刮板形狀對平煤過程動態行為影響的離散元模擬

蘇永紅

（山西廣播電視大學，山西 太原 030027）

刮板形狀對平煤過程動態行為影響的離散元模擬

蘇永紅

（山西廣播電視大學，山西 太原 030027）

針對目前市場上使用的平煤裝置在平煤過程中出現的一系列問題，從刮板結構優化的角度，提出了一種對稱拋物線型的異型面結構的平煤裝置，并使用離散元軟件對其進行物理建模和運動仿真。仿真結果表明這種新型的平煤器刮板結構能夠得到更好的平煤效果。

離散元；建模；異型面；平煤裝置

引言

隨著鐵路運煤的高速化發展，煤運列車的裝煤質量有了更高的標準?，F在的鐵路裝煤方式是通過皮帶輸送的形式直接裝入無頂蓋的火車車廂內，這種裝煤方式使得煤被轉入車廂后中間隆起煤峰，而車廂兩側則少煤或無煤。按照鐵路運輸相關部門的規定，高出車廂的煤峰必須進行平整，以免造成浪費和環境的污染；煤炭若不平整必然會造成車廂的偏載，造成危險。因此平煤裝置成為必要的設備，而刮板的形狀直接決定著平煤的效果。而目前市場使用的平煤器刮板并不能順暢地將中間堆起的煤排向火車車廂兩側，所以本文提出了一種對稱拋物線型異型面刮板，并利用離散元軟件對平煤過程進行了仿真模擬，分析比較出這種異型面的刮板比市場上使用的長方形刮板的平煤效果要順暢，具有良好的使用推廣性。

1　煤顆粒離散元力學模型

離散單元法這一研究方法是將研究對象進行離散化分析，對顆粒群體的運動學研究除了追蹤標記某一典型顆粒體的運動外，還可以研究顆粒體群的運動情況。在本文建立的平煤過程離散元模型中，是以整個煤顆粒群體的運動狀況為研究目的，具體來說就是當顆粒群體收到外界力的作用時，追蹤研究顆粒與顆粒之間、顆粒與外界載體之間接觸時的相對接觸力、相對速度和相對位移如何發生變化。離散元中有兩種接觸模型，即軟球模型和硬球模型［1］。根據軟球模型的原理，將相鄰顆粒球體在空間接觸時產生的作用力，化簡為滑動摩擦器、阻尼器和彈簧之間的互相作用，他們之間的接觸力劃分為切向接觸力和法向接觸力，如圖1所示。

圖1　離散元顆粒體的接觸模型

離散元中這種軟球模型實質上是一種理論上接近的非線性的接觸模型，由這種模型而研究出的顆粒接觸力和相對位移都是非線性的關系，同時這個模型中所涉及到的接觸力有滑動方向的摩擦力、顆粒之間的阻尼力以及顆粒自身的彈性力。由于煤炭中水分的存在，煤顆粒之間實際上是互相黏結的，平煤器推平煤峰顆粒的運動過程是一種非線性的運動過程，本文可據此采用離散元中的軟球模型，用滑動摩擦器與彈簧阻尼器的變形力來近似地模擬在刮板推動下煤顆粒之間的相互作用。

2　刮板形狀的建模

作為離散單元法的一種，PFC3D是一種基于顆粒流程序新的離散元數值模擬技術（Particle Follow Code），應用其中內含的顆粒堆積法，可以近似地將顆粒排列成某種特定的形狀，曾經有研究者將這種方法應用于超臨速球磨機內部的導向板的生成［2］，模擬效果十分顯著，因此，本文將利用該軟件當中的這一功能，結合其中的BALL命令生成單一顆粒球，而且能夠實現將單個顆粒球在空間上按照指定的位置坐標進行排列，最終形成相應數學函數的模擬刮板形狀。同時由于PFC3D中提供了Raft命令，這一命令又可以將之前生產的單獨顆粒形成一個整體的結構形狀，再利用“property pb_s=1e45 pb_n=1e45 range Raft”命令，賦予顆粒之間一定的黏結力，使得顆粒之間緊緊黏結在一起，最終成為一個牢固的模擬刮板［3］，為了進行對比分析，本文建立兩種不同形狀的刮板，一種是市面上最常見的長方形刮板，另一種是對稱拋物線型異型面刮板，其中對稱拋物線型刮板數學模型：x=-0.031 25y2+0.5y，x=0.054 1y2-1.189 4y+8.362 1。兩種模擬刮板的形狀如圖2、圖3所示：

