基于EDEM的煤礦連續(xù)開采裝備仿真方案

在煤礦的開采作業(yè)中，設(shè)備的可靠性和耐用性會影響生產(chǎn)效率和安全性。如何提高開采效率并減少設(shè)備磨損，使得效益最大化和能耗最小化是開采設(shè)備設(shè)計中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

其中，截割頭是開采設(shè)備與煤巖直接接觸的關(guān)鍵部件，其設(shè)計對切割效率、設(shè)備磨損和整體開采效率有直接影響。

然而，傳統(tǒng)方法很難精準(zhǔn)預(yù)測截割頭在動態(tài)作業(yè)中所受的載荷和應(yīng)力分布。EDEM離散元仿真軟件因此成為一種強有力的工具，幫助工程師在虛擬環(huán)境中優(yōu)化設(shè)計，減少實際的試錯成本。

研究方法

煤巖具有較為明顯的離散特性，采用EDEM離散元方法對煤巖模型進行建模，能夠直接模擬煤巖顆粒之間復(fù)雜的接觸和相互作用，從而真實地刻畫煤巖內(nèi)部顆粒的微觀力學(xué)行為。

相比之下，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法往往難以準(zhǔn)確地描述顆粒間的非線性和不連續(xù)性，因而在處理顆粒體系時可能存在一定的局限性。

基于煤巖標(biāo)定結(jié)果模擬設(shè)備開采作業(yè)過程，分析設(shè)備截割性能，其中包括：截割煤塊的尺寸，截割頭的磨損情況、應(yīng)力分布以及采煤率和截割比能耗等，進而對截割頭的截齒數(shù)量、葉片升角等進行優(yōu)化設(shè)計。

圖1：EDEM煤巖層建模及開采過程仿真

仿真結(jié)果分析

• 截割煤尺寸分析

利用EDEM離散元仿真能夠統(tǒng)計截割后煤塊的尺寸、形態(tài)、破碎行為等數(shù)據(jù)信息，評估設(shè)備在截割煤過程中的效率和效果。

煤塊過大可能影響后續(xù)處理，過小則可能導(dǎo)致過多的粉塵產(chǎn)生，過于尖銳或不規(guī)則的顆粒可能會影響運輸和儲存，導(dǎo)致設(shè)備磨損加劇。

基于仿真結(jié)果，調(diào)整設(shè)備的運行參數(shù)（如截割頭的角度、轉(zhuǎn)速等）或優(yōu)化截割頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，以改善煤塊質(zhì)量，達到理想的煤塊尺寸分布。

圖2：EDEM分析截割煤尺寸和形狀

• 截割頭磨損情況

對截割頭磨損情況進行分析，能夠評估截割頭在煤巖層截割過程中可能發(fā)生的磨損區(qū)域和磨損類型，有針對性地通過設(shè)計優(yōu)化延長其使用壽命。

EDEM軟件的仿真結(jié)果提供了顆粒在截割頭表面撞擊和滑動時的摩擦力數(shù)據(jù)和磨損情況。通過仿真結(jié)果查看截割頭表面的磨損分布，重點分析哪些區(qū)域磨損較為嚴(yán)重。

如圖所示，磨損主要集中在煤巖流直接沖擊的刀盤區(qū)域。

基于仿真結(jié)果，以葉片漸變升角為優(yōu)化設(shè)計方案，有效降低了螺旋葉片的磨損。

圖3：EDEM分析截割頭磨損情況

• 截割頭應(yīng)力分布

分析截割頭應(yīng)力分布有助于評估截割頭在作業(yè)過程中可能會發(fā)生的材料疲勞、裂紋擴展或過早損壞，及時進行結(jié)構(gòu)加固和優(yōu)化增加設(shè)備的耐用性。

通過EDEM與OptiStruct耦合仿真能夠獲得截割材料時截割頭由于切碎煤巖的流動和沖擊而產(chǎn)生的高應(yīng)力區(qū)域。這些高應(yīng)力區(qū)域容易成為截割頭的“薄弱點”，易發(fā)生材料疲勞，對整體結(jié)構(gòu)的耐用性構(gòu)成威脅。

如圖所示，在滾筒和截齒上觀察到最大米塞斯應(yīng)力為1500Mpa。

基于仿真結(jié)果，可以通過調(diào)整截割頭的幾何形狀（如增加過渡圓角）來減少應(yīng)力集中，以提升截割頭的抗沖擊能力和使用壽命。

圖4：EDEM-FEA分析截割頭由于煤巖流動和沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力分布

• 截割比能耗

截割比能耗是指單位體積物料切割過程中所需的能量，是衡量截割效率的重要指標(biāo)。比能耗越低，意味著在相同的功率消耗下能夠切割更多的煤體，表明截割頭設(shè)計合理、切割效率高。

不同的截割頭結(jié)構(gòu)（如截齒布置、齒距、角度等）對能耗有顯著影響。通過EDEM仿真對比不同結(jié)構(gòu)的截割扭矩和切割煤量，從而找到能耗較低、效率較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

以在截割頭端盤的側(cè)面加上四個縮放比例為0.7倍的截齒呈混合式排列作為優(yōu)化案例，分析其截割性能。得到結(jié)果：優(yōu)化后截割扭矩增加了5.1%，生產(chǎn)率提高了13.6%，截割比能耗降低 15.0%。

圖5：EDEM-FEA分析截割扭矩

總結(jié)

EDEM離散元仿真技術(shù)為連續(xù)采礦設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供了量化的技術(shù)支持，實現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟和性能效益：

1、基于EDEM的煤巖層建模，可以創(chuàng)建顆粒體物料空間環(huán)境，提供不同煤巖類型、分層、傾斜角和指定開采條件所需的能量數(shù)據(jù)信息；

2、通過優(yōu)化截割頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效提高切割效率和裝煤率，降低能耗損失，從而提高煤礦連續(xù)開采裝備的工作穩(wěn)定性和整體作業(yè)效率；

3、仿真揭示的磨損區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域，使得在設(shè)計階段有效延長設(shè)備關(guān)鍵部件的使用壽命，減少設(shè)備后期的維護和停機成本；

4、仿真使設(shè)計過程能夠快速迭代，避免傳統(tǒng)的樣機試錯成本，為企業(yè)節(jié)省大量研發(fā)費用。

借助EDEM離散元仿真技術(shù)，開采設(shè)備的設(shè)計效率和工作可靠性得到大幅提升，帶來了顯著的成本節(jié)約和性能優(yōu)化。EDEM仿真不僅推動了設(shè)備技術(shù)進步，還為采礦行業(yè)的未來發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持。