基于CFD的露天矿自移式排岩机抗风稳定性研究

2020-06-22乔建强张永明宗超勇宋学官

机械工程与自动化 2020年3期

孙刚，乔建强，李光，张永明，宗超勇，宋学官

(1.太原重工股份有限公司技术研发中心，山西太原 030024；2.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024)

0 引言

大型露天矿自移式排岩机是露天矿连续/半连续开采生产系统关键的物料输送和排放装备，其具有输送能力大、运行平稳、生产效率高等特点。由于露天使用，排岩机的工作环境比较恶劣，常常面临大风、扬尘等极端工况。排岩机整机高度、跨度较大，在面对极端工况时可能会有倾覆的危险。对自移式排岩机进行抗风稳定性研究对于指导安全设计和操作具有重要的工程实践意义。

排岩机对物料的传送主要通过两个桁架结构实现，这也是排岩机的主要风载受力部件。针对桁架结构的风载荷问题，国内外学者进行了大量的研究。陈伟等[1]利用CFD技术针对塔式起重机塔身和起重臂等桁架结构的风载荷进行了系统的分析。党学会等[2]针对三角形格构式输电铁塔的抗风载荷问题进行了一系列数值研究，确定了采用完全结构化网格进行仿真计算的方案。已发表的研究多是针对桁架结构或者部件进行仿真模拟，如输电铁塔、起重装置等，其特点为装备与地面接触处采用一定的机械结构紧固，目前针对露天矿自移式排岩机这种非地面紧固设备的研究较少。本文针对露天矿自移式排岩机的抗风稳定性问题，基于CFD(Computational Fluid Dynamics)方法进行了一系列的仿真计算，用于评估设备的倾覆力矩和抗倾覆力矩。然后依据计算结果确定设备在不同风力等级下的抗倾覆能力，这对自移式排岩机的安全设计和操作具有重要的工程指导意义。

1 CFD基本理论和数值建模

1.1 排岩机计算模型及数值模拟理论

排岩装备的组成如图1所示，包括排岩机和卸料车两部分。排岩机的作用是将卸料车送来的物料通过排料臂进行排放；卸料车的主要作用是完成物料的提升。

排岩机的表面特征非常复杂，为提高计算效率，本文在保留其主体特征的基础上对模型进行了适当的简化。为满足外流场风阻比小于3%的要求，构建了长度为226 m、宽度为200 m、高度为60 m的长方体空间流域。排岩机CFD计算域示意图如图2所示。

图1 排岩装备组成图

图2 排岩机CFD计算域示意图

本文进行的所有数值模拟均是基于ANSYS Fluent 19.1软件。使用CFD进行数值模拟的本质是在给定的计算域内依据定义的边界条件求解一系列偏微分控制方程组[3]。偏微分控制方程组的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程(N-S方程)、能量守恒方程以及组分输运方程。对于任何流动问题，质量守恒方程和动量守恒方程都是不可或缺的。

质量守恒方程:

(1)

动量守恒方程:

(2)

(3)

其中：t为时间；为散度；ρ为密度；v为速度；Sm为源项；p为静压；为应力张量；ρg为重力项；F为外部合力；μ为分子黏度；I为单位张量。

对于CFD仿真，保证计算精度的关键之一是湍流模型的选择。在ANSYS Fluent软件中可供选择的湍流模型包括一方程模型、二方程模型、四方程模型等，其中二方程模型中的Standardk-ε模型由于具有较好的计算精度和计算效率[4]，最为常用。本文的计算均是采用Standardk-ε模型进行仿真模拟。

1.2 网格划分

为了在保证计算精度的前提下尽量提高计算效率，本文采用混合网格的方式进行了建模，如图3所示。不同的计算子域采用不同的网格结构形式和密度。排岩机附近流域为本文计算的核心区域，由于其形状极为不规则，生成结构网格比较困难。为了保证网格质量，在Fluent中对于此部分的网格进行了进一步优化，使用多边形网格替代原来生成的四面体网格。为保证计算效率和精度，其他子域均采用结构性网格进行建模。不同子域间通过interface连接和数据交换。

图3 排岩机计算域网格

为了保证计算精度，在正式计算前进行了网格无关性验证。被验证的网格(Cells)数量分别为2 011 918、3 872 438和5 761 254，记为“粗”、“好”和“极好”。经验证，由等级“粗”和“好”得出的桁架流体力差距较大，为7%；而由网格等级“好”和“极好”得出的流体力几乎一致(偏差<1.5%)，说明当网格达到等级“好”时，计算结果基本与网格无关。为了提高计算效率，本文采用“好”等级(Cells:3 872 438)的网格进行仿真计算。

1.3 边界条件

对于排岩机的抗风稳定性问题，国外相同等级设备的安全标准为风力8级，为了充分了解国产设备的抗风稳定性，本文分别使用8级(20.7 m/s)、9级(24.4 m/s)和10级(28.4 m/s)风速进行仿真。计算模型的入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。计算域的上、下边界均设置为滑移壁面边界，计算域的左、右边界设置为对称面。

2 仿真结果与分析

本文的主要目的是分析、对比两种排岩机设计方案在不同风力等级下的抗风稳定性。两种方案的区别主要体现在配重箱位置的不同。方案一为国外设备的设计方案，特点是排岩机的配重箱位于桁架结构的上部(如图3中放大框内所指示)，方案二为国产排岩机设计方案，配重箱下移至机身(如图4所示)。

图4 国产排岩机设计方案

2.1 不同风力下两种排岩机设计方案抗风稳定性能对比

排岩机的倾覆力主要来源于机身迎风面的静压分布，而排岩机的抗倾覆力主要来源于机身的自重和机身支撑面的跨距。抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值即是自移式排岩机在不同风力等级下的稳定性系数，如图5所示。由图5可知：随着风力的增加排岩机的稳定性系数逐渐降低，在8级～10级风力下方案二(国产)设备的安全稳定性系数始终大于方案一(国外)。这表明配重箱位置下移后，自行式排岩机的抗风稳定性有显著的提高。

图5 不同风力等级下自行式排岩机的安全稳定性系数

2.2 排岩机周围流场分析

图6为在8级风速条件下排岩机(国产，方案二)周围风速分布和风场涡流黏度分布云图。由图6可知：当风通过排岩机后会在机身内部以及后侧形成较为复杂的旋涡。由于排岩机的工作环境存在较大量的颗粒运输物，此类旋涡将导致更加复杂的扬尘问题，不仅影响现场操作人员的视线，还可能导致砂砾卷入机体本身，造成排岩机机体的损伤或功能障碍。因此在下一步的工作中应进行排岩机机身拓扑结构的优化，以抑制由于机身导致的复杂旋涡。

图6 排岩机周围流场分布(8级风)

2.3 排岩机表面压力分析

图7为8级风速下排岩机表面的压力分布云图。排岩机的表面风载是其产生倾覆力的主要来源。由图7可知：排岩机的迎风面采用的平面结构导致流体压力在机身和桁架结构大量的聚集。根据相关学者的研究，桁架结构的横风载荷可以通过改变迎风面的几何轮廓(如使用仿粒突箱鲀外形)大幅减小，这也为此国产排岩机的抗风稳定性设计提供了参考。