基于離散元的膠帶中部初級采樣方法研究

張翔宇

（國家能源集團神東錦界煤礦， 陜西 榆林 719319）

1 膠帶中部初級采樣概述

膠帶中部初級采樣器橫跨輸煤膠帶安裝，系統(tǒng)工作時，膠帶中部初級采樣器由控制信號控制，轉(zhuǎn)動采樣斗橫切輸煤膠帶上的煤流，實現(xiàn)初級子樣的收集。本文以煤炭科學技術(shù)研究院有限公司生產(chǎn)的SMB2000 型膠帶初級采樣器為研究對象，其適用于2 m 寬輸煤主膠帶。

2 膠帶中部采樣沖擊研究

本文離散單元仿真分析的膠帶中部初級采樣器參數(shù)和輸煤膠帶運輸參數(shù)如表1 所示，洗煤廠洗出的小塊煤粒的定義為13～25 mm 之間，為了便于統(tǒng)計分析及節(jié)約離散單元模型的仿真時間，不失一般性，以均勻分布的19 mm 圓形顆粒來模擬煤流中的煤粒，設(shè)定主膠帶煤流流量為2 m 寬主膠帶常見的5 000 t/h，換算為膠帶帶速是5 m/s。

表1 輸煤膠帶與采樣器相關(guān)參數(shù)

在離散元軟件中設(shè)定初級采樣器外殼為固定部分，采樣斗增加動態(tài)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，設(shè)定開始時間0.4 s，結(jié)束時間1.1 s，旋轉(zhuǎn)速度為2 r/s。在物理參數(shù)欄中增加顆粒—幾何體的移動平板模型，設(shè)定煤流和膠帶接觸后膠帶提供一個延膠帶方向5 m/s 的移動速度。通過用C 語言編譯的動態(tài)鏈接庫文件控制煤流在膠帶上的分布和初速度，分布橫截面為梭形，初始速度為延膠帶方向5 m/s。

輸煤主膠帶速度和生成顆粒的初始速度保持一致，均為5 m/s，仿真計算時間步長為0.001 s，為了離散元仿真精度，仿真網(wǎng)格尺寸設(shè)置為19 mm，和煤粒直徑保持一致，模型中有482 個網(wǎng)格[1]。

膠帶中部初級采樣器切割斗在不同角速度下切割煤流時所受最大沖擊力Fx、Fy和Fz隨著膠帶中部初級采樣器切割角速度上升Fx，F(xiàn)z同步增大，F(xiàn)y相對保持穩(wěn)定波動。即隨著切割角速度的增大，水平垂直煤流方向所受沖擊力和沿煤流方向所受到?jīng)_擊力逐步增大，豎直垂直煤流方向所受到的沖擊力相對穩(wěn)定。

膠帶中部初級采樣器切割斗在不同角速度下切割煤流時所受最大沖擊扭矩Nx、Ny和Nz，可以得出，隨著膠帶中部初級采樣器切割角速度上升Ny和Nz同步增大，Nx在轉(zhuǎn)速從1.1 r/s 變化為1.2 r/s 時有減少趨勢。即隨著切割角速度的增大，沿煤流方向所受沖擊扭矩和豎直垂直煤流方向所受到?jīng)_擊扭矩逐步增大，水平垂直煤流方向所受到的沖擊扭矩在切割角速度從1.1 r/s 變化為1.2 r/s 時有減少趨勢[2-3]。

3 膠帶中部采樣代表性研究

針對前文提到的2 m 寬膠帶中部初級采樣器，在離散單元法仿真模型中分別設(shè)置切割斗角速度為0.8 r/s、0.9 r/s、1.0 r/s、1.1 r/s 和1.2 r/s，進行離散元仿真和顆粒回溯，統(tǒng)計回溯至輸煤主膠帶上的顆粒坐標，得出輸煤膠帶橫截面顆粒分布云圖如下頁圖1所示。

