基于CFD的露天礦自移式排巖機(jī)抗風(fēng)穩(wěn)定性研究

孫 剛，喬建強(qiáng)，李 光，張永明，宗超勇，宋學(xué)官

(1.太原重工股份有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，山西 太原 030024；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

大型露天礦自移式排巖機(jī)是露天礦連續(xù)/半連續(xù)開(kāi)采生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵的物料輸送和排放裝備，其具有輸送能力大、運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。由于露天使用，排巖機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，常常面臨大風(fēng)、揚(yáng)塵等極端工況。排巖機(jī)整機(jī)高度、跨度較大，在面對(duì)極端工況時(shí)可能會(huì)有傾覆的危險(xiǎn)。對(duì)自移式排巖機(jī)進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定性研究對(duì)于指導(dǎo)安全設(shè)計(jì)和操作具有重要的工程實(shí)踐意義。

排巖機(jī)對(duì)物料的傳送主要通過(guò)兩個(gè)桁架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這也是排巖機(jī)的主要風(fēng)載受力部件。針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。陳偉等[1]利用CFD技術(shù)針對(duì)塔式起重機(jī)塔身和起重臂等桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。黨學(xué)會(huì)等[2]針對(duì)三角形格構(gòu)式輸電鐵塔的抗風(fēng)載荷問(wèn)題進(jìn)行了一系列數(shù)值研究，確定了采用完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算的方案。已發(fā)表的研究多是針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)或者部件進(jìn)行仿真模擬，如輸電鐵塔、起重裝置等，其特點(diǎn)為裝備與地面接觸處采用一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊固，目前針對(duì)露天礦自移式排巖機(jī)這種非地面緊固設(shè)備的研究較少。本文針對(duì)露天礦自移式排巖機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性問(wèn)題，基于CFD(Computational Fluid Dynamics)方法進(jìn)行了一系列的仿真計(jì)算，用于評(píng)估設(shè)備的傾覆力矩和抗傾覆力矩。然后依據(jù)計(jì)算結(jié)果確定設(shè)備在不同風(fēng)力等級(jí)下的抗傾覆能力，這對(duì)自移式排巖機(jī)的安全設(shè)計(jì)和操作具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 CFD基本理論和數(shù)值建模

1.1 排巖機(jī)計(jì)算模型及數(shù)值模擬理論

排巖裝備的組成如圖1所示，包括排巖機(jī)和卸料車(chē)兩部分。排巖機(jī)的作用是將卸料車(chē)送來(lái)的物料通過(guò)排料臂進(jìn)行排放；卸料車(chē)的主要作用是完成物料的提升。

排巖機(jī)的表面特征非常復(fù)雜，為提高計(jì)算效率，本文在保留其主體特征的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。為滿足外流場(chǎng)風(fēng)阻比小于3%的要求，構(gòu)建了長(zhǎng)度為226 m、寬度為200 m、高度為60 m的長(zhǎng)方體空間流域。排巖機(jī)CFD計(jì)算域示意圖如圖2所示。

圖1 排巖裝備組成圖

圖2 排巖機(jī)CFD計(jì)算域示意圖

本文進(jìn)行的所有數(shù)值模擬均是基于ANSYS Fluent 19.1軟件。使用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬的本質(zhì)是在給定的計(jì)算域內(nèi)依據(jù)定義的邊界條件求解一系列偏微分控制方程組[3]。偏微分控制方程組的基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程(N-S方程)、能量守恒方程以及組分輸運(yùn)方程。對(duì)于任何流動(dòng)問(wèn)題，質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程都是不可或缺的。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

(3)

其中：t為時(shí)間；為散度；ρ為密度；v為速度；Sm為源項(xiàng)；p為靜壓；為應(yīng)力張量；ρg為重力項(xiàng)；F為外部合力；μ為分子黏度；I為單位張量。

對(duì)于CFD仿真，保證計(jì)算精度的關(guān)鍵之一是湍流模型的選擇。在ANSYS Fluent軟件中可供選擇的湍流模型包括一方程模型、二方程模型、四方程模型等，其中二方程模型中的Standardk-ε模型由于具有較好的計(jì)算精度和計(jì)算效率[4]，最為常用。本文的計(jì)算均是采用Standardk-ε模型進(jìn)行仿真模擬。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了在保證計(jì)算精度的前提下盡量提高計(jì)算效率，本文采用混合網(wǎng)格的方式進(jìn)行了建模，如圖3所示。不同的計(jì)算子域采用不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式和密度。排巖機(jī)附近流域?yàn)楸疚挠?jì)算的核心區(qū)域，由于其形狀極為不規(guī)則，生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比較困難。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，在Fluent中對(duì)于此部分的網(wǎng)格進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，使用多邊形網(wǎng)格替代原來(lái)生成的四面體網(wǎng)格。為保證計(jì)算效率和精度，其他子域均采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行建模。不同子域間通過(guò)interface連接和數(shù)據(jù)交換。

