袁印翔

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

采煤機(jī)作為關(guān)鍵的采礦機(jī)械發(fā)展出較多新技術(shù)和設(shè)計解決方案，使其具備在越來越困難的地質(zhì)條件下開采煤炭的能力。由于墻體幾何形狀、采煤機(jī)尺寸以及整體結(jié)構(gòu)彎曲會造成礦區(qū)裝載效率的下降。在這種情況下，正確設(shè)置采煤機(jī)向輸送機(jī)輸出的煤炭物料和煤流的性質(zhì)是最重要的。它可以防止或盡量減少機(jī)器協(xié)同運(yùn)作的一些潛在問題出現(xiàn)。常用的分析方法基于連續(xù)變形體理論處理煤炭松散顆粒的輸出。盡管實驗確定的結(jié)構(gòu)修正因素包含了一些特定的影響，但這種方法大大簡化了所討論結(jié)構(gòu)參數(shù)問題。利用現(xiàn)代計算機(jī)的計算能力和數(shù)值方法致力于解決與顆粒材料力學(xué)相關(guān)的問題，允許在采煤機(jī)正確布置之前對系統(tǒng)進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析，對采煤機(jī)初步設(shè)計階段的工程決策過程進(jìn)行機(jī)械設(shè)計[1]。

基于計算機(jī)模擬的不同設(shè)計的虛擬原型，獲得了在實驗室條件下不可能收集的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)。通過測試不同的結(jié)構(gòu)變形參數(shù)，對采煤機(jī)與煤炭相互作用進(jìn)行深入的分析，通過仿真模擬每個煤炭顆粒軌跡和速度下輸送機(jī)的運(yùn)輸過程，設(shè)計出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 離散元法模擬煤炭物料方法簡介

離散元法是一組數(shù)值方法和算法，現(xiàn)在被廣泛用于模擬顆粒材料的力學(xué)和工業(yè)過程，其中存在與顆粒材料的運(yùn)輸、加工或儲存相關(guān)的問題。材料的宏觀行為反映在表征元素的微參數(shù)的選擇以及相對簡單的元素之間接觸的流變學(xué)模型上。微觀參數(shù)可分為幾何參數(shù)和物理參數(shù)（形狀、尺寸、密度）和本構(gòu)參數(shù)（接觸剛度、阻尼）[2]。要確定的必要微參數(shù)的總數(shù)取決于選定的接觸模型。如圖1 所示，為了計算效率和簡化接觸檢測，碳元素通常表示為球體或球體礫巖。在每個時間步長的開始時，根據(jù)粒子和邊界表面的已知位置更新接觸集。然后，對于每個應(yīng)用流變模型（接觸模型），計算由于元素的相對運(yùn)動和位置變化而作用在元素上的接觸力，其中kn為正向接觸剛度、ks為切向接觸剛度、u 為摩擦系數(shù)。

圖1 煤炭物料離散化接觸模型的應(yīng)用示意圖

2 采煤機(jī)切削仿真參數(shù)環(huán)境設(shè)置

2.1 模型的建模原理

模擬模型中最重要的部分是適當(dāng)反射的散裝材料。在PFC3D 中建立正確的材料模型，需要校準(zhǔn)其以下特性[3]：顆粒的大小和形狀；密度和體積密度；摩擦系數(shù)；正常硬度和切向剛度；阻尼系數(shù)在數(shù)值實現(xiàn)之前，有必要定義煤炭材料的基本物理和機(jī)械特性。對一個具有代表性的煤炭樣品進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的實驗室測試。然后確定了特定的煤炭物料密度、體積密度和摩擦系數(shù)（內(nèi)外摩擦）。采用直接剪切試驗和可調(diào)節(jié)角度的鋼滑槽測量摩擦系數(shù)，記錄了顆?；瑒娱_始時的角度。具體數(shù)據(jù)：大體積密度為837 kg/m3、滑動開始時的滑槽角為24.3°、外摩擦系數(shù)為0.55、內(nèi)摩擦系數(shù)為1.12、內(nèi)摩擦角47.8°[4]。

2.2 幾何圖形建模

在PFC3D 建模軟件中直接成功地創(chuàng)建簡單的幾何元素，如平面墻、圓柱體或矩形。使得采煤機(jī)三維模型的建立更加的省時省力。PFC3D 建模軟件程序允許導(dǎo)入在外部程序例如SolidWorks 軟件創(chuàng)建的CAD 模型。為了提高仿真的效率，減少構(gòu)成模擬中使用的幾何模型的細(xì)小零碎部件的數(shù)量，通過減少可能與材料相互作用的對象的數(shù)量，從而顯著提高了計算速度，因此，必須將幾何圖形相互干涉的情況考慮在內(nèi)。建立起采煤機(jī)三維模型如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)三維模型示意圖

