徐嬋++王義亮++謝嘉成++楊兆建

摘要： 針對我國薄煤層工作面低，滾筒直徑受限，出煤口面積小，嚴重影響裝煤效果的問題，采用離散元方法分析采煤機滾筒的裝煤過程.依據(jù)滾筒設計理論，在UG中建立滾筒模型.結合采煤機在實際生產(chǎn)中裝煤的具體工況，確定顆粒本構模型以及綜采工作面采煤機、刮板輸送機配套方案；利用三維離散元軟件PFC3D，運用Fish語言和PFC命令編寫程序，建立滾筒、煤壁、刮板輸送機中部槽聯(lián)合仿真模型.設置滾筒牽引速度為2.5 m/min，轉速分別為40，45，50，55和60 r/min，得出滾筒逆轉情況下不同轉速的裝煤效率，提出滾筒轉速的最佳取值范圍.

關鍵詞： 滾筒采煤機； 薄煤層； 裝煤； 轉速； 離散元； PFC； 仿真

中圖分類號： TD421文獻標志碼： B

Application of discrete element method in coalloading

simulation of drum shearer

XU Chan， WANG Yiliang， XIE Jiacheng， YANG Zhaojian

（College of Mechanical Engineering； Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment， Taiyuan 030024， China）

Abstract： As to the issues such as the low mining face in thin seam， the limited drum diameter and the small outlet area of coal， which seriously decrease the loading efficiency， a discrete element method is used to analyze the coaling process of a shearer drum. According to the drum design theory， the drum model is built in UG. Combining with the actual coaling conditions of the shearer， the particle constitutive model and the matching scheme of the shearer and scraper conveyor in the fully mechanized coal mining face are determined. Through the 3D discrete element software PFC3D， a cosimulation model is built with Fish language and PFC command， which includes the drum， the coal wall and the chute of scraper conveyor. The drum traction speed is set as 2.5 m/min， the rotational speed is respectively set as 40， 45， 50， 55 and 60 r/ min， and the coal loading efficiency at different rotational speeds and the optimal range of the rotational speed of the drum are obtained.

Key words： drum shearer； thin coal seam； coalloading； rotational speed； discrete element； PFC； simulation

收稿日期： 2016[KG*9〗09[KG*9〗20修回日期： 2016[KG*9〗09[KG*9〗30

基金項目： 山西省煤基重點科技攻關項目（MJ20140502）

作者簡介： 徐嬋（1990—），女，山西晉城人，碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代設計和理論，（Email）215107701@qq.com；

王義亮（1969—），男，山西忻州人，教授，博士，研究內(nèi)容為機械現(xiàn)代設計、機械結構及系統(tǒng)動力學、機電一體化、結構振動與噪聲分析和控制等，（Email） wangyiliangwyl@163.com0引言

薄煤層在我國分布范圍較廣且煤質(zhì)較好，可采儲量約占全國煤炭總量的1/5，但由于受采高限制，薄煤層采煤機滾筒直徑和筒轂直徑受限，結構參數(shù)、運動參數(shù)不匹配，使得薄煤層采煤機的裝煤效率差一直是突出問題，因此，提高薄煤層滾筒采煤機裝煤效率具有十分重要的經(jīng)濟和社會意義.[1]目前，國內(nèi)針對薄煤層采煤機滾筒裝煤效率的研究多為試驗研究，少數(shù)學者通過縮小一定比例建立試驗臺以及假煤壁進行正交實驗，但由于試驗臺大多比較簡陋且煤巖截割與實際工況相差較遠，模型縮小導致的誤差較大，試驗結果往往不準確，且試驗臺的建立投入大，試驗周期長.[2]還有學者建立人工模擬輸送機裝運松散煤，研究滾筒各參數(shù)對裝煤效率的影響程度，但在統(tǒng)計結果方面誤差很大.[34]因此，行業(yè)急需一種能夠符合實際工況且準確可行的仿真方法，為采煤機滾筒結構和運動參數(shù)等的選擇提供指導.本文提出一種采煤機滾筒裝煤效率的離散元研究方法，在離散元軟件PFC3D中建立滾筒、煤壁、刮板輸送機中部槽聯(lián)合仿真模型，對滾筒的裝煤過程進行仿真，研究采煤機滾筒裝煤效率問題.

