堆料机转载站结构参数设计的离散单元法的仿真

宋伟刚，张书杰，王 丛

（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

在散料输送与装卸系统中必然存在物料的转载环节，因此转载设计问题的研究也得到了广泛的关注［1－8］.转载设计需要考虑的主要问题包括：物料的汇集与分流；控制料流的路径应产生最小的冲击、磨损、撒料、粉尘，避免输送物料的退化；确保卸载物料在悬臂带式输送机中心上，并与悬臂带式输送机在运行方向上具有接近的速度；确保物料不在溜槽中阻塞，保持料流连续；控制转载空气速度，以减缓粉尘的生成；可以容纳正常工作，甚至是满载启动和停机等.

文献［1］采用连续模型方法，将所输送物料看成整体，考虑物料经过滚筒的速度并考虑物料的下落过程，在进入溜槽段时考虑物料与溜槽的摩擦过程，该方法已经在工程中应用.文献［2］综合考虑了物料下落过程的空气阻力等影响因素用以预测卸料轨迹，连续模型方法不能很好地预测物料对受料装置的冲击载荷；近些年来颗粒仿真方法逐渐开始应用到转载设计中，文献［3］在转载溜槽设计中提出采用曲线溜槽以降低输送带的摩擦损耗.文献［4］采用离散单元法（Disrete Element Method，DEM）用于对复杂转载系统进行优化设计，但主要考虑的因素是转载的料流控制问题.文献［9］也通过实验验证了颗粒仿真方法和连续模型方法的数据结果的一致性，为今后颗粒仿真得到更广泛的应用提供了一定的理论依据.文献［10—11］利用DEM仿真软件对转载站的散装物料转载过程进行计算机仿真.提出采用冲击系数来表征冲击的大小，分别按输送带中心线和托辊辊子支撑划分方式采用极限评价指标分析了输送带可能的偏移量.通过比较颗粒对不同转载站结构的冲击效果以及输送带的偏移量，分析了直线形溜槽、折线形溜槽和曲线形溜槽中物料转载效果.仿真表明：采用变曲率半径效果更好；U形溜槽截面能够减少物料不对中情况的发生.

某堆场的堆料转载系统如图1，物料由尾车带式输送机1输送到转载站2，经转载站溜槽和导料槽3导向转载到悬臂带式输送机4，系统基本参数：物料品种：锰矿石（粉末）；堆积密度：2 000～2 200kg·m－3；静安息角为40°；动安息角为20°；块料粒度为0～90mm（粉粒料粒度0～20mm）；额定能力2 200t·h－1，最大能力2 500t·h－1；悬臂带式输送机：带宽为1 200mm，带速为3.3m·s－1，仰角4.5°，摆动角度范围为77°～103°；尾车带式输送机：带宽为1 050mm，带速3.7m·s－1，仰角为15°.卸料高度为4 110mm.

图2为漏斗和挡料板结构，输送物料对转载站的冲击会产生较强的磨损，在漏斗的侧壁上设置积料板3；在漏斗内设置挡料板2以提高对物料的导向效果.原设计在挡料板上设积料板，在积料板上焊接具有耐磨性强材料的积料耳.

图1 转载系统的组成Fig.1 Transfer system structure

图2 漏斗和挡料板结构Fig.2 Hopper structure and striker plate structure

该系统的主要特点为：①为了完成向料场的布料，受料的悬臂带式输送机需要摆动与俯仰；②由于设备的大型化，物料的输送量大、带速高；③输送物料的颗粒较小.

针对料场堆料机系统转载的特点，在采用较大颗粒粒度下分析实际颗粒的堆积特性；应用冲击系数和输送带偏移量等评价指标对尾车带式输送机和悬臂带式输送机处于不同相对位置状态进行仿真研究，通过改进挡料板的结构来控制料流的路径以产生最小的冲击力，使卸载到悬臂带式输送机的物料可能产生的输送带偏移量在标准［12］规定的范围内，选择合适的挡料板结构，实现对转载站的结构优化.本文的结构参数设计主要集中在挡料板的结构与布置参数设计，其他参数可通过观察转载仿真过程中的现象，漏斗装载物料的能力以及常规的设计来确定.

1 材料模型与物料堆积角的验证

颗粒仿真计算中颗粒的模型与材料属性是关键因素，仿真中涉及的各部分结构的材料：物料为锰矿石，转载站为钢，输送带为橡胶.材料属性见表1，接触属性见表2.

表1 材料属性表Tab.1 Material properties

表2 接触属性表Tab.2 Contact properties

针对当前采用DEM仿真软件受计算时间限制，计算所采用物料粒度大小为40～90mm之间正态分布.颗粒形状为正四面体，每个颗粒由4个球体填充，颗粒形状和填充效果见图3.

