一种基于离散元法的刨煤机综合性能评价方法与流程

本发明属于采煤设备技术领域，具体涉及一种基于离散元法的刨煤机综合性能评价方法。

背景技术：

由于刨煤工作面环境恶劣、工况复杂的特点造成了刨煤机所受到的瞬时载荷具有多变量、强耦合、时变性和复杂性等特征，进行井下刨削试验测试难度较大且有一定的风险，同时测试数据易受环境干扰，参数识别难度大。在实验室进行刨削试验时，模拟煤壁较难体现出煤岩硬度不均匀、节理发育非均质等特点；试验环境与煤矿井下工作条件的差异和煤壁尺寸限制，使得不同形式的动载荷以应力波的形式在煤岩体中传递路径、煤层开挖时开采空间应力分布和实际煤层相差较大，且扰动作用下煤岩破碎过程中煤岩体微观变形、运动特征以及刨煤机动力传递规律等信息难以获取。

煤岩的刨削、破碎过程是一个多因素综合作用下的过程，建立在传统连续介质力学基础上的有限元法难以直接用于计算和模拟煤岩具体的截割、破碎过程，而要实现多源扰动作用下煤岩变形及刨煤机非线性动力学仿真就更加困难。

借助离散元(dem)技术实现煤岩二维可视化图形向三维数值化模型转化，可建立包含不规则密度、结构、空隙和裂纹的煤岩三维离散元模型。通过对离散煤壁的刨削试验可获得煤岩在内部应力以及外部扰动作用下被刨削和破碎过程，仿真的动态过程提供了人们在物理实验中往往无法洞察而又十分重要的信息，而且可以对多源扰动下刨煤机的刨削过程反复试验，极大地降低研发成本，提高试验安全性和可靠性。本发明旨在利用离散元技术对刨煤机刨削过程进行模拟分析，找到非线性外界作用下煤岩体变形及运动特征，获得刨刀与煤壁耦合过程中动力传递规律等信息，实现对刨煤机的综合性能的分析。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于离散元法的刨煤机综合性能评价方法，本发明所采用的技术方案为：

一种基于离散元法的刨煤机综合性能评价方法，包括以下步骤：

步骤1：通过对刨煤机所应用的煤层进行多点取样，对煤样的性质进行测定；

步骤2：根据步骤1中的煤样性质测定结果确定模拟煤壁中煤炭颗粒之间的粘结参数，建立长宽高尺寸为l·m·n的离散元模拟煤壁；

步骤3：根据所述刨煤机刨刀的材料属性及设计参数，确定煤炭与刨煤机之间的碰撞接触参数；

步骤4：根据所述刨煤机的设计图纸，对刨煤机不同零件进行三维实体建模并组装成刨煤机整机三维模型；

步骤5：将所述刨煤机整机三维模型转化为step格式导入离散元软件，并对所述刨煤机与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系进行调整，建立刨煤机刨削过程的离散元模型；

其中位置关系调整规则为：所述刨煤机沿所述离散元模拟煤壁长度方向距离所述离散元模拟煤壁具有初始距离为l，l大于等于0，所述刨煤机运动方向与所述离散元模拟煤壁的靠近刨煤机一侧平行，所述刨煤机刨刀刀尖所在平面与所述离散元模拟煤壁的靠近刨煤机一侧距离为h，所述刨煤机顶部刨刀和底部刨刀之间的距离与所述模拟煤壁的高度相等。

步骤5.1：所述刨煤机三维模型通过solidworks建立而成，将所述刨煤机整机三维模型转化为step格式后导入离散元软件后建立系列刨煤机刨削过程的离散元仿真模型，包括：根据所述煤炭颗粒之间的粘结参数，建立与刨煤机尺寸相配合的离散元模拟煤壁，将所述刨煤机整机三维模型转化step格式导入至所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型一；

步骤5.2：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀数目并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型二；

步骤5.3：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀排列方式并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型三；

步骤5.4：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀间距并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型四；

步骤5.5：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀安装角度并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型五；

步骤6：对具有不同刨削速度、刨削深度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度的系列刨煤机刨削过程的离散元模型进行模拟，分别获得刨刀和刨头受力随刨削速度、刨削深度、刨刀排列方式、刨刀间距、刨刀安装角度的变化曲线；

