基于EDEM的采煤机滚筒工作性能的仿真研究

卢红波

【摘  要】为研究不同参数情况下的采煤机滚筒工作性能，本文以MG500/1180-WD型号的采煤机为研究对象，基于EDEM软件建立仿真模型，再利用MATLAB等软件对数据进行处理，分析滚筒转数、滚筒截深及顶板压力对采煤机滚筒的截割能力、装煤能力、滚筒三向载荷能力的影响。通过仿真模拟得出最佳数据，以提高采煤机滚筒的工作性能，进而提高采煤效率。

【关键词】EDEM;采煤机滚筒;工作性能;仿真模拟

前言

采煤机滚筒是用于截煤、落煤和输煤的关键部位，采煤机滚筒的截齿排列和滚筒的转速直接影响采煤机的采煤速率[1]。EDEM是世界上第一个利用现代化离散元模型科技设计的用于模拟和分析生产操作的通用CAE软件，EDEM可通过建立煤岩破碎模型，模拟采煤机的截割过程。通过数学模型的建立和仿真，研究采煤机滚筒的工作性能指标。在研究的过程中，还可对采煤机施加一定的顶板压力，使模拟效果更加逼真。

1 滚筒截割过程中数学模型的建立

1.1 建立仿真模型

为了更加清晰的描述采煤机截割岩煤的动态过程和滚筒的装煤过程，可通过EDEM建立包含滚筒、刮板输运机中的部槽和煤层的虚拟仿真模型，再建立滚筒和刮板的三维模型进行仿真。模型建立时应遵循简化原则，适当的忽略不会对仿真结果产生影响的内部复杂结构。参考本研究采用的采煤机型号，确定滚筒所需的主要参数结构，包括滚筒宽度（1000mm）、筒毂直径（650mm）、滚筒直径（1800mm）以及螺旋升角（25°）等[2]。

1.2 建立岩煤模型

除了建立滚筒等模型以外，还需对岩煤颗粒进行模拟。本次模拟主要添加煤和岩两种颗粒。在实际操作过程中，岩煤具有多种形态。因此，在建立模型时，应将岩煤颗粒设置为和真实状态下相似的、有着特定结构和尺寸的模型。在EDEM中可通过创建多个球面来定义岩煤颗粒的几何特征，并进行填充，这样就能得到不同形状和尺寸的模型颗粒，是的模型更贴近实际情况。

1.3 设定仿真参数

由于计算机算法都有时间的消耗和延迟，模型中涉及到的仿真数据越多，计算机处理速度越低。由于仿真模型中的颗粒接触数较多，为了确保仿真的稳定，应设定固定时间步长为21%。在不影响仿真结果的情况下，尽量减少仿真的时间。网格尺寸为最小颗粒半径的3-4倍。

2 滚筒转速对采煤机装煤性能的影响

在滚筒牵引速度为4m/min，截深为1050mm的条件下，分别对转速为20、30、40r/min时的滚筒截割过程进行模拟，通过对比相同时刻不同转速下颗粒的运动轨迹，研究颗粒的平均速度以及采煤机的装煤曲线图可得到滚筒转数对采煤机装煤性能的影响[3]。详情如下图一所示：

由图可知，在相同牵引速度与截深的情况下，滚筒转速越高，颗粒运动速度越大，滚筒上堆积颗粒越少，且转速越高，颗粒抛得更远，这说明此时滚筒的输出能力越强。但当转速超过30r/min后，岩煤粒子的其中一部分打在了采空区。因此，滚筒的最佳转速为30r/min。

3 截深对采煤机装煤性能的影响

在研究截深对采煤机装煤性能的影响时，保证30r/min的转速、3m/min的牵引速度不变的情况下，分别模拟截深为600、800和1000mm情况下的采煤机截割过程，通过在不同截深的情况下的某一时刻，颗粒的运动轨迹分析截深对采煤机性截割性能的影响。

由仿真结果可知，随着截深的增大，被截落的煤岩颗粒逐渐增多，这说明随着截深的加大，滚筒的输出越多，且在1000mm的截深时，煤岩颗粒仍能被抛出，这说明1000mm的截深在适当范围内[4]。利用MATLAB绘制处理后得到不同截深下的采煤机装煤曲线图，由图可知，截深为1000mm时，采煤机的装煤率最高，具体如下图2所示：

4 转速和截深对采煤机截割性能的联合影响

截割比是在一定程度上反应滚筒截割单位体积岩煤时所需消耗的能量大小，根据EDEM处理后的数据显示，转速和截割深度的增加均會使截割比能耗增加，因此，在实际操作中，施工者可使用一定程度上能减小能耗的低转速、小截深滚筒，同时，低转速和小截深的滚筒还能提高截割率。

滚筒的三向载荷是指工作过程中，滚筒上所有载荷点载荷量的矢量和，矢量是有大小有方向的量，利用EDEM处理牵引速度为3m/min、滚筒转速为30r/min以及截深为1000mm时的滚筒三向荷载曲线后得知：随着转速的增大滚筒三向载荷值都有不同程度的减小;随着截深的增加，滚筒的切削面积增大，滚筒的三向载荷也逐渐增大。这说明，适当减小截深和增大滚筒转速可有效减小滚筒的三向载荷，减少截齿的磨损。

5 结论

本文以MG500/1180-WD型号采煤机为研究对象，利用EDEM仿真软件对采煤机在不同截深和转速下的工作状况进行仿真模拟，探索出最适合的滚筒截深和转速。仿真结果表明：在滚筒的牵引速度与截深一定时，随着转速的增加，采煤机装煤速度逐渐增加，滚筒的最佳转速为30r/min;在转速和牵引速度一定的情况下，随着截深的增加，采煤机的装煤速率逐渐增加，最佳的截深为1000mm;滚筒的三向载荷随转速的增大而减小，随截深的增大而增大;滚筒的截割比随着转速和截深的增大而增大[5]。

根据EDEM仿真结果可得知，在实际操作中，为保证采煤机的采煤速率与质量，应选择合适的低转速和大截深的滚筒进行采煤作业，但若需要保证能耗较小，同时又提高截割效率，可将截深进行适量减小。

参考文献：

[1]郭小军，张海东，吴进玲等.基于EDEM的勺轮式葵花排种器离散元仿真研究[J].中国农机化学报，2019，40（02）：25-30.

[2]毛君，刘思阳，张坤等.基于EDEM的放顶煤液压支架放煤过程的仿真研究[J].机械强度，2019，41（02）：217-221.

[3]张强，张旭，孙绍安等.基于EDEM的家用榨油机压榨腔工作性能仿真研究[J].农业工程学报，2018，34（24）：291-299.

[4]江涛，吴崇友，汤庆等.基于ANSYS和EDEM的小麦茎秆切割仿真研究[J].江苏农业科学，2018，46（17）：239-242.

[5]李祖吉，宋少云，陈德炳等.基于EDEM与Workbench的碾米机米筛联合仿真研究[J].粮食与饲料工业，2015，344（12）：42-44.

（作者单位：山西乡宁焦煤集团毛则渠煤炭有限公司）