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

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

然而，傳統方法很難精準預測截割頭在動態作業中所受的載荷和應力分布。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境中優化設計，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雜的接觸和相互作用，從而真實地刻畫煤巖內部顆粒的微觀力學行為。

相比之下，傳統的連續介質力學方法往往難以準確地描述顆粒間的非線性和不連續性，因而在處理顆粒體系時可能存在一定的局限性。

基于煤巖標定結果模擬設備開采作業過程，分析設備截割性能，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量、葉片升角等進行優化設計。

圖1：EDEM煤巖層建模及開采過程仿真

仿真結果分析

• 截割煤尺寸分析

利用EDEM離散元仿真能夠統計截割后煤塊的尺寸、形態、破碎行為等數據信息，評估設備在截割煤過程中的效率和效果。

煤塊過大可能影響后續處理，過小則可能導致過多的粉塵產生，過于尖銳或不規則的顆粒可能會影響運輸和儲存，導致設備磨損加劇。

基于仿真結果，調整設備的運行參數（如截割頭的角度、轉速等）或優化截割頭結構設計，以改善煤塊質量，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生的磨損區域和磨損類型，有針對性地通過設計優化延長其使用壽命。

EDEM軟件的仿真結果提供了顆粒在截割頭表面撞擊和滑動時的摩擦力數據和磨損情況。通過仿真結果查看截割頭表面的磨損分布，重點分析哪些區域磨損較為嚴重。

如圖所示，磨損主要集中在煤巖流直接沖擊的刀盤區域。

基于仿真結果，以葉片漸變升角為優化設計方案，有效降低了螺旋葉片的磨損。

圖3：EDEM分析截割頭磨損情況

• 截割頭應力分布

分析截割頭應力分布有助于評估截割頭在作業過程中可能會發生的材料疲勞、裂紋擴展或過早損壞，及時進行結構加固和優化增加設備的耐用性。

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生的高應力區域。這些高應力區域容易成為截割頭的“薄弱點”，易發生材料疲勞，對整體結構的耐用性構成威脅。

如圖所示，在滾筒和截齒上觀察到最大米塞斯應力為1500Mpa。

基于仿真結果，可以通過調整截割頭的幾何形狀（如增加過渡圓角）來減少應力集中，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生的應力分布

• 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。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，表明截割頭設計合理、切割效率高。

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

以在截割頭端盤的側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化案例，分析其截割性能。得到結果：優化后截割扭矩增加了5.1%，生產率提高了13.6%，截割比能耗降低 15.0%。

圖5：EDEM-FEA分析截割扭矩

總結

EDEM離散元仿真技術為連續采礦設備的優化設計提供了量化的技術支持，實現了顯著的經濟和性能效益：

1、基于EDEM的煤巖層建模，可以創建顆粒體物料空間環境，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據信息；

2、通過優化截割頭結構設計，能夠有效提高切割效率和裝煤率，降低能耗損失，從而提高煤礦連續開采裝備的工作穩定性和整體作業效率；

3、仿真揭示的磨損區域和高應力區域，使得在設計階段有效延長設備關鍵部件的使用壽命，減少設備后期的維護和停機成本；

4、仿真使設計過程能夠快速迭代，避免傳統的樣機試錯成本，為企業節省大量研發費用。

借助EDEM離散元仿真技術，開采設備的設計效率和工作可靠性得到大幅提升，帶來了顯著的成本節約和性能優化。EDEM仿真不僅推動了設備技術進步，還為采礦行業的未來發展提供了強有力的技術支持。