基于EDEM的煤礦水倉清倉機(jī)集泥裝置性能研究

崔 義，趙全文，王鵬鶴，路 輝，趙 宇，胡殿波，謝 苗

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；2.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司 靈露煤礦，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；3.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司 靈東煤礦，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；4.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司 靈泉煤礦，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；5.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

煤礦井底水倉成為礦井安全保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，需定期進(jìn)行清理[1]。目前普遍采用以清倉機(jī)為主以人工為輔的清倉方式[2-4]。煤泥清挖機(jī)采用螺桿集淤以及送料的方式完成煤泥的清理[5，6]。在運(yùn)輸過程中，煤泥隨著葉片共同運(yùn)動(dòng)，兩者間存在復(fù)雜的力學(xué)耦合機(jī)制。

本研究建立了煤礦水倉清倉機(jī)集泥裝置的雙螺旋EDEM仿真模型，探究了運(yùn)送物料質(zhì)量與傳動(dòng)比、傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，此研究對(duì)提高煤礦水倉清倉機(jī)集泥裝置性能具有重要意義。

1 力學(xué)模型的建立

1.1 物料輸送過程

水倉清倉機(jī)如圖1所示。圖1中箭頭表征了煤礦井下水倉清倉機(jī)集泥過程中的煤泥流向，前端兩螺旋鉸刀旋向相同，通過錐齒輪嚙合使得轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，以此使煤泥向中間聚集。聚集到中部的煤泥通過傾斜放置的后端螺旋鉸刀運(yùn)送到儲(chǔ)料斗內(nèi)，完成煤泥清挖工作。

圖1 水倉清倉機(jī)示意

1.2 煤泥顆粒受力分析

為了簡化研究，對(duì)煤泥顆粒進(jìn)行受力分析，由于顆粒質(zhì)量較小，可忽略本身重力對(duì)力學(xué)分析的影響[16]。基于散體力學(xué)理論，建立螺旋鉸刀力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 螺旋鉸刀力學(xué)模型

由于螺旋面和煤泥顆粒之間存在摩擦，使得煤泥顆粒所受合外力P偏離了β角，對(duì)于清倉機(jī)而言，其所用的螺旋鉸刀為熱壓或冷軋鋼板拉制的螺旋面，可忽略表面粗糙度對(duì)β角的影響，近似認(rèn)為β角為顆粒和螺旋鉸刀之間的摩擦角。

沿螺旋面法向的正壓力為：

P1=Pcosβ

(1)

垂直于法向的摩擦力為：

P2=Psinβ

(2)

式中，P為顆粒所受合外力，N；β為顆粒和螺旋鉸刀之間的摩擦角，(°)。

本研究小組隨機(jī)選取2014年11月至2017年11月在我院住院的100例患者,按照本研究小組制定的診斷標(biāo)準(zhǔn):1.有慢性勞損史或外傷史。2.患者有頭痛不適感和頸部疼痛、僵硬不適感。3.查體符合“四部27點(diǎn)中兩部2點(diǎn)或兩部2點(diǎn)以上規(guī)律”。4按揉陽性壓痛點(diǎn)疼痛馬上緩解。5.頸部CT有頸部間盤突出或X光有骨質(zhì)增生或生理彎曲消失。診斷后按本研究小組的治療方案進(jìn)行治療。臨床評(píng)價(jià)效果:總有效率為90%以上(包括顯效率和有效率)。顯效率85例,占85%,有效率5例,占5%,無效率10例,占10%。通過臨床觀察與電話隨訪,絕大部分患者反應(yīng)療效持久,較為滿意。

軸向推送力：

Px=Pcos(α+β)

(3)

式中，α為螺旋面的螺旋升角，(°)。

離心力為：

Py=Psin(α+β)

(4)

假設(shè)物料在螺旋輸送機(jī)進(jìn)口處為零勢能點(diǎn)，利用能量法建立煤泥顆粒的能量平衡方程為：

其中，合速度：

式中，m為物料質(zhì)量，kg；g為重力常數(shù)，9.8 N/kg；h為螺旋輸送機(jī)的豎直高度，m；l為螺旋輸送機(jī)長度，m；n為螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速，(°/s)；r為煤泥顆粒到螺旋鉸刀軸線的距離，m。

一個(gè)幾何參數(shù)固定的螺旋鉸刀，v僅和轉(zhuǎn)速n有關(guān)，引入常數(shù)K0。

由式(8)可知，顆粒受到的軸向推送力Px和離心力Py的大小和螺旋鉸刀的轉(zhuǎn)速n成正比，增大轉(zhuǎn)速有利于提高運(yùn)輸效率，但過大的轉(zhuǎn)速將會(huì)導(dǎo)致離心力過大，使得顆粒沿徑向飛出，反而會(huì)降低傳輸效率，增加不必要的能耗。在設(shè)計(jì)螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)保證其轉(zhuǎn)速不超過某一極限轉(zhuǎn)速。

2 EDEM仿真模型的建立

螺旋鉸刀參數(shù)表見表1。按照表1參數(shù)，借助三維繪圖軟件Solidworks繪制螺旋鉸刀模型，并將三維模型導(dǎo)入EDEM中，設(shè)置顆粒以及幾何體的材料屬性以及接觸參數(shù)。

表1 螺旋鉸刀參數(shù)

幾何體的材料屬性表見表2。接觸參數(shù)表見表3。

表2 幾何體的材料屬性

表3 接觸參數(shù)