圖3 排巖機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格

為了保證計(jì)算精度，在正式計(jì)算前進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。被驗(yàn)證的網(wǎng)格(Cells)數(shù)量分別為2 011 918、3 872 438和5 761 254，記為“粗”、“好”和“極好”。經(jīng)驗(yàn)證，由等級(jí)“粗”和“好”得出的桁架流體力差距較大，為7%；而由網(wǎng)格等級(jí)“好”和“極好”得出的流體力幾乎一致(偏差<1.5%)，說(shuō)明當(dāng)網(wǎng)格達(dá)到等級(jí)“好”時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本與網(wǎng)格無(wú)關(guān)。為了提高計(jì)算效率，本文采用“好”等級(jí)(Cells:3 872 438)的網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 邊界條件

對(duì)于排巖機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性問(wèn)題，國(guó)外相同等級(jí)設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)力8級(jí)，為了充分了解國(guó)產(chǎn)設(shè)備的抗風(fēng)穩(wěn)定性，本文分別使用8級(jí)(20.7 m/s)、9級(jí)(24.4 m/s)和10級(jí)(28.4 m/s)風(fēng)速進(jìn)行仿真。計(jì)算模型的入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口。計(jì)算域的上、下邊界均設(shè)置為滑移壁面邊界，計(jì)算域的左、右邊界設(shè)置為對(duì)稱面。

2 仿真結(jié)果與分析

本文的主要目的是分析、對(duì)比兩種排巖機(jī)設(shè)計(jì)方案在不同風(fēng)力等級(jí)下的抗風(fēng)穩(wěn)定性。兩種方案的區(qū)別主要體現(xiàn)在配重箱位置的不同。方案一為國(guó)外設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，特點(diǎn)是排巖機(jī)的配重箱位于桁架結(jié)構(gòu)的上部(如圖3中放大框內(nèi)所指示)，方案二為國(guó)產(chǎn)排巖機(jī)設(shè)計(jì)方案，配重箱下移至機(jī)身(如圖4所示)。

圖4 國(guó)產(chǎn)排巖機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 不同風(fēng)力下兩種排巖機(jī)設(shè)計(jì)方案抗風(fēng)穩(wěn)定性能對(duì)比

排巖機(jī)的傾覆力主要來(lái)源于機(jī)身迎風(fēng)面的靜壓分布，而排巖機(jī)的抗傾覆力主要來(lái)源于機(jī)身的自重和機(jī)身支撐面的跨距。抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值即是自移式排巖機(jī)在不同風(fēng)力等級(jí)下的穩(wěn)定性系數(shù)，如圖5所示。由圖5可知：隨著風(fēng)力的增加排巖機(jī)的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，在8級(jí)～10級(jí)風(fēng)力下方案二(國(guó)產(chǎn))設(shè)備的安全穩(wěn)定性系數(shù)始終大于方案一(國(guó)外)。這表明配重箱位置下移后，自行式排巖機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性有顯著的提高。

圖5 不同風(fēng)力等級(jí)下自行式排巖機(jī)的安全穩(wěn)定性系數(shù)

2.2 排巖機(jī)周?chē)鲌?chǎng)分析

圖6為在8級(jí)風(fēng)速條件下排巖機(jī)(國(guó)產(chǎn)，方案二)周?chē)L(fēng)速分布和風(fēng)場(chǎng)渦流黏度分布云圖。由圖6可知：當(dāng)風(fēng)通過(guò)排巖機(jī)后會(huì)在機(jī)身內(nèi)部以及后側(cè)形成較為復(fù)雜的旋渦。由于排巖機(jī)的工作環(huán)境存在較大量的顆粒運(yùn)輸物，此類旋渦將導(dǎo)致更加復(fù)雜的揚(yáng)塵問(wèn)題，不僅影響現(xiàn)場(chǎng)操作人員的視線，還可能導(dǎo)致砂礫卷入機(jī)體本身，造成排巖機(jī)機(jī)體的損傷或功能障礙。因此在下一步的工作中應(yīng)進(jìn)行排巖機(jī)機(jī)身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以抑制由于機(jī)身導(dǎo)致的復(fù)雜旋渦。

圖6 排巖機(jī)周?chē)鲌?chǎng)分布(8級(jí)風(fēng))

2.3 排巖機(jī)表面壓力分析

圖7為8級(jí)風(fēng)速下排巖機(jī)表面的壓力分布云圖。排巖機(jī)的表面風(fēng)載是其產(chǎn)生傾覆力的主要來(lái)源。由圖7可知：排巖機(jī)的迎風(fēng)面采用的平面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流體壓力在機(jī)身和桁架結(jié)構(gòu)大量的聚集。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，桁架結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)載荷可以通過(guò)改變迎風(fēng)面的幾何輪廓(如使用仿粒突箱鲀外形)大幅減小，這也為此國(guó)產(chǎn)排巖機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了參考。

圖7 8級(jí)風(fēng)速下排巖機(jī)壓力分布云圖

3 結(jié)論

(1) 兩個(gè)排巖機(jī)設(shè)計(jì)方案在8級(jí)～10級(jí)風(fēng)力下具有較好的安全性，其中國(guó)產(chǎn)設(shè)計(jì)方案相比于國(guó)外同等級(jí)設(shè)備具有更好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

(2) 排巖機(jī)機(jī)身后側(cè)存在復(fù)雜的旋渦，這可能導(dǎo)致較大的風(fēng)致振動(dòng)以及揚(yáng)塵問(wèn)題。

(3) 排巖機(jī)機(jī)身迎風(fēng)面存在壓力集中的現(xiàn)象，作為設(shè)備傾覆力的主要來(lái)源，應(yīng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中盡量減小。