步骤7：根据所述不同刨削速度、刨削深度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度的系列刨煤机刨削过程的离散元模型的响应分析仿真结果，确定刨削后煤壁表面的残留煤脊，结合刨刀和刨头的受力结果对刨煤机性能进行分析，得到刨煤机性能评价模型；

步骤7.1：通过对系列刨煤机刨削过程的离散元模型进行响应分析，可对刨煤机刨削过程中煤炭颗粒的运动分布、刨头和刨头的受力变化以及刨头的装载率进行分析，基于主成分分析方法，将所述刨煤机的刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度作为影响刨煤机刨削后煤壁表面的残留煤脊的高度、刨头装载率、刨头以及刨刀受力波动的6个成分，提取6个成分对刨煤机性能的影响权重，建立所述刨煤机的性能评价函数，同时利用多目标优化设计方法对刨煤机刨刀的设计参数进行优化设计，获取所述刨煤机的理想设计参数。表达式如式1-4所示：

f1＝a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6(1)

f2＝b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6(2)

f3＝c1x1+c2x2+c3x3+c4x4+c5x5+c6x6(3)

f4＝d1x1+d2x2+d3x3+d4x4+d5x5+d6x6(4)

式中fi(i＝1,2,…,4)对应为残留煤脊的高度、刨头装载率、刨头以及刨刀受力波动的标准化后的数值；xi(i＝1,2,…,6)为刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度标准化后的数值。

ai(i＝1,2,…,6)为刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度对残留煤脊的高度的影响权重；bi(i＝1,2,…,6)为刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度对刨头装载率的影响权重；ci(i＝1,2,…,6)为刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度对刨头受力波动的影响权重；di(i＝1,2,…,6)为刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度对刨刀受力波动的影响权重。

步骤7.2：计算出6个成分所占权重，得到刨煤机刨刀性能评价模型：

f＝af1+bf2+cf3+df4(5)

式中a对应为残留煤脊的高度在刨煤机性能评价模型中所占权重；b对应为刨头装载率在刨煤机性能评价模型中所占权重；c对应为刨头受力波动在刨煤机性能评价模型中所占权重；d对应为刨刀受力波动在刨煤机性能评价模型中所占权重。

作为一种优选的技术方案，所述煤样在刨煤机所应用煤层的不同位置进行多点取样，按照不同煤样性质测定数据的均值确定煤样的性质；

上述方法中，所述模拟煤壁中煤炭颗粒采用软球接触模型，煤炭颗粒之间的粘结参数及其与刨煤机之间的碰撞接触参数:包括：密度、弹性模量、泊松比、恢复系数、正应力、切应力、粘结半径、刚度、静摩擦系数和动摩擦系数；

上述方法中，所述模拟煤壁中煤炭颗粒粒径的尺寸小于相邻刨刀间距；

上述方法中，刨煤机刨刀的设计参数包括：刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀宽度、刨槽宽度、刨刀间距和刨刀安装角度；

上述方法中，对所述刨煤机刨削过程的离散元模型在刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度进行响应分析，具体为：采用所述刨煤机刨削过程的离散元模型一对刨削深度和刨削速度进行响应分析；采用所述刨煤机刨削过程的离散元模型二对刨刀数目进行响应分析；采用所述刨煤机刨削过程的离散元模型三对刨刀排列方式进行响应分析；采用所述刨煤机刨削过程的离散元模型四对刨刀间距进行响应分析；采用所述刨煤机刨削过程的离散元模型五对刨刀安装角度进行响应分析。

有益技术效果：本发明利用离散元计算机模拟技术可建立包含不规则密度、结构、空隙和裂纹的煤岩三维离散元模型，可以对多源扰动下刨煤机的刨削过程反复试验，极大地降低研发成本，提高试验安全性和可靠性。通过仿真过程可提供人们在物理实验中往往无法洞察而又十分重要的信息，如煤岩在内部应力以及外部扰动作用下被刨削和破碎过程，同时能够获取刨煤机刨削过程中煤壁的破碎过程中煤炭颗粒的运动、刨刀受力、刨头受力、头装载等性能随刨煤机结构参数和运动参数的变化规律，通过不同参数条件下的刨煤机性能，可为刨煤机性能的提高提供参考。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的离散元模拟煤壁。

