的長(zhǎng)方形刮板，另一種是對(duì)稱拋物線型異型面刮板，其中對(duì)稱拋物線型刮板數(shù)學(xué)模型：x=-0.031 25y2+0.5y，x=0.054 1y2-1.189 4y+8.362 1。兩種模擬刮板的形狀如圖2、圖3所示：

圖2　長(zhǎng)方形平面刮板幾何模型

圖3　對(duì)稱拋物線型刮板幾何模型

3　平煤過程離散元模擬與分析

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段使用的平煤器裝置的刮板形狀以長(zhǎng)方形為主，這種結(jié)構(gòu)的平煤效果具有很大的局限性，火車車廂中間堆起的煤峰越來越多，無法在平煤的過程中同時(shí)將中間隆起的煤順利地排向車廂的兩側(cè)，所以要想實(shí)現(xiàn)平煤效果的改善，需對(duì)刮板的形狀進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。本文提出了一種對(duì)稱拋物線型的刮板形狀，由于這種形狀數(shù)學(xué)函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)的連貫性，預(yù)期它的平煤效果相對(duì)于長(zhǎng)方形刮板會(huì)更加理想。

PFC3D軟件［4］是ITASCA咨詢集團(tuán)公司專門開發(fā)出來用于研究三維圓形顆粒流程序軟件，主要針對(duì)球形顆粒介質(zhì)之間的相互作用或者運(yùn)動(dòng)分析，很多需要模擬土壤流動(dòng)的環(huán)境都利用這個(gè)軟件來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這個(gè)軟件靈活而又強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境［5］，可以有效追蹤仿真結(jié)果，因此本文將利用PFC3D軟件先對(duì)車廂、煤顆粒及刮板建好模型，然后利用該軟件內(nèi)嵌FISH語言進(jìn)行編程，對(duì)刮板平煤的初始速度和循環(huán)時(shí)步進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)煤顆粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行追蹤，當(dāng)程序進(jìn)行到指定時(shí)步時(shí)，刮板停止運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束，最后通過觀察兩種刮板作用下顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而對(duì)兩種刮板的平煤效果進(jìn)行分析，進(jìn)而確定出最佳的刮板形狀，圖4、圖5分別是兩種刮板在平煤結(jié)束時(shí)煤顆粒運(yùn)動(dòng)情況。

圖4　長(zhǎng)方形刮板平煤結(jié)束時(shí)煤顆粒運(yùn)動(dòng)情況

圖5　對(duì)稱拋物線型刮板平煤結(jié)束時(shí)煤顆粒運(yùn)動(dòng)情況

從圖4和圖5程序結(jié)束時(shí)煤顆粒排向車廂兩側(cè)的情況來看，很明顯長(zhǎng)方形刮板排向車廂兩側(cè)的煤顆粒要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拋物線型刮板的排煤效果。上述的這種效果是從煤顆粒的具體分布情況上得出的結(jié)論，那么還可以從煤顆粒運(yùn)動(dòng)的速度矢量圖進(jìn)行分析比較，如圖6、圖7所示。

從煤顆粒的速度矢量圖也可以看出來，圖6中煤顆粒的運(yùn)動(dòng)指向車廂兩側(cè)的很少，大部分都集中指向上方，也就是說大量堆積在車廂的中間，圖7中煤顆粒的運(yùn)動(dòng)方向大量指向車廂的兩側(cè)，排煤效果好，所以長(zhǎng)方形刮板遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有對(duì)稱拋物線型這種異型面刮板的平煤效果好。

圖6　長(zhǎng)方形刮板平煤結(jié)束時(shí)煤顆粒運(yùn)動(dòng)速度矢量圖

圖7　對(duì)稱拋物線型刮板平煤結(jié)束時(shí)煤顆粒運(yùn)動(dòng)速度矢量圖

4　結(jié)語

本文利用PFC3D軟件對(duì)長(zhǎng)方形和對(duì)稱拋物線型兩種刮板形狀的平煤效果進(jìn)行了模擬仿真，通過對(duì)比程序結(jié)束時(shí)兩種煤顆粒排向車廂兩側(cè)的情況，以及煤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度矢量圖可以得知，對(duì)稱拋物線這種異型面刮板由于其數(shù)學(xué)函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)的連貫性，可以將中間隆起的煤峰順利排向車廂的兩側(cè)，所以相對(duì)于長(zhǎng)方形刮板具有良好的平煤效果。

［1］Mindlin R D，Deresiewicz H.Elastic spheres in contact under varying oblirue forces［J］. Journal of Application Mechanics，1 95 3，20（3）：1 07-116.

［2］王燕民，李竟先，F(xiàn)ORSSBERG Eric.顆粒堆積現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬（英文）［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2003（2）：1 6 9-1 78.

［3］Cundall P A，Strack O D L.A discrete numerical model for granular assemblies［J］.Geotechnique，1979，2 9（1）：47-6 5.

［4］Cundall P A， Strack O L. Particle flow code in dimensions［M］. Itasca Consulting Group，Inc，1999.

［5］蘇永紅.試論P(yáng)FC3D在平煤器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用［J］.山西廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）：41-42.

（編輯：賈娟）

The Discrete Element Simulation of Interfere with the Leveling Process Dynamic Behavior of the Shape of Breaking-down Shovel

Su Yonghong
（Shanxi Radio&TV University，Taiyuan Shanxi 030027）

In the light on a series of problems in the process of leveling of flat coal equipment at present， this paper puts forward a kind of symmetric parabolic heterogeneous surface structure of the leveling device，and uses the discrete element software carrying on the physical modeling and movement simulation. The simulation results show that This new type of leveling scraper structure can get better leveling effect.

discrete element method； modeling； heterogeneous surface； flat coal equipment

TH227

A

2095-0748（2016）15-0059-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.25

2016-06-28

蘇永紅（1985—），女，河北邯鄲人，助教，現(xiàn)就職于山西廣播電視大學(xué)，從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究。