煤料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的影響因素分析與仿真

秦 翥

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030)

帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽作為散料運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)煤料特性的熟悉程度，直接套用公式或利用經(jīng)驗(yàn)完成圖紙[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化較多集中于如何通過(guò)增加部件實(shí)現(xiàn)煤料的最佳轉(zhuǎn)運(yùn)，如漏斗可調(diào)節(jié)擋料板、溜槽底部條篩及溜槽內(nèi)壁擋料架等[2]，較少通過(guò)優(yōu)化參數(shù)控制煤料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的卸運(yùn)軌跡。不合理的轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸條件設(shè)定將引發(fā)由于煤料運(yùn)行軌跡、落料角度引起的煤料堵塞、部件磨損、煤料粒度降低及粉塵污染等問(wèn)題，造成生產(chǎn)安全隱患及作業(yè)環(huán)境惡劣[3]。

本文通過(guò)分析煤料在轉(zhuǎn)載溜槽中的運(yùn)行狀態(tài)與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，得出影響煤料卸運(yùn)軌跡的運(yùn)輸條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用基于離散單元法的EDEM軟件，利用Hertz-Mindlin無(wú)滑移模型及Moving Plane模型，對(duì)煤料在直線型轉(zhuǎn)載溜槽中的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程進(jìn)行可視化仿真，著重比較煤料在不同卸料輸送帶帶速及溜槽傾角下對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的受力情況。研究結(jié)果旨在通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)輸條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制煤料在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的運(yùn)行軌跡及能量損耗，為提高轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)輸性能及使用壽命提供新思路。

1 煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)的運(yùn)行軌跡

轉(zhuǎn)載溜槽具有約束煤料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中軌跡變化的作用，而轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)行條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)又與煤料的運(yùn)行軌跡密切聯(lián)系，如何通過(guò)優(yōu)化相關(guān)影響因素達(dá)到控制煤流的效果，是轉(zhuǎn)載溜槽在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的重要因素。轉(zhuǎn)載溜槽的整體結(jié)構(gòu)一般包括：卸料輸送帶、卸料漏斗、落料溜槽與受料輸送帶四部分，煤料在卸運(yùn)過(guò)程中將經(jīng)歷勻速直線運(yùn)動(dòng)、離心加速下落、擋板沖擊回彈、自由重力下落再到勻速直線運(yùn)動(dòng)五個(gè)狀態(tài)，如圖1所示，從圖1中可以看出轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)直接決定了煤料的運(yùn)行狀態(tài)的變化。

圖1 煤料轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖

1.1 滾筒處煤料的卸運(yùn)轉(zhuǎn)載

煤料在到達(dá)卸料輸送帶與頭部滾筒相切點(diǎn)之前，將與卸料輸送帶以相同線速度共同運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)滾筒卸料點(diǎn)時(shí)，煤料卸運(yùn)將出現(xiàn)兩種情況，即：①煤料在卸料輸送帶與端部滾筒相切處卸載；②煤料隨卸料輸送帶運(yùn)行方向滑行一段距離后卸載[4]。以水平或向上運(yùn)輸?shù)男读陷斔蛶檠芯繉?duì)象，建立單元煤料在滾筒卸運(yùn)時(shí)的力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 單元煤料在滾筒處的卸運(yùn)受力圖

在忽略空氣阻力和煤料粘性的前提下，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，滾筒對(duì)煤料的作用力可以用式(1)進(jìn)行描述：

dF=dm·g·cosθ-dm·ν2/R

(1)

式中，dm表示煤料單元；θ表示輸送帶繞過(guò)卸料滾筒處與y軸的夾角；dFG表示單元煤料重力；δ表示卸料輸送帶傾角；v表示卸料輸送帶帶速(即煤料質(zhì)心沿運(yùn)輸方向的切向速度)；dF表示輸送帶對(duì)煤料的反作用力；R表示煤料單元運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲率半徑。當(dāng)物料離開(kāi)滾筒時(shí)dF=0，則卸料輸送帶帶速可由式(2)進(jìn)行描述：

因此，當(dāng)卸料輸送帶帶速不同時(shí)，煤料離開(kāi)滾筒的角度隨之變化，引起卸料運(yùn)行軌跡共同變化，從而影響煤料對(duì)卸料漏斗的沖擊力變化。

