离散元方法在采煤机装煤仿真中的应用

    0 引言

    我国薄煤层分布范围较广且煤质较好，薄煤层可采储量约占全国煤炭总量的1/5,但薄煤层受采高限制，滚筒直径和筒毂直径受限，结构参数、运动参数不匹配，使得薄煤层采煤机的装煤效率差一直是一个突出问题，因此提高薄煤层滚筒采煤机装煤效率具有十分重要的经济和社会意义。目前国内针对薄煤层采煤机滚筒装煤效率的研究多为试验研究，少数学者通过缩小一定比例建立试验台以及假煤壁进行正交实验，但由于试验台大多比较简陋且煤岩截割与实际工况相差较远，模型缩小导致的误差较大，实验结果往往不准确，且试验台的建立投入大，试验过程周期长。还有学者建立人工模拟输送机装运松散煤，来研究滚筒各参数对装煤效率的影响程度，但往往在统计结果方面误差很大。因此，急需一种能够符合实际工况且准确可行的仿真方法，为薄煤层采煤机滚筒的结构设计和运行参数等的选择提供指导。本文提出了一种采煤机滚筒装煤效率的离散元研究方法，在三维离散元软件PFC中建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型，对滚筒的装煤过程进行仿真，研究采煤机滚筒装煤效率问题。

    1 模型建立

    1.1 UG建立滚筒模型

    利用三维建模软件UG，根据滚筒设计理论，以某型号薄煤层采煤机滚筒为原型进行设计，建立三维滚筒模型，滚筒设计有关参数见表1。

    表1 滚筒有关参数

    为了提尚计算效率，将截齿座简化为二棱柱、截齿简化为圆锥，并对筒体、叶片、端盘、截齿求和，使之组合成为一个实体。将UG滚筒模型以stl中间格式导出，为导入PFC软件做好准备。建立的滚筒模型如图1所示，截齿模型如图2所示。

    2.2 滚筒、煤壁和刮板输送机中部槽联合仿真模型的建立

    PFC3D是目前较为常用的一种离散元软件，它利用球形颗粒作为模拟材料的离散单元，并通过力一位移法则、牛顿运动定律和接触本构模型来确定颗粒的运动过程。PFC3D软件功能强大、应用广泛、性能独特，被成功应用到许多领域，包括采矿、土木、石油、化工和废料隔离等工程。目前，国内已有学者验证了三维离散元法在模拟滚筒装煤过程的可行性和准确性，并提出了合理的本构模型以及相应的参数设置范围。

    本文建立滚筒、煤壁、刮板输送机中部槽联合仿真模型步骤如下：

    （1）本构模型参数设定