煤礦立井裝載用板式定量輸送機的仿真分析

席啟明

(中國煤炭科工集團 天地科技股份有限公司，北京100013)

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煤礦立井裝載用板式定量輸送機的仿真分析

席啟明

(中國煤炭科工集團 天地科技股份有限公司，北京100013)

[摘要]針對國內(nèi)首套50t煤礦立井裝載用板式定量輸送機的研制，采用基于DEM的流動性分析方法模擬樣機運行速度和物料堆積尺寸在慢速布料、快速裝載不同工況下的料流形態(tài)及運行時間，探討提高裝載速度縮短裝載時間后輸送鏈在高速重載工況下的動態(tài)特性。仿真結果表明，對布料、裝載過程的物料流動性模擬為樣機關鍵參數(shù)的確定和優(yōu)化提供了依據(jù)，對樣機鏈傳動在高速重載工況下的動態(tài)特性分析提供了可靠性可視化的結果。上述研究結果為樣機設計奠定基礎，可為煤礦立井裝載用板式定量輸送機順利試制和實驗提供參考依據(jù)。

[關鍵詞]箕斗裝載；板式定量輸送機；流動性；鏈傳動

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.009

[引用格式]席啟明.煤礦立井裝載用板式定量輸送機的仿真分析[J].煤礦開采，2015，20(5)：34-36.

煤礦生產(chǎn)要求各生產(chǎn)環(huán)節(jié)相互配套，特別是主井箕斗裝載系統(tǒng)與提升系統(tǒng)配套。主井的生產(chǎn)能力和設備狀況直接關系到礦井安全生產(chǎn)和效益的提高，因此裝載方式和裝載設備的選擇極為重要[1]。立井的裝載方式主要有定量斗和板式定量輸送機2種[2]?，F(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)能力的不斷擴大要求提升容器不斷加大[3]，已逐漸形成了20~50t系列的大型箕斗，礦井的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益顯著提高。但隨著箕斗的增大，大噸位定量斗相應的裝載硐室由于高度高，出現(xiàn)了施工周期長、支護難度大等困難，對于軟巖層或奧陶紀含水層淺的礦井尤為突出。板式定量輸送機具有所需硐室高度低等優(yōu)點，國內(nèi)進行了引進和開發(fā)：開灤集團錢家營[4]、潞安集團常村[5]和屯留煤礦[6]分別引進德國板式定量輸送機。董一良[7]、佘夢桐[8-9]分別設計制造了25t和32t樣機并在永城陳四樓、開灤呂家坨進行了試驗和應用。此外國內(nèi)學者利用甲帶或輸送帶承載，研制了帶式定量輸送機應用到龍煤雞西公司榮華立井[10]和平煤十三礦的改造[11]。綜合比較起來，板式定量輸送機是除定量斗外應用最廣的裝載方式，但受國內(nèi)制造水平限制、國外引進設備價格昂貴以及在部分礦井使用中存在缺陷等多方面影響，在國內(nèi)沒有大范圍推廣。國家西部大開發(fā)“十二五”規(guī)劃中提出“重點建設一批現(xiàn)代化露天煤礦和千萬噸級安全高效礦井”，針對西部地區(qū)礦井的特殊地質(zhì)條件和為實現(xiàn)裝載技術裝備的自動化、智能化，重新認識和探討主井箕斗的板式定量輸送機裝載方式，研制適用于50t箕斗的板式定量輸送機，具有十分重要的意義。為優(yōu)化樣機主要參數(shù)并預測關鍵零部件的可靠性，對板式定量輸送機的裝卸載過程和鏈傳動性能進行了仿真。

150t板式定量輸送機的工作原理

板式定量輸送機組成的裝載系統(tǒng)由井底煤倉弧形閘門、箕斗分配平板閘門及裝載口分叉溜槽配套組成，如圖1所示。

圖1　箕斗裝載系統(tǒng)組成

當箕斗在井上卸載完畢向井下運行，一定延時后板式定量輸送機慢速啟動，井底煤倉大閘門打開向板式定量輸送機裝煤，在箕斗提升時間內(nèi)裝載到額定質(zhì)量后，板式定量輸送機的稱重傳感器發(fā)出信號關閉閘門，板式定量輸送機低速運行等待箕斗到位，此時分料閘門動作，開通當前裝載箕斗分叉溜槽通路?；返轿缓蟀l(fā)出到位信號，檢測到分料板到位后板式定量輸送機加速，快速向箕斗裝煤，在休止時間內(nèi)將板式定量輸送機上的煤向箕斗裝載。稱重傳感器檢測到箕斗裝載量后發(fā)出信號，箕斗上提而板式定量輸送機轉(zhuǎn)入慢速運行，等待下降的箕斗到位后進行裝載。