1.2 煤料在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換

煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)是由勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程[5]，以直線型轉(zhuǎn)載溜槽為例，煤料從轉(zhuǎn)運(yùn)彎折處的自由落體運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠鼐哂幸欢▋A角的溜槽下滑運(yùn)動(dòng)，其勢(shì)能可分解為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]。根據(jù)牛頓第二定律和能量守恒方程，煤料單元在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可用式(3)進(jìn)行描述：

式中，h表示轉(zhuǎn)載點(diǎn)到溜槽入口處的垂直距離；Vo表示溜槽內(nèi)煤料的出口速度；H表示溜槽卸料高度；γ表示溜槽傾角；WR表示功率損耗。

因此，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽卸料高度一定時(shí)，煤料下落時(shí)的能量轉(zhuǎn)換與卸料帶式輸送帶速度及溜槽傾角有關(guān)，當(dāng)傾角越大時(shí)，煤料的切向下滑作用力越大，而法向壓力越小，造成煤料對(duì)受料輸送帶的沖擊力變化。

從上述分析可知，通過(guò)設(shè)置合理的卸料輸送帶帶速及溜槽傾角，能夠有效控制煤料在卸料過(guò)程中的運(yùn)行軌跡，使煤料緊貼溜槽管壁滑行，減小煤料對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)部件的沖擊力，有效控制煤料在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換。

2 轉(zhuǎn)載溜槽仿真模型建立

根據(jù)工程實(shí)例，利用三維建模軟件SOLIDWORKS建立直線型轉(zhuǎn)載溜槽的幾何模型，如圖3所示，模型相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖3 直線型轉(zhuǎn)載溜槽幾何模型示意圖

表1 帶式輸送機(jī)直線型轉(zhuǎn)載溜槽模型參數(shù)表

建模完成后以igs格式保存并導(dǎo)入EDEM軟件中，實(shí)現(xiàn)煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)的力學(xué)行為及其對(duì)部件性能影響程度的模擬與分析。

本文將使用單一參數(shù)變量法討論不同卸料輸送帶帶速及溜槽傾角下，煤料在卸運(yùn)過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵部件的沖擊力變化。為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，本次仿真作出如下假設(shè)：①忽略煤料顆粒間的黏粘性對(duì)流動(dòng)特性的影響；②不考慮卸料過(guò)程中氣壓梯度對(duì)煤料流動(dòng)特性的作用。

3 仿真參數(shù)設(shè)置

EDEM軟件的仿真結(jié)果受多方面因素影響，如：物料的硬度和密度等物理屬性、 物料間的摩擦屬性、 仿真顆粒的大小、導(dǎo)入模型的材料和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、粒子工廠相關(guān)參數(shù)以及時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置等[7]。EDEM可以通過(guò)導(dǎo)入顆粒模型再填充的方式實(shí)現(xiàn)不規(guī)則顆粒定義[8]，但是由于煤料顆粒形態(tài)具有復(fù)雜、多樣等特性，本次模型中均采用直徑為150mm的圓球形顆粒實(shí)現(xiàn)煤料單元的幾何外觀，通過(guò)方差為0.25的正態(tài)粒徑分布模型控制煤料顆粒大小及分布特征，生成粒子下落的初始速度為1m/s，做自由落體運(yùn)動(dòng)，且卸料輸送帶帶速與受料輸送帶帶速相同。

本文運(yùn)用控制變量法，著重討論不同卸料輸送帶帶速及溜槽傾角下煤料對(duì)直線型轉(zhuǎn)載溜槽關(guān)鍵部件的作用力變化。構(gòu)成待仿真的直線型轉(zhuǎn)載溜槽及輸送帶材料主要包括鋼和橡膠，轉(zhuǎn)運(yùn)物料為煤，仿真時(shí)定義的煤炭、橡膠及鋼材屬性參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 材料屬性參數(shù)表

仿真中的接觸關(guān)系主要包括三種：煤與煤接觸、煤與鋼接觸、煤與橡膠接觸。材料間的接觸屬性參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 材料間的接觸屬性參數(shù)表

4 仿真結(jié)果分析

4.1 輸送機(jī)帶速對(duì)漏斗受力變化的影響

根據(jù)《DTII(A)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，轉(zhuǎn)載溜槽的卸料輸送帶帶速與卸料輸送帶帶寬相關(guān)，但在手冊(cè)上只明確規(guī)定了可設(shè)置的最大帶速，由前面分析可知，不同卸料輸送帶帶速影響煤料在卸運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)行軌跡。將通過(guò)EDEM設(shè)置不同卸料輸送帶帶速，定量分析煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后對(duì)漏斗的沖擊力。

