离散元技术在螺旋滚筒装煤性能研究中的应用

为研究复杂煤层赋存条件下螺旋滚筒的装煤性能,根据内蒙古鄂尔多斯某矿煤样性质测试结果,结合DEM(离散元技术)方法,建立薄煤层采煤机螺旋滚筒与煤壁的离散元耦合模型。解决了螺旋滚筒与煤壁的耦合以及离散元仿真中各参数的合理选择等关键问题;通过跟踪和统计装煤过程中颗粒速度、质量,获取螺旋滚筒装煤过程中煤流的运动形态,以及滚筒包络区域内颗粒的速度分布,根据不同区域的颗粒质量统计计算出螺旋滚筒的装煤效率。通过对采煤机工业性试验中一次截割工作面长度的落煤量和刮板输送机运煤量的统计,发现利用DEM模拟得到螺旋滚筒装煤率与试验数据基本一致。此研究结果为螺旋滚筒装煤性能的改善提供了一种新的方法。     

滚筒逆转装煤过程的颗粒运动行为研究

针对薄煤层采煤机滚筒装煤效率低的问题,以某型号薄煤层采煤机为研究对象,以叶片螺旋升角、滚筒转速、牵引速度为主要设计变量,采用离散元研究方法对采煤机滚筒的逆转装煤过程进行分析。利用三维离散元软件PFC,建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型,仿真过程中统计滚筒装煤效率以及滚筒叶片包络范围内颗粒速度、颗粒数。结果表明:该型号采煤机滚筒宜采用叶片螺旋升角21°,在牵引速度1.5 m/min,转速45r/min或牵引速度2m/min,转速50r/min时,均能获得较高的装煤效率;叶片包络范围内颗粒三个方向的速度随着滚筒转速的增大而增大,且Y方向速度的增大幅度小于转速的增大幅度,X、Z方向速度的增大幅度大于转速的增大幅度。     

薄煤层采煤机装煤性能研究

为了提高薄煤层采煤机的装煤性能及工作效率,运用理论分析与离散元数值模拟的方法对其进行了研究。针对理论落煤量及理论装煤量与牵引速度、滚筒截深、滚筒转速、螺旋升角的关系进行了理论分析;基于PRO/E与EDEM建立了采煤机截割部的离散元仿真模型及煤壁模型,模拟了采煤机截割、破碎煤岩的复杂过程,并获得了相应的装煤率;基于正交试验法分析了牵引速度、滚筒转速、叶片螺旋升角、滚筒截深对采煤机装煤性能的影响规律及显著程度。基于实际工况,得到了新型薄煤层采煤机的最优设计参数,为采煤机滚筒装煤性能的研究及优化提供了一种新方法。     

基于螺旋滚筒模型的采煤机装煤性能研究

为提高采煤机装煤效率，基于离散元数值模拟理论、螺旋滚筒模型，分析了螺旋升角、滚筒直径、筒毂直径、截割深度和滚筒转速对采煤机装煤率的影响程度。结果表明：随着螺旋升角的提高，装煤率随之上升，装煤率与螺旋升角呈现正相关关系。滚筒直径越大，装煤率越高，曲线斜率也是呈现出先增后减变化趋势。增加筒毂直径后，会导致采煤机的容量减小，筒毂直径与装煤率呈现负相关关系。增加滚筒转速，能使螺旋叶片排出煤颗粒速度加快，进而提高了装煤率。     

采煤机振动冲击截割臂结构设计

为提高螺旋滚筒切削煤岩装煤率，将振动冲击技术应用于采煤机截割臂，应用TRIZ理论设计出一种以双排五星液压马达为主要驱动装置的轻量化振动冲击截割臂，应用离散单元法对螺旋滚筒轴向振动频率进行单因素数值模拟试验，确定该因素在正交试验中的水平范围|对滚筒转速、轴向振动频率以及工作振幅三种因素进行正交试验，得到其对装煤性能的影响规律。结果表明：螺旋滚筒装煤率呈现随转速增加而降低的趋势，并得到装煤性能优选方案的装煤率为54.56%。     