为了保证颗粒仿真建模的准确，需要对物料的堆积角进行验证.物料堆积过程为：生成颗粒落入圆筒内先将圆筒填满，继续落料，颗粒便在圆筒上形成堆积，整个堆积过程直到圆筒上形成一个完整且稳定的颗粒堆后结束，这样形成的颗粒堆避免了颗粒与底板直接接触，消除了底板摩擦系数对颗粒堆的影响，利用EDEM软件tools工具中的量角器完成对颗粒静堆积角的测定，测量方法如图4所示，测得的静堆积角度为39.18°.

在堆料圆筒上加入振动，其中振幅为0.5mm，频率是50Hz，振动时间是8s，利用EDEM软件tools工具中的量角器完成对颗粒动堆积角的测定，测量方法如图5所示，测得的动堆积角是21.181 3°.可见，采用的物料堆积角参数与所测得的物料静堆积角与动堆积角符合较好，可以用这些参数对物料的转载过程进行仿真.

图3 颗粒形状和填充效果Fig.3 Particle shape and fill effect of particle

图4 静堆积角的测量Fig.4 Static stacking angle measuring

图5 动堆积角的测量Fig.5 Dynamic stacking angle measuring

2 仿真过程与结果分析

根据系统设计，对4种方案进行计算机仿真（见表3），其中方案1为原始设计；方案2为限制物料的流向，将挡料板两侧角度改为30°，增设了积料耳；方案3和方案4是修改挡料板倾角的对比分析，表中各参数如图6所示.

表3 挡料板基本尺寸Tab.3 Striker plate basic size

计算机仿真过程：将在Pro－E中所建立的转载系统的三维模型导入EDEM系统中.颗粒工厂生成物料，落到尾车上，物料随尾车加速到带速，物料进入头部漏斗之前，速度稳定在3.7m·s－1.通过尾车带式输送机的头部滚筒卸载到转载站的头部漏斗中，经过下部溜槽导向，转载到悬臂带式输送机上，物料随输送机运行，待物料在悬臂带式输送机上稳定后，再进行一定时间的计算，能够得到稳定运行状态下的计算结果.对于此系统从开始仿真到得到稳定状态需要10s的时间，因而，在后面的讨论中所分析的结果都是仿真开始后的10～15s之间的数据.

为保证仿真参数与实际设备相同，在计算机仿真前，对输送量和带速进行标定.测试的带速如图7，物料的运行速度在输送带的作用下稳定在3.7m·s－1.在所选取的单位长度范围内，粒度为40～90mm时，输送物料的质量如图8，输送量在165kg·m－1附近波动，根据输送量为2 200t·h－1，要求的单位长度质量为165.2kg·m－1，符合运量要求.

图6 挡料板主要参数Fig.6 Striker plate main parameters

图7 测试的带速Fig.7 Measured velocity of belt

图8 线密度测试结果Fig.8 Results of quality tests of materials per unit length

图9是计算结果可视化显示的计算机仿真截图.根据对仿真过程的观察，物料无堆积堵塞现象，积料板上明显有物料堆积，可实现料打料的效果，减小了物料对漏斗和挡料板的冲击，可有效地减少磨损.

图9 计算机仿真截图Fig.9 Screenshots of computer simulation

2.1 物料对悬臂带式输送机的冲击分析

2.1.1 溜槽出口物料速度

溜槽出口的物料速度的大小直接影响冲击力的大小.物料离开溜槽即到达转载站底部的速度测试区域（如图10所示），4种方案物料离开溜槽时的平均速度、最大速度如表4所示.可见方案4的最大速度和平均速度最小.

图10 受料区域物料受力及速度测试区域Fig.10 Test area of impact force and speed of material on conveyor belt

2.1.2 悬臂带式输送机受料区域输送带所受冲击力分析

物料经过转载站下落至悬臂带式输送机，对悬臂带式输送机造成冲击.EDEM软件可以给出所设定的任意边界面上作用的法向力、切向力以及总的作用力，但这些参数并不能直接用于评价转载过程部件的受力差别，因而，采用冲击系数指标来进行评价，冲击系数定义为

表4 物料离开溜槽时的速度Tab.4 Speed of materials leave the chute

式中：Fi为冲击力；m为产生冲击力颗粒（流）的质量；g为重力加速度.

对悬臂带式输送机受料区域的输送带受力进行了测试，通过图10所示方框，测出框内颗粒在溜槽出口的速度及法向和切向的总力、平均力、最大力及重力.

受料区域输送带与物料间的冲击力及冲击系数如表5所示.从表中回转角度为90°的数据可见：虽然单个颗粒对输送带产生较大的冲力，而颗粒流的冲击系数远小于单个颗粒的，其原因在于，物料流中的大多数物料并未直接和输送带产生碰撞.可见不能用物料整体落到输送带上产生的冲击力来评价物料流的冲击.