图2为本发明具体实施方式的刨煤机整机三维模型。

图3为本发明具体实施方式的刨煤机刨削过程的离散元模型一。

图4为本发明具体实施方式的刨煤机刨削过程的离散元模型一的仿真状态图。

图5为本发明具体实施方式的刨煤机刨削过程中的模拟煤壁表面煤脊状态图。

图6为本发明具体实施方式的刨煤机刨削过程中的刨头装载性能统计状态图。

图7为本发明具体实施方式的刨刀受力随刨削深度的变化曲线。

图8为本发明具体实施方式的刨刀受力随刨削速度的变化曲线。

图9为本发明具体实施方式的刨头受力随刨刀排列方式的变化曲线。

图10为本发明具体实施方式的刨头受力随刨刀数目的变化曲线。

图11为本发明具体实施方式的刨刀受力随刨刀间距的变化曲线。

图12为本发明具体实施方式的刨刀受力随安装角度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：

一种基于离散元法的刨煤机综合性能评价方法，包括以下步骤：

步骤1：对刨煤机所应用煤层的进行多点取样，对煤样的性质进行测定，测定参数包括：煤样的坚固性系数、凝聚力、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比和密度，所述煤样性质测定结果如表1所示：

表1煤样性质测定结果

步骤2：根据刨煤机刨刀间距设置模拟煤壁中煤炭颗粒的粒径，根据煤样性质测定结果结合莫尔-库伦理论确定模拟煤壁中煤炭颗粒之间的粘结参数，建立尺寸为6500mm×1500mm×800mm的离散元模拟煤壁，如图1所示；

步骤3：根据所述刨煤机刨刀的材料属性及设计参数，确定煤炭与刨煤机之间的碰撞接触参数；包括密度、弹性模量、泊松比、恢复系数、正应力、切应力、粘结半径、刚度、静摩擦系数和动摩擦系数，所述离散元模型中的相关参数如表2所示：

表2离散元模型中的相关参数

步骤4：根据所述刨煤机的结构参数，采用solidworks建立刨刀和刨煤机整机的三维模型，如图2所示。

步骤5：将所述刨煤机整机三维模型转化为step格式，导入到含有所示离散元模拟煤壁的离散元软件当中，对所述刨煤机与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系进行调整，其中位置关系调整规则为：所述刨煤机沿所述离散元模拟煤壁长度方向距离所述离散元模拟煤壁具有初始距离为l，l大于等于0，所述刨煤机运动方向与所述离散元模拟煤壁的靠近刨煤机一侧平行，所述刨煤机刨刀刀尖所在平面与所述离散元模拟煤壁的靠近刨煤机一侧距离为h，所述刨煤机顶部刨刀和底部刨刀之间的距离与所述模拟煤壁的高度相等。根据所示刨煤机的相关材料属性，设置刨煤机与煤炭颗粒之间的接触碰撞参数，建立刨煤机刨削过程的离散元模型；

步骤5.1：建立刨煤机刨削过程的离散元模型一，具体过程为：在将step格式的刨煤机三维模型导入到含有所示离散元模拟煤壁的离散元软件后，调整刨煤机与模拟煤壁之间的位置，确定刨头前方与煤壁之间的间距，调整刨刀插入煤壁的深度，为刨削深度，在离散元模型一中设置刨煤机向前的运动，为刨削速度，建立刨煤机刨削过程的离散元模型一，如图3所示，对所建立刨煤机刨削过程的离散元模型一进行仿真，得到刨削过程仿真状态如图4所示，模拟煤壁表面煤脊状态如图5所示，刨头装载性能统计状态如图6所示；

步骤5.2：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀数目，分别为10、15、20和25，并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型二；

步骤5.3：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀排列方式，分别为直线式排列和阶梯式配列，并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型三；

步骤5.4：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀间距，分别为40mm、60mm、80mm和100mm，并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述离散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型四；

