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)

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規(guī)律以及裝卸載時間，為箕斗結(jié)構(gòu)設(shè)計和立井提升系統(tǒng)設(shè)計提供參考和依據(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)物料的流動形態(tài)以及裝卸載時間對礦井生產(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規(guī)律，預(yù)測箕斗裝卸載時間對保證礦井高效運行有著重要意義。針對箕斗裝卸載過程，秦強(qiáng)等通過實驗總結(jié)出了箕斗卸載時間經(jīng)驗公式，并對其中部分參數(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)對箕斗的裝卸載時間進(jìn)行探討，提出了箕斗裝卸載時間的預(yù)測模型[2]。上述學(xué)者對于箕斗裝卸載過程的分析更多是基于經(jīng)驗公式和理論計算，很難直觀地觀察物料在箕斗內(nèi)的流動狀態(tài)，當(dāng)箕斗結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，經(jīng)驗公式參數(shù)獲取、理論公式求解計算將會比較困難。利用離散元模型模擬煤炭物料裝卸載過程在直接觀測物料流動的同時可以準(zhǔn)確預(yù)測物料裝卸載時間。本文基于離散元理論，以50t大型箕斗為研究對象，建立礦用箕斗的物料流動模型，實現(xiàn)箕斗裝卸載過程的動態(tài)模擬，為箕斗的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提升系統(tǒng)設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1 煤炭物料流動模型

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，從單個顆粒的角度來說是固體，而多個顆粒形成的集合體又顯示出流體的性態(tài)，具有流動性，能在一定范圍內(nèi)保持其形狀，因此，在進(jìn)行煤炭物料流動性分析時可采用離散單元法。

離散單元法[3](Discrete Element Method，簡稱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質(zhì)元的運動方程，利用動態(tài)松馳法迭代求解，從而獲得散體的整體運動形態(tài)。當(dāng)各個質(zhì)元之間的平均不平衡力趨于零時，散體呈現(xiàn)出穩(wěn)定堆積狀態(tài)。

離散元理論的動力學(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性分析的流程見圖1。

圖1 物料流動性分析流程

(1)對箕斗本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，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性分析時的外圍壁板，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，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，定量斗閘門開啟實現(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，利用離散元計算工具對物料流動模型進(jìn)行求解計算，其中計算時間步長應(yīng)滿足瑞利時步的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；在完成箕斗裝卸載之后停止計算，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 箕斗本體簡化及顆粒生成示意

2 實例分析

以國內(nèi)某50t立井外動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?；费b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煤炭物料時的流動模型如圖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)置好的物料流動分析模型導(dǎo)入DEM求解工具進(jìn)行計算可獲得不同時刻的物料流動狀態(tài)以及物料裝卸載時間曲線。

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形成圖3(d)所示的穩(wěn)定堆積狀態(tài)，這與實際井口觀察的真實煤炭物料堆積形態(tài)基本吻合。將計算結(jié)果進(jìn)行后處理可獲得物料裝載量與裝載時間的關(guān)系曲線圖，通過與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中的理論計算公式對比(如圖4所示)，可發(fā)現(xiàn)利用DEM數(shù)值模擬計算獲得的裝載時間與理論計算的裝載時間變化趨勢基本一致。模擬過程中，物料在裝載口會發(fā)生碰撞擠壓導(dǎo)致裝載時間曲線出現(xiàn)非線性，這是物料本身流動特性引起的，有利于掌握真實的物料裝載時間。

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，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間的關(guān)系曲線如圖6所示，卸載時間相對于裝載時間要短，這也符合礦井提升真實情況。

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)值模擬的物料流動性分析可以有效地預(yù)測箕斗裝卸載時間，并能夠觀察裝卸載過程中物料流動形態(tài)變化，掌握物料在斗箱內(nèi)的流動規(guī)律，便于設(shè)計人員根據(jù)物料流動特征調(diào)整箕斗結(jié)構(gòu)，保證箕斗高效可靠運行。

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的物料流動性分析方法，并針對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模型得到的裝卸載時間與理論計算得到的結(jié)論基本一致，同時可以掌握物料在箕斗內(nèi)的流動規(guī)律，便于設(shè)計人員根據(jù)物料流動特征調(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間預(yù)測[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間預(yù)測理論模型探討[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)展計劃(863計劃)資助項目(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輸設(shè)備的設(shè)計與開發(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