复杂搬运条件下煤岩散料与搬运设备刚散耦合效应研究

The rapid growth of unusual coal mining has resulted in a series of key technology and basic theory requirements for mining and transport equipment. The rigid-bulk coupling effect between coal-rock bulk and transport equipment under complex transport conditions of mine is a basic application problem to be solved urgently. By fusing basic theory like machine design, calculation of granule mechanics and engineering tribology, this project establishes statics, dynamics and kinematics model of coal-rock bulk transport system under the complex transport conditions of fully-mechanized face. The multi-scale coupled model of "rigid-bulk-particle" between coal-rock bulk and transport equipment and the constitutive relation of coal-rock system under complex transport conditions are established. Based on the two-way coupled simulation technology of FEM-DEM, combining engineering investigation, theoretical analysis, experimental research and application tracking, this project studies the physical characteristics, kinematics effect and mechanical effect of rigid-bulk coupling between coal-rock bulk and transport equipment, finds out the micro and macro kinematic characteristics of coal-rock bulk under complex transport conditions and its influence rule on the kinematics, statics, dynamics and tribology characteristics of transport equipment, then clarifies the approach of dimension parameters optimized matching, shape optimization and topology optimization design on the transport equipment using this rule. This project provides a coal-rock granule mechanics theoretical basis for equipment structure optimization design in fully-mechanized face. It also provides reference for other bulk material fields and similar problems.

煤炭资源超常开采快速增长伴随产生了一系列采运装备关键技术与基础理论需求，其中复杂搬运条件下煤岩散料与搬运设备的刚散耦合效应是一项亟待解决的应用基础难题。项目融合机械设计学、计算散体力学与工程摩擦学等基础理论，建立综采工作面复杂搬运条件下煤岩散料搬运系统的静力学、动力学和运动学模型，构建煤岩散料与搬运设备的“刚-散-颗粒”多尺度耦合模型和复杂搬运条件下煤岩颗粒系统本构关系。基于FEM-DEM双向耦合模拟技术，结合工程调研、理论分析、实验研究与应用跟踪等手段，研究煤岩散料与搬运设备的刚散耦合物理特性、运动学效应与力学效应，发现复杂搬运条件下煤岩散料细观与宏观运动学特征，及其对搬运设备运动学、静力学、动力学、摩擦学特征的影响规律，并阐明该规律对搬运设备进行尺寸参数优化匹配、形貌优化与拓扑优化设计的途径，为综采工作面搬运设备结构优化设计提供煤岩散体力学理论依据，并为其他散料领域和类似问题提供借鉴。

综采工作面搬运设备重型刮板输送机中部槽组件的直接磨损主要来自于煤岩散料与机械设备的耦合接触。项目以此为背景开展科学研究，科学意义在于认识复杂搬运条件下煤岩颗粒系统的本构关系及其影响搬运设备运行与设计的刚散耦合机理；工程价值在于减少设备磨损，增加使用寿命，通过优化匹配搬运设备结构参数提升产品的市场竞争力。研究方向属于机械装备设计理论与方法。.项目建立了煤岩散料与搬运设备的“刚-散-颗粒”多尺度耦合模型和复杂搬运条件下煤岩颗粒系统本构关系，基于DEM-MBD双向耦合模拟技术，结合工程调研、理论分析、实验研究与应用跟踪等手段，研究了煤岩散料与搬运设备的刚散耦合物理特性、运动学与力学效应等。.煤岩散料刚散耦合物理特性研究结果表明，对流动堆积特性有影响的显著性因素为煤-煤静摩擦系数、煤-煤滚动摩擦系数、煤-钢静摩擦系数和煤-煤表面能；对破碎特性有影响的显著性因素为黏结键切向刚度和临界切向应力。研究结果为煤岩散料与搬运设备刚散耦合运动学和力学效应研究奠定了基础。.煤岩散料与搬运设备刚散耦合运动学与力学效应研究总结了煤岩散料物理特性对搬运设备摩擦学、运动学、静力学、动力学特征的影响规律，并阐明了该规律对搬运设备进行尺寸参数优化匹配、形貌优化与拓扑优化设计的途径。研究结果表明，煤岩散料与中部槽间的接触分布是以滑动为主、滚动为辅，且中部槽的磨损主要是由三体磨损造成。刮板输送机搬运物料过程存在有效输送区域，煤岩散料呈现间歇堆状式形貌，压力分布存在显著的梯度，中部槽应力较大的位置主要在槽帮上端的拐角处、槽帮与中板的连接处以及中板的中部。随着工作倾角的增大，煤岩散料堆积最高点逐渐向后侧刮板移动，中板平均受力逐渐增大，后侧刮板平均受力逐渐减小；随着走向倾角的增大，最高点逐渐向倾斜侧偏移，造成中部槽内煤岩散料的分布不均，使得倾斜侧煤岩散料受力大于另一侧，链条受力出现波动，两条链同步性较差；随着运量的增大，中板和刮板的平均受力逐渐增大。凹坑型和凹槽型仿生中板的减磨效果较为显著；拓扑优化后的链环可以有效改善链条和中板间的煤岩散料卡滞现象；单侧增大刮板下倾角可以改善刮板的纵向不对称性，同时削弱多边形效应的影响。