各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，需要對(duì)顆粒形狀進(jìn)行設(shè)置。EDEM中僅為用戶提供了圓形顆粒，但煤泥顆粒為復(fù)雜的多面體，其形狀具有不規(guī)則性。為了使顆粒形狀盡可能符合實(shí)際情況，采用圓形顆粒填充方式對(duì)不同形狀的煤泥顆粒進(jìn)行擬合。

為了研究不同傳動(dòng)比對(duì)運(yùn)輸效率的影響，根據(jù)《螺旋輸送機(jī)》(JB/T 7679—95)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)合煤泥性質(zhì)設(shè)定前端螺旋鉸刀的轉(zhuǎn)速為100(°/s)，后端螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速按照下表所示的傳動(dòng)比在70～140(°/s)內(nèi)設(shè)定。由于煤本身具有一定的粘性，煤泥顆粒的自接觸模型以及煤泥顆粒與幾何體之間的接觸模型設(shè)為Hertz-Mindlin with JKR粘性模型[17]。

所有設(shè)置完成后得到EDEM耦合模型如圖3所示。

圖3 EDEM耦合模型(mm)

3 仿真結(jié)果分析

仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表見表4。

表4 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用數(shù)值分析軟件MATLAB對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到質(zhì)量-轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖4所示。從圖中觀察可知，隨著轉(zhuǎn)速不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)物料的運(yùn)送質(zhì)量也在不斷增大，近似為一條二次曲線，但弧度較小。

圖4 質(zhì)量-轉(zhuǎn)速關(guān)系

采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，一次擬合直線和數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的關(guān)系如圖5所示。從圖中分析可以得到，數(shù)據(jù)點(diǎn)近似分布在擬合直線附近。

圖5 一次擬合直線和數(shù)據(jù)點(diǎn)之間關(guān)系

二次擬合曲線和數(shù)據(jù)點(diǎn)之間關(guān)系如圖6所示。從擬合效果對(duì)比來看，二次多項(xiàng)式較能說明運(yùn)料質(zhì)量和后端螺旋鉸刀的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

圖6 二次擬合曲線和數(shù)據(jù)點(diǎn)之間關(guān)系

為了進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)擬合曲線猜想的正確性，將前端螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速設(shè)定為200(°)/s進(jìn)行仿真，得到50 s內(nèi)運(yùn)送的質(zhì)量為226.83 kg。其中一次擬合多項(xiàng)式在該點(diǎn)的計(jì)算值為196.72 kg，偏差較大；二次擬合多項(xiàng)式在該點(diǎn)的計(jì)算值為227.9 7 kg，和仿真計(jì)算的結(jié)果較為接近。因此在理想情況下，當(dāng)前端螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速確定時(shí)，50 s內(nèi)后端螺旋鉸刀的運(yùn)料質(zhì)量同傳動(dòng)比成二次函數(shù)關(guān)系。

單一分析轉(zhuǎn)速對(duì)效率提升的影響時(shí)，基于二次曲線的特性，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，顆粒的運(yùn)送速度會(huì)明顯增加。但是在轉(zhuǎn)速提升的同時(shí)，螺旋鉸刀所受轉(zhuǎn)矩也會(huì)發(fā)生變化。在實(shí)際情況中，也并不為了追求絕對(duì)的輸送效率而忽略設(shè)備的轉(zhuǎn)矩和功率。因此在仿真過程中，利用EDEM的后處理模塊提取了螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的圖像。

傳動(dòng)比1∶0.9時(shí)的螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩如圖7所示，后端螺旋鉸刀的轉(zhuǎn)矩峰值明顯高于前端螺旋鉸刀。

圖7 傳動(dòng)比1∶0.9時(shí)的螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩

由于螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化幅度較大且缺乏規(guī)律性，不同傳動(dòng)比下的后端螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩難以比較，因此在MATLAB中利用中位數(shù)指令提取出每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的中位數(shù)作為螺旋鉸刀的參考轉(zhuǎn)矩。螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩表見表5。

表5 螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩

通過對(duì)比同一螺旋鉸刀在不同傳動(dòng)比下的轉(zhuǎn)矩值，發(fā)現(xiàn)后端螺旋鉸刀的轉(zhuǎn)矩并無明顯規(guī)律。而前端螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)隨傳動(dòng)比的增加逐漸減小，在傳動(dòng)比為1∶1.1時(shí)達(dá)到最小，當(dāng)傳動(dòng)比在1∶1.1～1∶1.4范圍內(nèi)無明顯變化。對(duì)比不同螺旋鉸刀轉(zhuǎn)矩，發(fā)現(xiàn)后端螺旋鉸刀所受轉(zhuǎn)矩顯著高于前端螺旋鉸刀。

4 結(jié) 論

1)隨著傳動(dòng)比不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)物料的運(yùn)送質(zhì)量也在不斷增大，其散點(diǎn)分布近似為一條弧度較小的二次曲線。當(dāng)前端螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速確定時(shí)，后端螺旋鉸刀的運(yùn)料質(zhì)量同傳動(dòng)比成二次函數(shù)關(guān)系，為組合螺旋鉸刀傳動(dòng)比的選擇提供了理論基礎(chǔ)。

2)后端螺旋鉸刀的扭矩隨傳動(dòng)比變化并無明顯規(guī)律，但扭矩值全程高于前端螺旋鉸刀的扭矩值，而前端螺旋鉸刀扭矩在一定范圍內(nèi)隨傳動(dòng)比的增加逐漸減小，在傳動(dòng)比為1∶1.1時(shí)達(dá)到最小，這為前后端螺旋鉸刀的選材及進(jìn)進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。