步骤5.5：在所述刨煤机整机三维模型中设置刨刀安装角度，分别为0°、10°、20°、30°并转化为step格式，导入所述离散元软件中，设置所述离散元模拟煤壁与所述刨煤机整机三维模型之间的接触碰撞参数，调整所述刨煤机整机三维模型与所述散元模拟煤壁之间的位置关系，建立刨煤机刨削过程的离散元模型五。

步骤6：采用所述刨煤机刨削过程的离散元模型一对刨煤机刨削深度和刨煤机刨削速度进行响应分析，分别获得煤炭颗粒的运动、刨刀受力、刨头受力和刨头装载等性能的变化规律，具体步骤为：

(1)在离散元软件中将刨煤机刨削深度分别设置为10mm、20mm、30mm和40mm，利用刨煤机刨削过程的离散元模型一对刨削过程进行仿真，得到每个刨削深度下煤炭颗粒的运动、刨刀受力、刨头受力和刨头装载率，利用matlab对相关数据进行拟合得到相关变化规律曲线，其中刨刀受力随刨削深度的变化曲线如图7所示；

(2)在离散元软件中将刨煤机刨削速度分别设置为0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/，利用刨煤机刨削过程的离散元模型一对刨削过程进行仿真，得到每个刨削速度下煤炭颗粒的运动、刨刀受力、刨头受力和刨头装载率，利用matlab对相关数据进行拟合得到相关变化规律曲线，其中刨刀受力随刨削速度的变化曲线如图8所示；

对离散元模型二、离散元模型三、离散元模型四、离散元模型五进行仿真得到不同排列方式下刨头受力曲线如图9所示、刨头随刨刀数目的变化曲线如图10所示、刨刀受力随刨刀间距和刨刀安装角度的变化曲线如图11-12所示。

步骤7：根据刨煤机刨削后煤壁表面的残留煤脊的高度、刨头装载率、刨头以及刨刀受力的变化曲线，基于主成分分析方法，提取刨煤机的刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度对刨煤机刨刀性能的影响权重，建立所述刨煤机刨刀的性能评价函数，同时利用多目标优化设计方法对刨刀的设计参数进行优化设计，获取所述刨煤机刨刀的理想设计参数。

步骤7.1：通过对系列刨煤机刨削过程的离散元模型进行响应分析，可对刨煤机刨削过程中煤炭颗粒的运动分布、刨头和刨头的受力变化以及刨头的装载率进行分析，基于主成分分析方法，将所述刨煤机的刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度作为影响刨煤机刨削后煤壁表面的残留煤脊的高度、刨头装载率、刨头以及刨刀受力波动的6个成分，提取6个成分对刨煤机性能的影响权重，建立所述刨煤机的性能评价函数，同时利用多目标优化设计方法对刨煤机的设计参数进行优化设计，获取所述刨煤机的理想设计参数。表达式如式1-4所示：

f1＝0.423x1+0.225x2+0.269x3+0.012x4+0.010x5+0.061x6(1)

f2＝0.325x1+0.499x2+0.154x3+0.011x4+0.009x5+0.002x6(2)

f3＝0.485x1+0.101x2+0.194x3+0.095x4+0.101x5+0.024x6(3)

f4＝0.425x1+0.094x2+0.089x3+0.095x4+0.185x5+0.112x6(4)

式中fi(i＝1,2,…,4)对应为残留煤脊的高度、刨头装载率、刨头以及刨刀受力波动的标准化后的数值；xi(i＝1,2,…,6)为刨削深度、刨削速度、刨刀数目、刨刀排列方式、刨刀间距和刨刀安装角度标准化后的数值。

计算出6个成分所占权重，得到刨煤机性能评价模型：

f＝0.331f1+0.124f2+0.212f3+0.333f4

利用多目标优化设计方法对刨煤机的设计参数进行优化设计，获取所述刨煤机在刨削该刨煤层时的最优参数为刨削深度为40mm，刨削速度为2.11m/s，刨刀数目为23，刨刀排列方式为直线式，刨刀平均间距为92.5mm，刨刀平均安装角度为13°。

应当理解的是，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有的这些改进和变换都应落入本发明要求的保护范围内。