1模型建立

1.1建立滾筒模型

利用三維建模軟件UG，根據(jù)滾筒設計理論[5]，以MG2×125/571WD型薄煤層采煤機滾筒為原型進行設計，建立滾筒模型，有關參數(shù)見表1.

Tab.1Drum parameters參數(shù)值滾筒直徑/mm1 250葉片直徑/mm1 100筒轂直徑/mm590滾筒寬度/mm640滾筒截深/mm600葉片螺旋升角/（°）20葉片旋向右旋參數(shù)值葉片數(shù)/頭3截齒排布順序式葉片截齒數(shù)/個7端盤截齒數(shù)/個18端盤結構蝶形結構端盤傾角/（°） 15

為提高計算效率，將截齒座簡化為三棱柱、截齒簡化為圓錐，并對筒體、葉片、端盤和截齒求和，使之組合成為一個實體.將UG滾筒模型以stl中間格式導出，為導入PFC3D軟件做好準備.建立的滾筒模型見圖1，截齒模型見圖2.圖 1滾筒模型

Fig.1Drum model

1.2滾筒、煤壁和刮板輸送機中部槽聯(lián)合仿真模型

PFC3D是目前較為常用的一種離散元軟件，其利用球形顆粒作為模擬材料的離散單元，并通過力位移法則、牛頓運動定律和接觸本構模型確定顆粒的運動過程.[6]PFC3D軟件功能強大、應用廣泛、性能獨特，被成功應用到許多領域，包括采礦、土木、石油、化工和廢料隔離等工程.目前，國內(nèi)已有學者驗證三維離散元法在模擬滾筒裝煤過程的可行性和準確性，并提出合理的本構模型以及相應的參數(shù)設置范圍.[78]

滾筒、煤壁、刮板輸送機中部槽聯(lián)合仿真模型建立步驟如下.

1.2.1本構模型參數(shù)設定

利用PFC3D軟件建立2 m高的假煤壁模型.選用PFC3D中自帶的線性接觸粘接模型，在顆粒大小與截齒尺寸匹配的前提下，盡量選用較大的顆粒.本文設置顆粒半徑為15 mm.由于仿真研究重點為滾筒裝煤，截齒受力不在研究范圍內(nèi)，因此，粘接模型中的粘接強度可取較小值，根據(jù)參考文獻，設置法向、切向粘接強度為8 MPa.

1.2.2煤壁的建立

每次仿真煤巖大小一定，滾筒向前行走約半個滾筒的距離，預先在煤壁上開出半圓形豁口.將所有顆粒分組，方便統(tǒng)計，底部未截割部分煤巖用墻體代替.將煤壁上、下、左、后側固定，防止煤壁在截割過程中坍塌.

1.2.3刮板輸送機中部槽的建立

常見的模擬滾筒裝煤的試驗臺，往往沒有考慮煤壁與刮板輸送機之間的空距和中部槽結構，無法準確計算裝煤效率.本次仿真在軟件自帶的help文件幫助下，通過wall generate，wall group等PFC語句建立煤巖未截割部分、地面、鏟煤板、煤壁與刮板輸送機間隙、中部槽、槽幫等實際工況中出現(xiàn)的簡易墻體模型，可準確統(tǒng)計落入刮板輸送機中部槽區(qū)域的顆?？倲?shù).

滾筒與中部槽之間的距離為（180+295） mm，中部槽寬度724 mm，槽幫高300 mm.在實際工況中，輸送機具有一定的牽引速度.本次仿真設計一個靜止的中部槽結構，為避免顆粒在槽內(nèi)堆積溢出，建立的中部槽必須長度、深度足夠，才能夠準確統(tǒng)計裝煤效率.

