煤料转运过程中的影响因素分析与仿真

秦 翥

(中国煤炭科工集团上海有限公司，上海 200030)

带式输送机转载溜槽作为散料运输系统的重要组成部分，在实际设计中，往往根据经验和对煤料特性的熟悉程度，直接套用公式或利用经验完成图纸[1]。国内外对转载溜槽的结构优化较多集中于如何通过增加部件实现煤料的最佳转运，如漏斗可调节挡料板、溜槽底部条筛及溜槽内壁挡料架等[2]，较少通过优化参数控制煤料转运时的卸运轨迹。不合理的转载溜槽结构及运输条件设定将引发由于煤料运行轨迹、落料角度引起的煤料堵塞、部件磨损、煤料粒度降低及粉尘污染等问题，造成生产安全隐患及作业环境恶劣[3]。

本文通过分析煤料在转载溜槽中的运行状态与能量转换关系，得出影响煤料卸运轨迹的运输条件及结构参数，采用基于离散单元法的EDEM软件，利用Hertz-Mindlin无滑移模型及Moving Plane模型，对煤料在直线型转载溜槽中的转运过程进行可视化仿真，着重比较煤料在不同卸料输送带带速及溜槽倾角下对转运结构关键部件的受力情况。研究结果旨在通过优化转载溜槽的运输条件及结构参数，控制煤料在转运时的运行轨迹及能量损耗，为提高转载溜槽的运输性能及使用寿命提供新思路。

1 煤料在转载溜槽内的运行轨迹

转载溜槽具有约束煤料转运过程中轨迹变化的作用，而转载溜槽的运行条件及结构参数又与煤料的运行轨迹密切联系，如何通过优化相关影响因素达到控制煤流的效果，是转载溜槽在设计过程中必须考虑的重要因素。转载溜槽的整体结构一般包括：卸料输送带、卸料漏斗、落料溜槽与受料输送带四部分，煤料在卸运过程中将经历匀速直线运动、离心加速下落、挡板冲击回弹、自由重力下落再到匀速直线运动五个状态，如图1所示，从图1中可以看出转载溜槽的结构直接决定了煤料的运行状态的变化。

图1 煤料转运示意图

1.1 滚筒处煤料的卸运转载

煤料在到达卸料输送带与头部滚筒相切点之前，将与卸料输送带以相同线速度共同运动，当到达滚筒卸料点时，煤料卸运将出现两种情况，即：①煤料在卸料输送带与端部滚筒相切处卸载；②煤料随卸料输送带运行方向滑行一段距离后卸载[4]。以水平或向上运输的卸料输送带为研究对象，建立单元煤料在滚筒卸运时的力学模型，如图2所示。

图2 单元煤料在滚筒处的卸运受力图

在忽略空气阻力和煤料粘性的前提下，根据动力学原理，滚筒对煤料的作用力可以用式(1)进行描述：

dF=dm·g·cosθ-dm·ν2/R

(1)

式中，dm表示煤料单元；θ表示输送带绕过卸料滚筒处与y轴的夹角；dFG表示单元煤料重力；δ表示卸料输送带倾角；v表示卸料输送带带速(即煤料质心沿运输方向的切向速度)；dF表示输送带对煤料的反作用力；R表示煤料单元运动时的曲率半径。当物料离开滚筒时dF=0，则卸料输送带带速可由式(2)进行描述：

因此，当卸料输送带带速不同时，煤料离开滚筒的角度随之变化，引起卸料运行轨迹共同变化，从而影响煤料对卸料漏斗的冲击力变化。

1.2 煤料在溜槽内的能量转换

煤料在转载溜槽内是由势能向动能转化的过程[5]，以直线型转载溜槽为例，煤料从转运弯折处的自由落体运动变为沿具有一定倾角的溜槽下滑运动，其势能可分解为沿溜槽方向的平行加速力及垂直于溜槽方向的摩擦阻力[6]。根据牛顿第二定律和能量守恒方程，煤料单元在溜槽内的能量转换关系可用式(3)进行描述：

式中，h表示转载点到溜槽入口处的垂直距离；Vo表示溜槽内煤料的出口速度；H表示溜槽卸料高度；γ表示溜槽倾角；WR表示功率损耗。

因此，当转载溜槽卸料高度一定时，煤料下落时的能量转换与卸料带式输送带速度及溜槽倾角有关，当倾角越大时，煤料的切向下滑作用力越大，而法向压力越小，造成煤料对受料输送带的冲击力变化。

从上述分析可知，通过设置合理的卸料输送带带速及溜槽倾角，能够有效控制煤料在卸料过程中的运行轨迹，使煤料紧贴溜槽管壁滑行，减小煤料对转载溜槽结构部件的冲击力，有效控制煤料在溜槽内的能量转换。

2 转载溜槽仿真模型建立

根据工程实例，利用三维建模软件SOLIDWORKS建立直线型转载溜槽的几何模型，如图3所示，模型相关参数详见表1。

图3 直线型转载溜槽几何模型示意图

表1 带式输送机直线型转载溜槽模型参数表

建模完成后以igs格式保存并导入EDEM软件中，实现煤料在转载溜槽内的力学行为及其对部件性能影响程度的模拟与分析。

本文将使用单一参数变量法讨论不同卸料输送带带速及溜槽倾角下，煤料在卸运过程中对关键部件的冲击力变化。为简化模拟过程，本次仿真作出如下假设：①忽略煤料颗粒间的黏粘性对流动特性的影响；②不考虑卸料过程中气压梯度对煤料流动特性的作用。