板式定量輸送機的運輸能力除輸送速度外，還取決于機槽槽寬和擋板高。為滿足箕斗提升能力4500t/h、裝載時間≤40s等要求，50t板式定量輸送機向箕斗的裝載速度設計為1.2m/s、截面尺寸保證物料整體輸送、不能發(fā)生脫層。初始設計參數(shù)為：料堆大小為27m×1.8m×1.4m；布料速度為0.4m/s；裝載速度為1.2m/s。

2板式定量輸送機的仿真分析

通過對物料的裝卸載過程進行仿真，估計板式定量輸送機裝卸載時間并總結物料的流動規(guī)律，優(yōu)化樣機主要參數(shù)；通過對鏈傳動的動力學分析，模擬板式定量輸送機在1.2m/s重載運行工況下的受力狀況，預測鏈傳動的可靠性。

2.1　布料、裝載過程仿真

按照50t箕斗的提升工藝要求，整個運行過程約120s，其中箕斗裝載時間45s，運行和卸載時間75s。板式定量輸送機需要在箕斗離開過程中完成裝載布料，考慮箕斗加減速及穩(wěn)定稱量等需要，設定慢速布料速度為0.4m/s，時間為60s；在箕斗到位后快速裝載，速度為1.2m/s，時間25s。根據(jù)慢速輸送時計算裝載的極限高度，將給煤倉閘門開啟高度設定為1.4m，物料沿長度方向的堆積角為45°。

為縮短整機長度，擬采取增加堆積高度的辦法。但物料高度與擋板間的摩擦可能造成物料的“拉層”或塌陷現(xiàn)象，從而降低了板式輸送機的運輸能力。為避免兩種不利情況的出現(xiàn)，采用基于DEM(Discrete Element Method，簡稱DEM)數(shù)值模擬的方法對輸送過程進行仿真分析，在此基礎上增加輸送物料的截面尺寸，縮短輸送長度，提高裝載效率。

數(shù)值模擬時首先對煤倉、閘門及板式輸送機的結構進行簡化，即將約束物料流動的壁面提取出來，轉(zhuǎn)換成中性幾何文件格式輸出，形成流動性分析時的限制條件，模型如圖2所示。然后按照輸送機擋板材料屬性設置相應的參數(shù)，如摩擦系數(shù)、泊松比和剪切模量等，并在煤倉內(nèi)按物料粒度分布生成50t的顆粒。最后利用DEM軟件工具對裝載系統(tǒng)模型進行求解計算。

圖2　箕斗裝載系統(tǒng)流動性仿真模型

倉下閘門開啟后，原煤沿溜槽滑落到板式定量輸送機上進行布料。在布料過程中，取時間間隔為10s，對板式輸送機上物料的堆積形態(tài)進行觀察。低速布料完成時板式輸送機內(nèi)堆積形狀如下：頭部和尾部堆積角約35°的，中部料堆高約1.4m，堆積長度約30m，共用時60s，整個過程如圖3所示。通過仿真結果可以測得：布料過程中頂層顆粒平均速度0.394m/s，與設定速度0.4m/s基本一致，未出現(xiàn)明顯滑移脫層現(xiàn)象；動態(tài)堆積角為35°，小于設計值45°。根據(jù)仿真結果，料堆長度需增大，實際設計時需調(diào)整中心距。

圖3　布料過程仿真結果

箕斗到位后，板式輸送機以1.2m/s的速度將50t原煤卸入箕斗中進行裝載。在裝載過程中，取時間間隔為5s，對板式輸送機上物料的堆積形態(tài)進行觀察，如圖4所示。裝載過程仿真結果如下：測得頂層物料的平均速度低于1.2m/s的設計速度，平均輸運高度1.36m，造成物料堆積長度變長。實際用時28.7s，超出理論計算時間3.7s。

圖4　板式輸送機裝載過程仿真結果

通過模擬結果，對比箕斗運行時間要求，采用降低布料高度、增加料堆長度的方法來縮短裝載時間，優(yōu)化后的參數(shù)為：料堆大小為30m×1.8m×1.35m。

2.2　鏈傳動的動力學分析

板式輸送機由2條大節(jié)距、高強度的輸送鏈完成物料承載和驅(qū)動。但鏈傳動是一種多邊形傳動，鏈輪與鏈條滾子嚙合時存在多邊形效應。即隨著鏈速的增加，進入嚙合時的沖擊增大，造成傳動的平穩(wěn)性降低、噪聲增大，甚至引起跳鏈。1.2m/s的重載運行工況在大節(jié)距輸送鏈的使用中十分少見，為保證樣機的可靠性，采用基于ADAMS的虛擬樣機技術對鏈傳動的許用速度進行動力學仿真分析，模擬輸送鏈的動態(tài)特性。