1.2.4聯(lián)合仿真模型的生成

利用geom import語句將上文建立的滾筒stl格式文件導入，形成滾筒、煤壁、刮板輸送機中部槽聯(lián)合仿真模型，見圖3和4.

1.3以轉速為變量的裝煤效率仿真研究

薄煤層采煤機通常采用前滾筒拋射裝煤、后滾筒擠壓裝煤的開采方式，而主要負責裝煤的是前滾筒，因此只研究滾筒拋射裝煤的情況，即逆轉裝煤.

通過查閱文獻可知，在滾筒實際裝煤過程中，滾筒轉速的影響較大，因此以轉速為主要變量進行研究.選取轉速分別為40，45，50，55和60 r/min，牽引速度為2.5 m/min進行仿真.

采煤機裝煤通過滾筒螺旋葉片的螺旋面進行裝載，利用螺旋葉片的軸向推力，將從煤壁上截割下來的煤拋到刮板輸送機中部槽.[910]仿真過程中可看到少量顆粒被甩到滾筒后側，形成煤塵或浮煤，大多數(shù)顆粒被旋轉的螺旋葉片拋到刮板輸送機一側，分布在煤壁與中部槽之間的空距、中部槽內(nèi)部和采空區(qū)3個區(qū)域；轉速不同，各區(qū)域堆積的顆粒數(shù)量不同，裝煤效率也不同.仿真過程見圖5.

圖 5裝煤過程仿真

Fig.5Simulation of coal loading process

2仿真結果分析

在滾筒截割煤巖前，統(tǒng)計需要截割的顆?？倲?shù).由于截割前煤壁右側有半圓形豁口，截割后剩余煤壁的右側同樣為半圓形豁口，利用等體積原理，把中間將要被截割的煤壁區(qū)域等效為長方體區(qū)域，統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)的顆?？倲?shù)為總截割顆粒數(shù).在截割煤巖后，統(tǒng)計落入刮板輸送機中部槽內(nèi)的顆?？倲?shù)，與總截割顆粒數(shù)進行對比，計算裝煤效率.仿真結果見表2.根據(jù)仿真結果，繪制各區(qū)域顆粒數(shù)隨轉速變化的趨勢，見圖6.

圖6能夠更加直觀反映出轉速與裝煤效率、空距間浮煤數(shù)量與采空區(qū)顆粒數(shù)量之間的關系.

（1）裝煤效率隨著轉速的增大基本呈現(xiàn)先增后減的趨勢：轉速為45 r/min時中部槽內(nèi)顆粒最多，裝煤效率最高；轉速為50～60 r/min時裝煤效率變化比較緩慢.

（2）落入煤壁與中部槽之間空距的顆粒隨著轉速的增大逐漸減少，之后趨于平緩.

（3）由于設置的區(qū)域有限，部分過拋顆粒會拋出區(qū)域以外，因此采空區(qū)實際顆粒數(shù)應比統(tǒng)計的采空區(qū)顆粒多.落入采空區(qū)的顆粒數(shù)隨著轉速的增大呈現(xiàn)上升趨勢：40～45 r/min時，采空區(qū)顆粒較少；50～60 r/min時，采空區(qū)顆粒大幅度增加，即過拋現(xiàn)象嚴重，產(chǎn)生的煤塵會更多.其主要原因在于轉速較小時，顆粒速度小，受重力影響，部分顆粒會掉落至煤壁與中部槽之間的空距內(nèi)，隨著轉速增大，滾筒螺旋葉片軸向推力增大，顆粒被拋的距離越遠，速度較大的顆粒會被拋到采空區(qū)，使裝煤效率降低.因此，滾筒轉速取值建議在40～50 r/min，最佳取值需要結合其他因素確定.