基于EDEM的采煤机滚筒工作性能的仿真研究

为研究不同工况参数下采煤机滚筒的落煤特性,以MG500/1180-WD型号采煤机为研究对象,采用EDEM离散元仿真软件建立三维仿真模型,综合考虑煤岩块度、顶板压力对采煤机截割性能的影响,研究采煤机截割煤岩的动态过程,利用单因素试验法分析截割过程中煤岩颗粒的运动轨迹,研究不同截深、转速对采煤机装煤率、滚筒三向载荷、截割比能耗的影响以及滚筒包络范围内颗粒平均速度的变化曲线。结果表明:采煤机装煤率随转速增大先增后减的趋势,随截深增大而增大;滚筒三向载荷随转速增大而减小,随截深增大而增大;截割比能耗随转速、截深增大而增大。综合考虑选择低转速、大截深的滚筒可以在一定程度上提高采煤机装煤率;同时为提高采煤机的截割效率,减小耗损可以在保障装煤率的前提下,适当减小截深。研究结果为采煤机高效截割提供了改进参考。     

影响小直径滚筒采煤机装煤性能因素分析

分析研究了影响小直径滚筒采煤机装煤能力的因素：滚筒直径和长度、叶片的几何参数、滚筒转速和采煤机牵引速度；提出了4条改进措施：增加挡煤板、降低牵引速度、增大滚筒转速、适当加大螺旋升角。     

夹矸煤层采煤机斜切进刀过程滚筒载荷特性研究

为研究采煤机螺旋滚筒在斜切进刀工况下截割含夹矸煤层时的载荷问题,应用Pro/e建立煤壁落煤空间模型,并将其与滚筒导入到离散元软件EDEM中,利用从兖矿集团杨村矿17层煤岩所测得的煤样参数完成颗粒填充,形成滚筒截割的离散元仿真模型。通过前期试验,决定采用分段建立煤壁的方法以减少仿真时间。结果表明:在斜切进刀过程中,滚筒所受合力逐渐增大,且在含夹矸工况下的受力明显大于全煤工况下的受力,约为其4倍;滚筒所受牵引阻力与截割阻力逐渐增大,且牵引阻力约为截割阻力的2倍;轴向力呈先增大后减小的趋势;滚筒与煤壁开始接触时,为单齿受力,最大值可达15 000 N。验证了采用分段建立EDEM仿真模型方法的可行性与准确性,且可节约90%的仿真时间,为采煤机螺旋滚筒斜切进刀过程研究提供了参考依据。     

滚筒结构对装煤效率的影响及煤流运动轨迹研究

通过离散元仿真分析,对采用变升角螺旋滚筒的木瓜煤矿MG-500/1200-WD型采煤机进行了模拟研究,从煤流轨迹以及其与叶片作用关系角度进行分析,结果显示:在逆转滚筒时,变升角和叶片轴向倾斜的螺旋滚筒能够提升装煤效率;而顺转滚筒时,叶片凹凸面相互影响使得变升角螺旋滚筒装煤效率低。在仿真的基础上,对滚筒结构的叶片摩擦阻力、煤流运动时间以及煤流加速度进行了改进,提高了采煤机的装煤效率。     

螺旋滚筒输煤特性的分析

建立了叶片作用于煤粒的力学和速度方程,分析了滚筒结构与运动参数对轴向输煤力和输煤速度的影响,并根据螺旋滚筒的装煤要求,导出了滚筒的临界转速和极限转速的表达式,指出了滚筒转速的控制范围和选择原则。     

基于CFD的螺旋溜槽流场及颗粒运动行为数值模拟

为了探明螺旋溜槽的流场特征及不同矿物颗粒分选时的行为规律,基于CFD理论,采用k-ε湍流模型、VOF多相流模型和离散相耦合等方法,对直径为300 mm的螺旋溜槽进行流场和颗粒运动行为的数值模拟,进而探讨了螺距和给矿流量对它们的影响。结果表明,螺旋溜槽流场中的水相流速呈明显的条带状分布,其速度值沿槽深方向逐渐升高,沿径向从内向外逐渐增大;湍动能在径向上以类似于椭圆环状分布,外缘的紊流度从上至下逐渐升高;在相同的流场条件下,颗粒运动速度极值与密度大小呈负相关;螺距增大后,水层厚度不变,而水相流速和湍动能相应增加,颗粒的运动速度也明显增加,这有利于加速粒群的分带和分选;给矿流量对水层厚度、流速和湍动能的大小均具有明显影响,但对流场分布特征影响较小,而颗粒运动的随机性与该因素呈正相关,即流量增大会导致粒群分带延迟,影响分选。     