首先根據(jù)板式輸送機的幾何參數(shù)進行建模，分析系統(tǒng)的參數(shù)，建立多剛體的系統(tǒng)模型。在設置好單位，定義了重力、質(zhì)量屬性、運動副、接觸、摩擦并對模型核查通過后就開始進行仿真運行。模型如圖5所示。

圖5　鏈傳動的動力學模型

對于單塊鱗板兩側(cè)的鏈節(jié)，運行一周2次進入嚙合、2次退出嚙合，以距離驅(qū)動輪一定距離的鱗板為例，其速度曲線如圖6所示。從曲線中可以看出：板式輸送機按梯形圖運行時，由于鏈傳動的多邊形效應，鏈節(jié)滾子進入嚙合后沿鏈輪齒槽震動直至退出嚙合，而鏈節(jié)不在嚙合區(qū)域時沿導軌運行較為平穩(wěn)。但整個傳動過程連續(xù)，沒有出現(xiàn)跳鏈的情況。

3結論

采用基于DEM的物料流動性分析方法對50t板式定量輸送機的布料和裝載過程進行了仿真分析，對樣機的主要設計參數(shù)進行了修正。在參數(shù)優(yōu)化的基礎上，采用基于ADAMS的虛擬樣機技術對輸送鏈動態(tài)特性進行分析，結果表明輸送鏈滿足1.2m/s速度下的重載運行要求。由于樣機的測試仍在進行中，理論分析結果有待進一步驗證。

[參考文獻]

[1]張美芹.梵王寺礦井主井箕斗定量裝載方式的選擇[J].煤炭工程，2012(3)：12-13，16.

[2]聶建華，安忠林，王磊.淺議煤礦立井箕斗提升定量裝載方式[J].礦山機械，2007(3)：66-67，5.

[3]趙東嶺.葫蘆素礦井大型提煤箕斗斷面尺寸的確定[J].煤炭工程，2010(8)：18-20.

[4]齊玫，臧夢.錢家營煤礦主井提升定重裝載安全系統(tǒng)的研制[J].微計算機信息，1998(4)：36-38.

[5]馬大峰，豐勝成，苗明春，等.常村礦主井裝載系統(tǒng)控制改造[J].煤，2002(4)：28-29.

[6]馬萍，王梅.屯留礦井主立井裝卸載系統(tǒng)和井架設計特點[J].煤炭工程，2012(S1)：31-32，35.

[7]董一良.主井箕斗裝載設備的研究[J].煤礦設計，1994(5)：38-39.

[8]佘夢桐.呂家坨礦混合井主副提系統(tǒng)裝備設計介紹[J].煤礦設計，1994(7)：28-30.

[9]佘夢桐，韓建國.板式定量運輸機裝載系統(tǒng)的設計及應用[J].煤炭工程，2005(10)：18-20.

[10]杜建國，孫正鳳.液壓定量稱重水平裝載系統(tǒng)[J].山東煤炭科技，2010(1)：69-71.

[11]王建忠.定量稱重皮帶機在十三礦的研究和實施[J].科技信息，2011(13)：497.

[責任編輯：周景林]

Simulation of Plate Quantitative Conveyor for Shaft Loading in Coalmine

XI Qi-ming

(Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,China Coal Technology Engineering Group，Beijing 100013，China)

Abstract：For the development of domestic first 50t plate quantitative conveyor for shaft loading，applying DEM fluidity analysis to simulating prototype running velocity，flow shape and time of material dimension under slowly distributing and fast loading，the dynamic characteristic of conveyor chain under high-speed and heavy-load working condition after shortening loading time was discussed.Simulation result showed that fluidity simulation in distributing and loading provided basis for confirming and optimizing prototype’s key parameters，and provided visual result for analyzing dynamic characteristic of chain drive under high-speed and heavy-load working condition.Above result provided basis for prototype design and could provide reference for smoothly trial-producing plate quantitative conveyor for shaft loading in coalmine.

Keywords：skip loading；plate quantitative conveyor；fluidity；chain drive

[作者簡介]席啟明(1973-)，男，山西新絳人，高級工程師，碩士，從事機電一體化的設計工作。

[基金項目]國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA06A404)

[收稿日期]2015-03-13

[中圖分類號]TD529

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0034-03