基于离散元法的螺旋滚筒装煤性能研究

发布时间：2019-08-07 16:27

【摘要】：为提高薄煤层采煤机的装煤性能,以离散元理论为基础,结合鄂尔多斯文玉煤矿的煤样性质测定结果,建立了螺旋滚筒与煤壁的离散元仿真模型。解决了离散元煤壁黏结参数的合理选择以及螺旋滚筒与煤壁之间的耦合等关键问题;通过对不同统计区域内煤炭颗粒质量以及速度的变化进行跟踪和统计,找出螺旋滚筒结构及运动学参数等因素对煤流运动规律的影响:随螺旋升角增加,滚筒装煤率呈现出先增大后降低的变化;滚筒装煤率随截割深度和牵引速度的增加大而逐渐降低;增大滚筒转速能够提高装煤效率,但装煤率提高的幅度随滚筒转速的增加逐渐趋于平缓。
【图文】：

行追踪可以得到截割过程中煤壁破碎后形态及其运动特征［7－8］。为此，本文利用离散单元法对螺旋滚筒的装煤过程进行数值模拟，通过对相关区域内煤炭颗粒质量及其速度等数据进行统计分析，得到螺旋滚筒在不同结构参数和运动参数下的装煤效果。将离散元数值模拟技术应用到螺旋滚筒装煤性能的研究中，可为螺旋滚筒的结构设计及其性能评价提供一定的参考依据。1螺旋滚筒装煤模型的建立1.1颗粒接触动力学模型假设两煤炭颗粒i和j分别以速度vi，vj和角速度ωi，ωj运动相碰撞，颗粒在接触瞬间的受力如图1所示。煤炭颗粒在接触碰撞时不仅会受到来自其余煤炭颗粒的法相及切向接触力Fcn，ij和Fct，ij的影响，同时还会受到法向及切向接触阻尼力Fdn，ij和Fdt，ij的作用［9－10］。图1颗粒接触动力学模型Fig.1Particlecontactdynamicsmodel根据Hertz接触理论推导出煤炭颗粒之间的作用力与位移的关系式为F=43E*(Ｒ*)1/2ε3/2(1)U=3FＲ*4E()*1/3(2)式中，F为两个互相接触煤炭颗粒间的作用力;E*为煤炭颗粒i和j之间的等效弹性模量;Ｒ*为煤炭颗粒i和j等效接触半径;ε为煤炭颗粒间重叠量;U为煤炭颗粒间的相对位移。煤炭颗粒在破碎碰撞过程中的其法向刚度kn、切向刚度ks与法向力Fn、切向力Fs分别为kn=2E3(1－μ2)(Ｒ*)1/2(3)ks=E1+()μ2/3［12(1－μ)Ｒ*Fn］1/32－μ(4)Fn=knU3/2n(5)Fs=ksU3/2s(6)式中，E为煤炭颗粒的弹性模量;μ为颗粒i和j的泊松比;Un，Us分别为颗粒的法向和切向位移。1.2装煤模型的建立根据莫尔－库伦强度理论［11?

径;ε为煤炭颗粒间重叠量;U为煤炭颗粒间的相对位移。煤炭颗粒在破碎碰撞过程中的其法向刚度kn、切向刚度ks与法向力Fn、切向力Fs分别为kn=2E3(1－μ2)(Ｒ*)1/2(3)ks=E1+()μ2/3［12(1－μ)Ｒ*Fn］1/32－μ(4)Fn=knU3/2n(5)Fs=ksU3/2s(6)式中，E为煤炭颗粒的弹性模量;μ为颗粒i和j的泊松比;Un，Us分别为颗粒的法向和切向位移。1.2装煤模型的建立根据莫尔－库伦强度理论［11］，煤块剪切破坏时受力如图2所示。由图可以计算出煤块破裂面上的剪应力大小为其自身凝聚力和破裂面上法向应力产生的摩擦力之和，可按照式(7)计算:σ=12(σ1+σ3)+12(σ1－σ3)cos2ατ=12(σ1－σ3)sin2αα=π4+φ2(7)τ=C+σtanφ(8)式中，τ为破坏面剪应力，Pa;σ为轴向抗压强度，Pa;C为黏聚力，Pa;φ为内摩擦角，(°);α为破坏角，(°)。图2煤炭剪切破坏的莫尔－库伦模型Fig.2Moore-Kulunmodelofcoalshearfailure为了描述煤炭颗粒间黏结键的作用，，使所建煤壁中颗粒黏结模型更符合实际，需要对煤样进行物理机械性质测定，之后根据煤样测试结果对颗粒材料属性进行设置［12］。根据对文玉煤矿V－1煤层所取煤样的物理机械性质测定结果，按照式(3)，(4)可计算出颗粒法相刚度系数、切向刚度系数;按照式(7)，(8)计算出颗粒正应力、切应力。根据测定结果对煤炭颗粒进行平行键参数进行标定，见表1。此外，螺旋滚筒材料定义为钢，其密度设置为7.85×103kg/m3，弹性模量取4.25GPa，泊松比取0.23。2759
【作者单位】： 周口师范学院机械与电气工程学院;辽宁工程技术大学机械工程学院;中国煤炭科工集团太原研究院有限公司;
【分类号】：TD421.61

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本文编号：2524058