3 仿真参数设置

EDEM软件的仿真结果受多方面因素影响，如：物料的硬度和密度等物理属性、 物料间的摩擦属性、 仿真颗粒的大小、导入模型的材料和运动状态、粒子工厂相关参数以及时间步长设置等[7]。EDEM可以通过导入颗粒模型再填充的方式实现不规则颗粒定义[8]，但是由于煤料颗粒形态具有复杂、多样等特性，本次模型中均采用直径为150mm的圆球形颗粒实现煤料单元的几何外观，通过方差为0.25的正态粒径分布模型控制煤料颗粒大小及分布特征，生成粒子下落的初始速度为1m/s，做自由落体运动，且卸料输送带带速与受料输送带带速相同。

本文运用控制变量法，着重讨论不同卸料输送带带速及溜槽倾角下煤料对直线型转载溜槽关键部件的作用力变化。构成待仿真的直线型转载溜槽及输送带材料主要包括钢和橡胶，转运物料为煤，仿真时定义的煤炭、橡胶及钢材属性参数详见表2。

表2 材料属性参数表

仿真中的接触关系主要包括三种：煤与煤接触、煤与钢接触、煤与橡胶接触。材料间的接触属性参数详见表3。

表3 材料间的接触属性参数表

4 仿真结果分析

4.1 输送机带速对漏斗受力变化的影响

根据《DTII(A)带式输送机设计手册》要求，转载溜槽的卸料输送带带速与卸料输送带带宽相关，但在手册上只明确规定了可设置的最大带速，由前面分析可知，不同卸料输送带带速影响煤料在卸运过程中的运行轨迹。将通过EDEM设置不同卸料输送带带速，定量分析煤料转运后对漏斗的冲击力。

为了提高仿真的真实性和准确性，在满足带式输送机转载溜槽运行功率的前提下，根据仿真模型卸料输送带带宽为800mm，结合设计手册要求，额定的卸料输送带带速最高不能超过3.15m/s，分析中将分别选取低于或高于最高输送带带速25%及50%的特殊数值进行仿真，即：1.575m/s、2.3625m/s、3.15m/s、3.9375m/s、4.725m/s 五组卸料输送带带速。仿真运行结束，通过后处理并将数据导入Origin软件中，分析煤料对漏斗受力变化趋势，如图4所示。

图4 受力变化-时间图

利用仿真数据得出不同卸料输送带带速下煤料对漏斗的受力平均值及受力持续时间，结果详见表4。

表4 不同卸料输送带带速下煤料对漏斗的受力平均值及受力持续时间

由表4可知，当卸料输送带带速低于额定带速时，漏斗的受力平均值较低且受力持续时间较短，通过五组数据的比对分析可以发现，当带速低于额定带速25%的时候，漏斗的受力平均值最小且持续时间最短，而当带速高于设计额定带速时，漏斗的受力平均值增涨量较为明显。

4.2 溜槽倾角对受料输送带受力变化的影响

溜槽倾角的大小是溜槽设计的关键[9]，关系到物料能否在溜槽中的平稳流动，最优溜槽结构应保持煤料离开溜槽后加载到受料输送带中心，且煤料出口的水平速度应尽可能接近受料输送带的水平速度[10]。在保持卸料高度相同的情况下，通过设置不同溜槽倾角，比对煤料经过溜槽后对受料输送带的受力变化关系。在 EDEM仿真过程中，分别设置溜槽倾角为30°、45°及60°进行仿真，通过后处理并将数据导入Origin软件分析煤料对受料输送带的受力变化趋势，如图5所示。

图5 不同溜槽倾角下煤料对受料输送带的合力变化图

利用仿真数据得出不同转载溜槽倾角下煤料对受料输送带的受力平均值及受力持续时间，结果详见表5。

由表5可知，通过三组数据的比对分析，在其他参数相同的情况下，当转载溜槽倾角角度越大时，受料输送带的受力平均值越高、持续时间越长，但倾角过小将存在堵料的风险；不同溜槽倾角下煤料运量变化趋势如图6所示，当倾角越大时，漏料问题较为明显。因此，在转载溜槽的设计过程中，当转运落差高度一定时，应在保证不堵料的情况下，尽量减小溜槽倾角，减缓物料在输送带法向上的作用力。

表5 不同转载溜槽倾角角度下煤料对受料输送带的受力平均值及受力持续时间

图6 不同溜槽倾角下煤料运量变化趋势图

5 结 论

1)分析了煤料运行轨迹与直线型转载溜槽运行设定参数及结构间的关系，得出卸料输送带带速及溜槽倾角对煤料在卸运时的下落轨迹及能量转换影响较大。

2)采用基于离散单元法，分析了5组不同卸料输送带带速下，煤料对卸料漏斗的受力变化趋势、受力平均值及受力持续时间。结果表明，当卸料输送带带速低于额定带速时，漏斗的受力平均值较低且受力持续时间较短，当带速低于额定带速25%的时候，漏斗受力平均值最小且受力持续时间最短，而当带速高于额定带速时，漏斗的受力平均值增涨量较为明显。

3)在保持卸料高度相同的情况下，在EDEM中设置3组不同溜槽倾角数值，研究煤料对受料输送带的受力变化趋势、受力平均值及受力持续时间。结果表明，当转载溜槽倾角角度越大时，受料输送带的受力平均值越高、受力持续时间越长。

4)利用仿真结果可以验证，通过优化转载溜槽的运输条件及结构参数，能够控制煤料在卸运时的运行轨迹，使煤料紧贴溜槽管壁滑行，减小煤料对转载溜槽关键部件的磨损，为矿用设备节能、降耗的绿色发展提供理论基础。