基于离散元仿真的漏斗给料系统优化

李 祥

张家港港务集团港盛分公司

1 引言

张家港港务集团港盛分公司主要从事煤炭、矿石等散货装卸作业，拥有8#和9#两个泊位，9#泊位配置的是4台16 t带斗门座起重机(以下简称门机)。该类型门机漏斗给料系统是门机与下游流程皮带机的主要通路，系统好坏直接影响整机的供料能力及设备使用性能。4#带斗门机给料系统自带漏斗伸缩机构(见图1)，使用中主要存在过路斗卸料点呛料严重、分叉漏斗作业粘性物料经常堵塞以及1a、1b出料口皮带机跑偏等问题。为寻找问题的成因及优化对策，利用机械设计软件对给料系统进行三维建模，并将模型导入离散元仿真软件对过路斗、皮带机、分叉漏斗通过性能、物料运动特性进行仿真模拟，通过模拟数据及三维实体模型的对比分析，初步确定了问题成因及优化对策。

1.大漏斗 2.给料器 3.过路斗 4.皮带机 5.分叉漏斗 6.分叉漏斗1a侧出料口 7.分叉漏斗1b侧出料口图1 4#门机漏斗给料系统

2 原因分析及对策

过路斗卸料点呛料成因如下：给料器物料沿过路斗腹板向下卸料，所卸物料在皮带机上形成冲击，因卸料点与皮带机尾部改向滚筒较近且输送带受料点下方无缓冲托辊组，因此造成卸料点输送带在物料冲击下抖动弹跳，与导料挡皮贴合不良造成密封失效呛料(见图2)。解决此问题的对策是改进卸料点位置或在卸料点下部加装缓冲托辊组。

图2 卸料点仿真与结构对比

分叉漏斗堵料成因是卸料点过高，物料通路较长，分叉漏斗导翻板角度偏小，物料流动性差易堆积，物料长期堆积造成通径变小而堵塞。解决的方法是增大导料翻板角度并改进表面摩擦性能，从而提高物料在导料翻板上的流动性及通过能力。

下游皮带机跑偏是因卸料点与流程皮带机落差过大，物料到达下游输送带时料流冲击大；解决对策是改变分叉漏斗结构，减小物料流动速度。

3 给料系统优化

解决给料系统现行问题的目标是优化分叉漏斗结构和皮带机整体移位，优化过程按照分叉漏斗结构设计到皮带机移位的顺序进行。

3.1 分叉漏斗结构优化

为找出分叉漏斗堵料根源及改进方案，利用离散元仿真软件对现用分叉漏斗进行仿真分析，设备各项性能参数假定为：供料能力600 t/h，主要输送物料为煤炭，带速为3.15 m/s和2 m/s[1]。不同带速下分叉漏斗卸料速度见图3。

图3 不同带速下分叉漏斗卸料速度

从仿真数据看，现用分叉漏斗有以下几方面特点：

(1)至1a卸料时导料翻板上物料流动性差(蓝色区域较大)，物料不断堆积造成分叉漏斗通径变小而堵塞；同流量3.15 m/s工况下堆积高度较低。

(2)两种工况下至1a卸料口料流速度相差不大，分别为5.44 m/s和5.37 m/s。至1b卸料口带速不同时料流路径不一样。3.15 m/s工况下物料分别在分叉斗上段及中段两次冲击后到达出料口，出料口料流速度为5.54 m/s；2 m/s工况下物料直接冲击到分叉斗下段斗体上，出料口料流速度为6.11 m/s，卸料口料流在带速3.15 m/s时较低。

(3)导料翻板右侧与物料没有料流接触，无需铺设耐磨材料。分叉漏斗左侧上段下沿及中段是冲击点，需铺设耐冲击性衬板，其他非冲击接触面优先选用超高分子衬板。

综上分析并结合现场实际，优化后的分叉漏斗需做如下改进：

(1)导料翻板角度从原来的55°增加到64°，同时在导料翻板左侧贴超高分子板以提升物料流动速度、减小物料堆积。

(2)分叉漏斗设计优先选用两次冲击卸料机理，给料系统皮带机带速优先选用3.15 m/s。

(3)分叉漏斗易积料的中段从原来的矩形截面改进为切角矩形，从而消除漏斗矩形直角夹角易积料的问题。

(4)分叉漏斗内采用同规格耐磨、耐冲击性较好的钢复合衬板，后续依据积料情况更换超高分子板。

3.2 皮带机移位距离确定

皮带机移位主要解决过路斗卸料点无缓冲托辊组和下游皮带机物料流速过大冲击跑偏问题。通过现场测量，皮带机北移30 cm能确保过路斗卸料点有缓冲托辊组，最大移动距离可以达60 cm。

为得到皮带机移位的准确距离，将优化后的分叉漏斗模型导入离散元软件再次仿真分析，不同移动距离卸料仿真见图4。

图4 不同移动距离卸料仿真

从仿真数据看，导料翻板角度加大后，物料流动更加顺畅，导料翻板上的积料明显减少，同时卸料口料流速度降低。卸料点向左侧移动30 cm、40 cm、50 cm后，1a卸料口流速度变化不大；当卸料点左移50 cm时，至1b卸料口的料流路径从原来二次冲击改变为一次冲击，同时出料口的料流速度增大到7.21 m/s，如继续增大向北侧移动距离，1b出料口的料流速度将随着增加。皮带机过路斗下部要求最最少移位是30 cm，移动距离越大，尾部缓冲托辊组越能发挥作用；头部最大距离是50 cm，最终确定移动距离在40 cm左右，既能满足头部料流速度低，也能充分发挥尾部缓冲托辊的作用。

4 结语

项目实施后，过路斗下部卸料点呛料、下游流程皮带机跑偏得到明显改善，同时分叉漏斗内未发生过堵料现象。离散元仿真技术的应用为散货装卸设备优化提供了先进的技术支撑，最大程度还原了项目实施后效果，为提高施工精准度、缩短施工周期、降低施工成本提供了科学的参考。