輸煤膠帶端部初級采樣器顆粒系統仿真研究

倪 文 婧

(天地科技股份有限公司 儲裝事業部，北京 100013)

0 引 言

膠帶端部采樣通過水平移動的切割斗穿過膠帶端部落下的煤流完成采樣，由于安裝在輸煤主膠帶的轉接塔內，可節約采樣塔的修建經費，且故障時不影響主輸煤膠帶的運行。膠帶端部采樣是煤炭采樣的重要方式之一，針對其采樣過程進行研究顯得尤為必要。國內對膠帶端部采樣的相關研究，大部分停留在定性判斷或依賴于樣機偏移試驗的結果，即其采樣代表性等只能通過相應的試驗進行定量的判斷[1-3]。隨著計算機輔助設計和仿真技術的發展，顆粒系統仿真方法的出現提供了1種可對采樣效果進行定量研究的方法[4-6]。最早的離散元理論被用于井下綜放研究，如對放煤布局和綜放頂煤放出規律之間關系的研究[7]、頂煤放出體擴展過程及放煤步距與放煤間距等工藝參數影響頂煤放出規律的研究[8]、急傾斜煤層的放頂煤規律研究[9]等，而針對膠帶端部初級采樣器采樣過程的顆粒系統仿真還未見有研究涉及。

1 端部初級采樣器模型

膠帶端部初級采樣器安裝在輸煤膠帶端部轉接塔內，初級采樣器接受計算機控制系統的指令，通過電機帶動采樣頭平移進行采樣，實現對主膠帶輸送機上煤流的全斷面采樣，其三維模型如圖1所示。

圖1 膠帶端部初級采樣器模型

膠帶端部初級采樣器的顆粒系統仿真與其切割斗參數關系密切。膠帶端部初采器切割斗的相關參數如下：料斗開口0.3 m、運行速度1.5 m/s、最大容積0.253 m3。

2 顆粒參數設置

為了提高顆粒系統仿真的計算速度并不失一般性，以下使用球形顆粒對煤炭例子進行替代。設置形成煤炭和鋼鐵材料屬性見表1。

表1 煤和鋼材的材料參數

煤與煤、煤與鋼鐵相互作用時的作用系數參見表2。該作用系數為影響煤粒相互作用及煤粒與切割斗相互碰撞結果的關鍵計算參數。

表2 材料相互作用系數

3 碰撞模型

以下使用經典的Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，半徑分別為R1、R2的兩顆粒彈性接觸時，重疊距離(α)的計算公式為：

α=R1+R2-|r1-r2|

式中，r1，r2為兩顆粒球心位置矢量。

顆粒間的碰撞接觸面為圓形，其半徑(a)為：

式中，R*為等效粒子半徑，可由下式求出：

顆粒間法向力Fn可由下式求得：

其中，E*為等效彈性模量，可由下式求出：

式中，E1、E2為顆粒1、顆粒2的彈性模量;ν1、ν2為顆粒1、顆粒2的泊松比。

4 料流模型建立

使用有VC編譯的動態鏈接庫文件進行顆粒的生成，其中顆粒直徑為50 mm，煤流截面為長1 500 mm、寬200 mm的長方形，如圖2所示。截面上顆粒按4×30分布，使用VC動態鏈接庫設置煤流以斜向上11°拋出，拋出速度為3.15 m/s，每隔0.018S生成1個截面顆粒并形成連續的料流。

圖2 煤流截面顆粒排列示意圖

水平分布顆粒模型中，在水平方向進行分類，設置30組直徑為50 mm的顆粒，每組顆粒數量為4個。從距離膠帶端部初級采樣器切割斗初始位置由近到遠分別被標記為particle01、particle02、particle03、……、particle29和particle30，在顆粒系統仿真模型中如圖3所示。

圖3 水平分布顆粒模型示意圖

垂直分布顆粒模型中，在垂直方向分別設置4組直徑50 mm的顆粒，每組顆粒數量30個。4組顆粒從上到下分別被標記為particle1、particle2、particle3和particle4，在顆粒系統仿真模型中如圖4所示。