3結論

（1）通過PFC3D軟件對采煤機滾筒裝煤過程進行仿真，與以往搭建實驗臺進行研究相比，投入少、時間短，且可建立真實工況模型，能準確統(tǒng)計實驗結果，進行大量分析.

（2）根據(jù)單因素分析仿真結果，裝煤效率在轉速為45 r/min左右時，裝煤效率較高，這與實際生產(chǎn)中的情況基本吻合，但轉速的最佳取值通常需要與牽引速度、螺旋升角等因素進行正交實驗分析獲得.

（3）本文提出的裝煤效率研究方法不僅可以對滾筒轉速進行分析，對采煤機滾筒的牽引速度以及其他結構參數(shù)、運動參數(shù)同樣適用，同時，也為進行工作面走向、采煤機搖臂結構、煤層厚度、刮板機尺寸優(yōu)化、擋煤板等問題的研究提供一種全新的設計思路.

參考文獻：

[1]陳崇， 高爭， 姚恩廣. 薄煤層滾筒式采煤機裝煤性能的研究與應用[J]. 煤礦機械， 2015， 36（4）： 246249. DOI： 10.13436/j.mkjx.201504103.

CHEN C， GAO Z， YAO E G. Research and application on coaling performance of thin coal seam shearer drum[J]. Coal Mine Machinery， 2015， 36（4）： 246249. DOI： 10.13436/j.mkjx.201504103.

[2]劉崢， 祝海林. 采煤機螺旋滾筒模擬裝煤實驗研究報告[J]. 淮南礦業(yè)學院學報， 1989， 9（2）： 5264.

LIU Z ， ZHU H L. Shearer spiral drum coal loading simulation research report[J]. Journal of Huainan Mining Institute， 1989， 9（2）： 5264.

[3]趙宏梅， 劉春生. 螺旋葉片傾斜布置的采煤機滾筒裝煤效率[J]. 黑龍江科技學院學報， 2008， 18（6）： 403406. DOI： 10.3969/j.issn.16710118.2008.06.001.

ZHAO H M， LIU C S. Loading efficiency of spiral lean vanes for shearer drum[J]. Journal of Heilongjiang Institute of Science & Technology， 2008， 18（6）： 403406. DOI： 10.3969/j.issn.16710118.2008.06.001.

[4]趙宏梅. 基于相似理論的葉片傾斜布置螺旋滾筒裝煤性能的研究[J]. 機械設計與制造， 2009（7）： 163165. DOI： 10.3969/j.issn.10013997.2009.07.066.

ZHAO H M. Research on loading performance of lean vanes based on similarity for spiral drum[J]. Machinery Design & Manufacture， 2009（7）： 163165. DOI： 10.3969/j.issn.10013997.2009.07.066.

[5]劉春生， 于信偉， 任昌玉. 滾筒式采煤機工作機構[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 2010.

[6]張倩倩. 掘進機截齒截割硬巖的試驗與數(shù)值模擬研究[D]. 太原： 太原理工大學， 2016.

[7]高魁東. 薄煤層滾筒采煤機裝煤性能研究[D]. 徐州： 中國礦業(yè)大學， 2014.

[8]張忠亭， 景鋒， 楊和禮. 工程實用巖石力學[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2009： 4344.

[9]穆永成. 采煤機裝煤性能的研究[D]. 阜新： 遼寧工程技術大學， 2013.

[10]萬麗榮， 王澤華， 孟昭勝， 等. 搖臂形式對裝煤效果的影響[J]. 煤炭技術， 2016， 35（7）： 224226. DOI： 10.13301/j.cnki.ct.2016.07.090.

WAN L R， WANG Z H， MENG Z S， et al. Influence of ranging arm form on coal loading effect[J]. Coal Technology， 2016， 35（7）： 224226. DOI： 10.13301/j.cnki.ct.2016.07.090.（編輯武曉英）第26卷 第1期2017年2月計 算 機 輔 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.26 No.1Feb. 2017