圖2　長方形平面刮板幾何模型

圖3　對稱拋物線型刮板幾何模型

3　平煤過程離散元模擬與分析

國內現階段使用的平煤器裝置的刮板形狀以長方形為主，這種結構的平煤效果具有很大的局限性，火車車廂中間堆起的煤峰越來越多，無法在平煤的過程中同時將中間隆起的煤順利地排向車廂的兩側，所以要想實現平煤效果的改善，需對刮板的形狀進行優化和改進。本文提出了一種對稱拋物線型的刮板形狀，由于這種形狀數學函數二階導數的連貫性，預期它的平煤效果相對于長方形刮板會更加理想。

PFC3D軟件［4］是ITASCA咨詢集團公司專門開發出來用于研究三維圓形顆粒流程序軟件，主要針對球形顆粒介質之間的相互作用或者運動分析，很多需要模擬土壤流動的環境都利用這個軟件來實現。同時，這個軟件靈活而又強大的動態仿真環境［5］，可以有效追蹤仿真結果，因此本文將利用PFC3D軟件先對車廂、煤顆粒及刮板建好模型，然后利用該軟件內嵌FISH語言進行編程，對刮板平煤的初始速度和循環時步進行設置，同時對煤顆粒的運動情況進行追蹤，當程序進行到指定時步時，刮板停止運動仿真結束，最后通過觀察兩種刮板作用下顆粒的運動情況，進而對兩種刮板的平煤效果進行分析，進而確定出最佳的刮板形狀，圖4、圖5分別是兩種刮板在平煤結束時煤顆粒運動情況。

圖4　長方形刮板平煤結束時煤顆粒運動情況

圖5　對稱拋物線型刮板平煤結束時煤顆粒運動情況

從圖4和圖5程序結束時煤顆粒排向車廂兩側的情況來看，很明顯長方形刮板排向車廂兩側的煤顆粒要遠遠小于拋物線型刮板的排煤效果。上述的這種效果是從煤顆粒的具體分布情況上得出的結論，那么還可以從煤顆粒運動的速度矢量圖進行分析比較，如圖6、圖7所示。

從煤顆粒的速度矢量圖也可以看出來，圖6中煤顆粒的運動指向車廂兩側的很少，大部分都集中指向上方，也就是說大量堆積在車廂的中間，圖7中煤顆粒的運動方向大量指向車廂的兩側，排煤效果好，所以長方形刮板遠遠沒有對稱拋物線型這種異型面刮板的平煤效果好。

圖6　長方形刮板平煤結束時煤顆粒運動速度矢量圖

圖7　對稱拋物線型刮板平煤結束時煤顆粒運動速度矢量圖

4　結語

本文利用PFC3D軟件對長方形和對稱拋物線型兩種刮板形狀的平煤效果進行了模擬仿真，通過對比程序結束時兩種煤顆粒排向車廂兩側的情況，以及煤顆粒的運動速度矢量圖可以得知，對稱拋物線這種異型面刮板由于其數學函數二階導數的連貫性，可以將中間隆起的煤峰順利排向車廂的兩側，所以相對于長方形刮板具有良好的平煤效果。

［1］Mindlin R D，Deresiewicz H.Elastic spheres in contact under varying oblirue forces［J］. Journal of Application Mechanics，1 95 3，20（3）：1 07-116.

［2］王燕民，李竟先，FORSSBERG Eric.顆粒堆積現象的計算機模擬（英文）［J］.硅酸鹽學報，2003（2）：1 6 9-1 78.

［3］Cundall P A，Strack O D L.A discrete numerical model for granular assemblies［J］.Geotechnique，1979，2 9（1）：47-6 5.

［4］Cundall P A， Strack O L. Particle flow code in dimensions［M］. Itasca Consulting Group，Inc，1999.

［5］蘇永紅.試論PFC3D在平煤器結構優化的應用［J］.山西廣播電視大學學報，2015（2）：41-42.

（編輯：賈娟）

The Discrete Element Simulation of Interfere with the Leveling Process Dynamic Behavior of the Shape of Breaking-down Shovel

Su Yonghong
（Shanxi Radio&TV University，Taiyuan Shanxi 030027）

In the light on a series of problems in the process of leveling of flat coal equipment at present， this paper puts forward a kind of symmetric parabolic heterogeneous surface structure of the leveling device，and uses the discrete element software carrying on the physical modeling and movement simulation. The simulation results show that This new type of leveling scraper structure can get better leveling effect.

discrete element method； modeling； heterogeneous surface； flat coal equipment

TH227

A

2095-0748（2016）15-0059-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.25

2016-06-28

蘇永紅（1985—），女，河北邯鄲人，助教，現就職于山西廣播電視大學，從事機械制造及其自動化研究。