2.3 仿真假設(shè)

采煤機(jī)三維模型采用了以下簡化假設(shè)：對于選定的條件，采煤機(jī)的速度是恒定的，并且任何由此產(chǎn)生的運(yùn)動阻力都不會導(dǎo)致其變化；切割筒挖掘的煤炭材料需要根據(jù)描述切削滾筒開采過程的分析模型進(jìn)行確定，計算按照一定流體的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行考慮；煤炭顆粒不可破碎；模擬時間為15 s。

同時設(shè)置仿真參數(shù)：進(jìn)料速度為10 m/min、采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速為59 r/min、線桿螺距為0.75 m、滾筒直徑為1 300 mm、帶刀具滾筒直徑為1 400 mm、煤層高度為1.5 m、剪切深度為0.7 m[5]。

已知的最大切削深度g 和一次旋轉(zhuǎn)的時間t，并知道在滾筒的每次移動之前，具有切割鎬的滾筒的直徑為1 400 mm，按照一定的前進(jìn)速度切削煤炭材料，實際上在進(jìn)行開挖過程中，只是理論上滿足每次開挖后松散材料的裝載量。圖3 所示為開采工藝模擬圖形，其中1 為煤炭顆粒模型、2 為切削進(jìn)入量。

圖3 采煤機(jī)開采工藝模型圖（單位：mm）

3 仿真結(jié)果分析

圖4-1 為上切削開采過程仿真結(jié)果，圖4-2 為下切削開采過程仿真結(jié)果?？梢钥吹?，在上切割開采的情況下，裝載過程更為有效輸送到輸送帶的空氣更加均勻，填充了搖臂之間的空間，切割滾筒后面殘留的物料體積比下切削開采時少，輸送機(jī)后面的挖掘物料堆也證實了這一點(diǎn)。

上切削開采的缺點(diǎn)是大量挖掘物出現(xiàn)后，盡管加載效率更高，但煤流量更大使更多煤塊拋到滾筒身上，物料流分為三個主要路徑：主要落向輸送機(jī)、落在采煤機(jī)臂、落在采煤機(jī)后方切割滾筒。如果是平面的輸送帶，這可能會構(gòu)成潛在風(fēng)險，在機(jī)臂和機(jī)身頂板之間形成一個楔形物，增加了運(yùn)動的阻力。

將采煤機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化重新設(shè)計，將線桿螺距變更為0.6 m，螺旋升角為15°，這種情況下的裝載面積大大提高[6]。其他裝載區(qū)域約束可能會受到輸送機(jī)彎曲處和采煤機(jī)幾何形狀的影響。但是仿真結(jié)果允許在給定的參數(shù)下分析機(jī)器的運(yùn)行情況，并不會產(chǎn)生卡澀現(xiàn)象。

圖5 展示了參數(shù)優(yōu)化后采煤機(jī)外部的視圖，顯示了煤炭物料在滾筒葉片之間的空間中的分布情況?？梢钥吹侥M煤炭物料的顆粒，全部朝著滾筒的旋轉(zhuǎn)方向向上拋出，并不會在采煤機(jī)與輸送帶之間發(fā)生卡澀情況，提高了煤流的通過速度和整機(jī)開采效率，通過實驗表明采煤機(jī)采用上行切割開采方式效率顯著提高，可以將采煤機(jī)線桿螺距和螺旋升角的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行再優(yōu)化。

圖5 優(yōu)化后采煤機(jī)上切削開采示意圖

4 結(jié)論

基于數(shù)值模擬技術(shù)的研究方法是一種有效的方法驗證和優(yōu)化設(shè)計解決采煤機(jī)結(jié)構(gòu)問題的手段。這不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計的成本經(jīng)濟(jì)方面，也可在保護(hù)工作環(huán)境的情況下驗證采煤機(jī)在一定地質(zhì)條件下工作時所選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，所獲得的結(jié)果能用于所選結(jié)構(gòu)參數(shù)對模型響應(yīng)所產(chǎn)生的影響比較，在對實際結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有著重要的意義。仿真結(jié)果表明，采煤機(jī)在平板軌道上工作時，呈向上角度采礦效果更佳。在進(jìn)行井下開采時，滾筒呈向下裝載效率要低得多。這種現(xiàn)象與煤流軌跡有關(guān)，在這種切割方法的情況下，約束加載區(qū)域的形成使許多煤炭物料都拋向了滾筒的后方。