运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律

由于夹矸煤岩赋存条件的复杂性及滚筒截割煤岩过程载荷的非线性,得到滚筒截割煤岩的应力信息非常困难,因此很难从可靠性方面对运动学参数进行匹配。以煤岩截割机理和有限元理论为基础,利用LS-DYNA建立螺旋滚筒截割夹矸煤岩的耦合模型,分别对不同工况进行截割过程的动态模拟,以获取煤岩体、滚筒截齿相关组件的最大应力信息。采用曲面拟合技术分析滚筒转速及牵引速度对煤岩体、滚筒截齿相关组件最大应力的影响规律,建立了相关零件应力关于滚筒转速及牵引速度的规律方程。以采煤机生产率、截割比能耗为目标建立了采煤机滚筒运动学参数的优化方程,并得到了滚筒转速与牵引速度的最佳匹配值,研究表明:当滚筒转速为61. 63 r/min,牵引速度为4. 776 m/min时,采煤机生产率可达190. 64 t/h,截割比能耗仅为0. 868 9 kW·h/m3。截齿合金头、齿体、齿座、叶片的应力分别为:1 339. 4,887. 5,454. 7,105. 2 MPa,岩石和煤体最大应力分别为:59. 15,8. 799 MPa。     

基于LBM-DEM耦合模型的多孔射流喷动床内流动特性

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于格子Boltzmann方法 (LBM)-离散单元法(DEM)的数学模型,综合考虑固体运动对流场的影响,气相采用修正后的格子Boltzmann方程计算,颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间的碰撞采用离散单元法软球模型,颗粒所受气体曳力采用Gidaspow曳力模型,流固耦合基于牛顿第三定律,从介观角度深入剖析了多孔射流稠密气固流化床内流动机理。采用Fortran语言编程对上述模型进行求解,通过复现气泡在鼓泡床中的演化过程,有效验证了LBM-DEM耦合模型的准确性。研究了单喷口系统与多喷口系统在不同射流速度下的空隙率、颗粒拟温度、床层膨胀高度以及颗粒动能与势能等典型参数变化。结果表明:单喷口射流气速增加时,气体对颗粒的携带能力增强,喷泉区扩大,床内空隙率分布增大,速度脉动变大,颗粒拟温度升高,床层膨胀高度提高;而在多喷口系统中,相邻喷口间存在较强的横向扰动,在床层底部喷泉区出现明显射流合并,位于中心射流区域的颗粒获得较高动量,喷口数的增加使得床层膨胀高度提高27.50%,时均空隙率范围扩大,颗粒拟温度升高,且射流合并高度随喷口数量的增加而降低28.57%,颗粒势能增加66.07%,动能减少48.48%。以上分析结果表明基于修正格子Boltzmann方法与离散单元法相结合的耦合模型可以作为分析稠密气固两相流内在机理的有效工具。     

基于离散单元法的筛管内煤灰颗粒通过性分析

基于离散单元法,用PFC2D软件建立了煤灰颗粒通过筛管的颗粒流模型,研究了筛管内煤灰细观颗粒的通过能力,分析了粒间连接强度、缝径比和围压等参数对筛管内煤灰颗粒通过性的影响规律。结果表明：随着颗粒间连接强度的增加,通过割缝的颗粒体积线性减少;筛管内通过割缝的颗粒体积随缝径比的增大呈增大的趋势,同时为保证煤层结构稳定,缝径比应小于10;总体上讲,穿过割缝的颗粒体积随围压的增大而增加,但存在一定的跃升平台,即在某一井深范围内,煤灰颗粒通过割缝的体积量稳定。     

MG410采煤机滚筒辅助叶片板的增设与应用

针对MG170/410-WD滚筒式采煤机在大倾角、仰角、“三软”煤层使用中遗漏在机道中的浮煤多、装煤效率低等问题,通过添加螺旋板数量对采煤机滚筒进行改造。改造后,在滚筒转速不变的情况下,提高抛煤效率,缩短了工作面割煤和工作面空顶时间,提高了装煤效率,从源头上降低了顶板管理的安全风险。     

螺旋分选机动力学分析及参数优化探讨

为了探索螺旋分选机主要结构参数对颗粒运动规律的影响,基于螺旋线的形成特性,利用微元的思想将颗粒在螺旋槽上复杂的受力进行简化,推导出集物料性质、螺旋分选机结构参数为一体的数学模型;以1.0~0.5 mm粒度级的不同密度级粗煤泥为入料,探究了不同密度级颗粒在螺旋分选机出料端沿径向的分布情况,与数学模型分析出的结果进行对比验证,并分析了螺距、流量、螺旋槽内径和槽深等参数对颗粒达运动平衡后径向距离的影响;结果表明:提出的数学模型可以定性分析颗粒在螺旋分选机中的运动行为,颗粒密度越大,其平衡半径越靠近螺旋槽内缘;颗粒达平衡状态后的径向距离随螺距、流量以及内径的减小而减小,随槽深的减小而增加;较小的螺距、较小的内径和较大的槽深有利于粗煤泥的分选。