圖1 膠帶中部初級采樣器在切割器不同轉(zhuǎn)速下的橫截面顆粒數(shù)云圖

可以得出輸煤膠帶橫截面顆粒分布云圖隨著膠帶中部初級采樣器切割斗角速度的不斷增加最大顆粒數(shù)不斷降低。沿煤流橫截面煤粒分布的離散系數(shù)保持在0.532 1～0.524 9 之間，隨著切割斗轉(zhuǎn)速的增加無明顯的改變，即膠帶中部初級采樣器在切割斗角速度在0.8～1.2 r/s 變化時，其采樣代表性波動范圍為1.4%，可以認為無明顯變化如圖2 所示。

圖2 膠帶中部初采器在切割器不同轉(zhuǎn)速下的橫截面離散系數(shù)曲線

2 m 寬膠帶中部采樣器切割器角速度分別為0.8 r/s、0.9 r/s、1.0 r/s、1.1 r/s 和1.2 r/s 時，對其采集到的煤粒回溯至膠帶進行統(tǒng)計分析后，得出沿煤流方向的顆粒位置分布圖如圖3 所示。

圖3 膠帶中部初級采樣器在切割器不同轉(zhuǎn)速下的沿煤流方向顆粒數(shù)云圖

可以得出沿煤流方向的煤粒數(shù)量分布云圖隨著切割斗角速度從0.8～1.2 m/s 在Z 軸方向長度降低，可以認為采集到的顆粒在Z軸方向越來越集中。隨著角速度的上升其沿煤流方向的位置標準差下降較快，從0.332 6 m 降到0.215 7 m，降低了35.1%，可以認為其采集顆粒的原始位置沿煤流方向分布更集中。

4 結(jié)論

為了研究膠帶中部采樣中切割斗角速度對煤流沖擊和采樣效果的影響，在離散單元法仿真模型中建立膠帶中部初級采樣模型，針對不同的切割斗角速度分別進行模擬分析，得出了不同切割斗角速度下，切割斗在采樣過程中受到的沖擊力和沖擊扭矩。在離散元仿真模型中把膠帶中部初級采樣器切割斗的角速度分別設(shè)定為0.8 r/s、0.9 r/s、1.0 r/s、1.1 r/s 和1.2 r/s，分別在離散元模型中進行膠帶中部初級采樣過程仿真，切割斗角速度為1.2 r/s 時，其所受X，Z方向的沖擊力最大，分別為-99 72.1 N、23 224.1 N，其所受Y，Z 方向的沖擊扭矩最大，分別為-2 697.7 N·m，-4 379.2 N·m；角速度為1.1 r/s 時，其所受Y方向的沖擊力最大，為4 833 N，其所受X 方向的沖擊扭矩最大，為-6 585.2 N·m。同時可以得出，隨著切割角速度的增大，沿煤流方向所受沖擊力和水平垂直煤流方向所受到?jīng)_擊力逐步增大，豎直垂直煤流方向所受到的沖擊力相對穩(wěn)定；沿煤流方向所受沖擊扭矩和豎直垂直煤流方向所受到?jīng)_擊扭矩逐步增大，水平垂直煤流方向所受到的沖擊扭矩在切割角速度從1.1 r/s 變化為1.2 r/s 時有減少趨勢。

通過研究膠帶中部初級采樣器切割斗在不同角速度下輸煤膠帶橫截面煤炭顆粒分布的離散系數(shù)。得出沿煤流橫截面煤粒分布的離散系數(shù)保持在0.532 1～0.524 9 之間，隨著切割斗轉(zhuǎn)速的增加無明顯的改變，即膠帶中部初級采樣器在切割斗角速度在0.8～1.2 r/s 變化時，其采樣代表性波動范圍為1.4%，可以認為無明顯變化。同時，可以得隨著角速度的上升其沿煤流方向的位置標準差下降較快，從0.332 6 m 降到0.215 7 m，降低了35.1%，可以認為其采集顆粒的原始位置沿煤流方向分布更集中。