圖4 垂直分布顆粒模型示意圖

5 離散元仿真

5.1 水平分布料流仿真分析

切割斗以1.5 m/s的平移速度采集30種顆粒，如圖5所示。收集到煤樣后，切割斗進入顆粒計數器(即圖6右下角圓柱體)中，對其中30種顏色的顆粒進行計數統計，進而得出膠帶端部移動煤流初級采樣器在面對水平分布顆粒模型時采樣結果的統計數據。

圖5 切割斗通過水平分布顆粒料流

圖6 切割斗采集水平分布顆粒后進入計數器

5.2 垂直分布料流仿真分析

切割斗以1.5 m/s的平移速度采集4種顆粒，如圖7所示。收集到煤樣后，切割斗進入顆粒計數器(即圖8右下角圓柱體)中，對其中4種顏色的顆粒進行計數統計，進而得出膠帶端部移動煤流初級采樣器在面對垂直分布顆粒模型時采樣結果的統計數據。

圖7 切割斗通過垂直分布顆粒料流

圖8 切割斗采集垂直分布顆粒后進入計數器

6 仿真結果分析

6.1 水平分布料流結果分析

水平分層顆粒模型下膠帶端部平移式初采器采集到的顆粒分布統計數據見表3。

表3 水平分層顆粒模型下切割斗收集到的顆粒統計數據

由表3可看出，水平分層模型下30中顆粒分布的餅圖面積近似相等；通過表3可查到位于中部的particle14顆粒所占百分比最小為2.85%，位于最尾端的particle30所占百分比最大為4.38%，百分比最大差為1.53%；顆粒數統計方面，particle14和particle30分別為37個和57個，極差為20。通過對整個采樣仿真過程的分析可發現，由于處于尾部的particle30后面沒有別的顆粒，當采樣過程快結束時，其與切割斗相互作用后向尾部方向彈開的顆粒未受到阻擋，一部分顆粒依然可落入切割斗中，導致了其數量偏大。若去掉particle30顆粒，其他29種顆粒進行比較則其百分比最大差為0.84%，極差為11，降低了45%。通過分析可得出，膠帶端部平移式初級采樣器對尾端的煤樣采集精度較低，但在實際使用中，煤流截面為梭形截面，尾端煤流厚度較小，所以影響不大。

水平分層顆粒模型下，收集到顆粒種類分布的平均顆粒數r1為：

r1=(41+45+43+…+57)/30=43.33

水平分層顆粒模型下，收集到顆粒種類分布的標準差σ(r1)為：

6.2 豎直分布料流結果分析

垂直分層顆粒模型下膠帶端部平移式初采器采集到的顆粒分布餅圖如圖9所示，具體統計數據見表4。

圖9 垂直分層顆粒模型下切割斗收集到的顆粒餅圖

表4 垂直分層顆粒模型下切割斗收集到的顆粒統計數據

由圖9及表4可知，處于最下層的particle4顆粒收集到的數量最少，綜合圖7中切割斗通過瞬間的截圖，當上層顆粒與切割斗相互作用后，其由于重力因素有向下的趨勢，而位于最下層的紅色顆粒有一部分被擠出切割斗的采樣范圍。具體到統計數據，particle3顆粒數量為365個，particle4顆粒為216個，極差為139。particle2和particle1顆粒分別為363個、358個，與particle3顆粒分別相差2個和7個。由此可認為膠帶端部平移式初級采樣器對位于上側的三色顆粒為等概率采樣，對最下層的紅色顆粒采樣不足。在具體使用中需調整切割斗的位置和開口大小，加強對底層顆粒的收集。

垂直分層顆粒模型下，收集到顆粒種類分布的平均顆粒數r2為：

r2=(358+216+365+363)/4=325.5

水平分層顆粒模型下，收集到顆粒種類分布的標準差σ(r2)為：

7 結 論

研究結果顯示30層水平分層模型的平均數為43.3，標準差為3.60，極差為20；4層垂直分層模型的平均數為325.5，標準差為63.27，極差為149。通過分析可得出以下結論：

(1)膠帶端部平移式初級采樣器對膠帶底層煤粒的煤樣采集效果較差，應在垂直煤流方向加大切割斗進料口以提高對底層煤粒的收集效果。

(2)膠帶端部平移式初級采樣器對采樣方向末端的煤樣采集效果較差，但在實際使用中煤流截面為梭形截面，尾端煤流厚度較小，所以影響較小，可對其不進行處理。