2.2 头部漏斗挡料板受力分析

物料经尾车落入转载站中，由于物料离开输送带有较大的速度，对头部漏斗冲击力很大，且经过转载站时，由于较大的摩擦力，将会对头部漏斗和溜槽的磨损很严重，因此，为了减小物料对头部漏斗和溜槽的冲击和摩损，在头部漏斗处加挡料板，改变物料流的方向，从而在挡料板上的积料板处产生料打料的现象.

表5 10～15s冲击力与冲击系数Tab.5 10～15simpact force and impact coefficient

对头部漏斗处的挡料板所受到物料的冲击力进行测试，受力均值大小见表6，测试区域如图11所示.

表6 挡料板的受力Tab.6 Striker plate force

图11 挡料板受力测试区域Fig.11 Test area of the force on striker plate

由表6可知，方案3的挡料板受力最小，方案2的挡料板受力最大.由此可见在方案2的基础上去掉头部漏斗和溜槽中设置的挡料板与积料板上的积料耳，物料在转载站中料打料的效果更明显，物料对挡料板的冲击力也随之减小.方案4相对于方案3的冲击力稍大，其主要原因是挡料板倾角减小，冲击速度有所增大，而相对于方案1和方案2明显地降低了冲击力.

2.3 悬臂带式输送机最大偏移量的分析

将输送带上的物料分成工况1：二部分（按输送带中心线，分为二部分，见图12a）和工况2：三部分（物料在槽型托辊组3个辊子上，见图12b），统计物料的量.

根据图12，测得两种划分方法左侧质量ml，右侧质量mr，左侧与右侧质量均值的比值为

表7为悬臂带式输送机运行方向左、右侧质量均值及质量比.质量比体现了物料在输送带横向的质量分布的不均匀性.

在实际中带式输送机在偏载情况下有可能产生跑偏，因为在偏移的过程中，不仅受到输送带和托辊之间的摩擦，还受到物料的滚动和内摩擦，所以偏载并不可能完全引起输送带的偏移，采取的做法是忽略这些因素，仅考虑在偏载情况下通过输送带偏移达到物料对中的偏移量作为评价指标.

通过偏移量的试算，得出达到等分布质量下的偏移量.4种方案相对90°时的偏移量见表8.

图12 输送带上物料区域的划分Fig.12 Area dividing of material on conveyor belt

表7 悬臂带式输送机左右侧质量均值及质量比Tab.7 Average of materials mass and mass ratio in left side and right side of boom conveyor

表8 4种方案的偏移量Tab.8 Offset in 4cases

由表7和表8可知，方案4中，悬臂带式输送机运行方向左右两侧分布的物料总质量相差最小，偏移量也最小，可见，减小头部漏斗中挡料板和头部漏斗的夹角，可以有效地减小物料的跑偏.

2.4 悬臂带式输送机回转角度的影响

对方案3、方案4中悬臂带式输送机和尾车带式输送机又分别进行了回转角度为77°，103°的仿真计算，得到物料对悬臂带式输送机的冲击力及偏移量.然后同方案3、方案4中悬臂带式输送机和尾车带式输送机的回转角度为90°的仿真结果进行对比，结果如表5和表8所示.

在不同回转角度物料对悬臂输送带的冲击力偏差很小，说明悬臂带式输送机的回转角度对物料的冲击力影响不大.

当回转角度为77°时，方案3和方案4都向悬臂带运行方向左侧偏移，且偏移量最大；当回转角度为103°时，偏移量最小，且方案3在回转角度为103°时物料是向悬臂带运行方向右侧跑偏，可见回转角度对物料的偏移量影响较大.

GBT10595—2009中规定“输送带应在输送机全长范围内对中运行.当带宽不大于800mm时，输送带的中心线与输送机中心线的偏差不大于±40mm；当带宽大于800mm时，其中心线间的偏差不大于带宽的5%或±75mm（取小值）”，所以采用方案4的设计，输送带偏移量小于标准规定值，满足产品标准要求.

3 结论

（1）通过颗粒仿真方法实现了散料转载过程的可视化，得到输送带受力、物料分布情况等数据结果，用于优化转载站结构；在转载站的头部漏斗内加挡料板，改变物料流的方向，使物料流入头部漏斗形成料打料的形式，可以有效地减小物料对头部漏斗的冲击力.

（2）对挡料板进行改进，即去除积料板上设置的积料耳，可以有效地减小物料对挡料板的冲击力；减小挡料板与头部漏斗的夹角，即由原来的4°变为0°，能够有效地减小输送带的跑偏量.

（3）悬臂带式输送机的回转角度对物料在输送带上的冲击力影响不大，但对物料在输送带上的偏移量影响较大，跑偏量在产品标准允许范围内.

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