為了提高仿真的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，在滿足帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽運(yùn)行功率的前提下，根據(jù)仿真模型卸料輸送帶帶寬為800mm，結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)要求，額定的卸料輸送帶帶速最高不能超過(guò)3.15m/s，分析中將分別選取低于或高于最高輸送帶帶速25%及50%的特殊數(shù)值進(jìn)行仿真，即：1.575m/s、2.3625m/s、3.15m/s、3.9375m/s、4.725m/s 五組卸料輸送帶帶速。仿真運(yùn)行結(jié)束，通過(guò)后處理并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中，分析煤料對(duì)漏斗受力變化趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 受力變化-時(shí)間圖

利用仿真數(shù)據(jù)得出不同卸料輸送帶帶速下煤料對(duì)漏斗的受力平均值及受力持續(xù)時(shí)間，結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 不同卸料輸送帶帶速下煤料對(duì)漏斗的受力平均值及受力持續(xù)時(shí)間

由表4可知，當(dāng)卸料輸送帶帶速低于額定帶速時(shí)，漏斗的受力平均值較低且受力持續(xù)時(shí)間較短，通過(guò)五組數(shù)據(jù)的比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶速低于額定帶速25%的時(shí)候，漏斗的受力平均值最小且持續(xù)時(shí)間最短，而當(dāng)帶速高于設(shè)計(jì)額定帶速時(shí)，漏斗的受力平均值增漲量較為明顯。

4.2 溜槽傾角對(duì)受料輸送帶受力變化的影響

溜槽傾角的大小是溜槽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[9]，關(guān)系到物料能否在溜槽中的平穩(wěn)流動(dòng)，最優(yōu)溜槽結(jié)構(gòu)應(yīng)保持煤料離開(kāi)溜槽后加載到受料輸送帶中心，且煤料出口的水平速度應(yīng)盡可能接近受料輸送帶的水平速度[10]。在保持卸料高度相同的情況下，通過(guò)設(shè)置不同溜槽傾角，比對(duì)煤料經(jīng)過(guò)溜槽后對(duì)受料輸送帶的受力變化關(guān)系。在 EDEM仿真過(guò)程中，分別設(shè)置溜槽傾角為30°、45°及60°進(jìn)行仿真，通過(guò)后處理并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件分析煤料對(duì)受料輸送帶的受力變化趨勢(shì)，如圖5所示。

圖5 不同溜槽傾角下煤料對(duì)受料輸送帶的合力變化圖

利用仿真數(shù)據(jù)得出不同轉(zhuǎn)載溜槽傾角下煤料對(duì)受料輸送帶的受力平均值及受力持續(xù)時(shí)間，結(jié)果詳見(jiàn)表5。

由表5可知，通過(guò)三組數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，在其他參數(shù)相同的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽傾角角度越大時(shí)，受料輸送帶的受力平均值越高、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，但傾角過(guò)小將存在堵料的風(fēng)險(xiǎn)；不同溜槽傾角下煤料運(yùn)量變化趨勢(shì)如圖6所示，當(dāng)傾角越大時(shí)，漏料問(wèn)題較為明顯。因此，在轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)落差高度一定時(shí)，應(yīng)在保證不堵料的情況下，盡量減小溜槽傾角，減緩物料在輸送帶法向上的作用力。

表5 不同轉(zhuǎn)載溜槽傾角角度下煤料對(duì)受料輸送帶的受力平均值及受力持續(xù)時(shí)間

圖6 不同溜槽傾角下煤料運(yùn)量變化趨勢(shì)圖

5 結(jié) 論

1)分析了煤料運(yùn)行軌跡與直線型轉(zhuǎn)載溜槽運(yùn)行設(shè)定參數(shù)及結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，得出卸料輸送帶帶速及溜槽傾角對(duì)煤料在卸運(yùn)時(shí)的下落軌跡及能量轉(zhuǎn)換影響較大。

2)采用基于離散單元法，分析了5組不同卸料輸送帶帶速下，煤料對(duì)卸料漏斗的受力變化趨勢(shì)、受力平均值及受力持續(xù)時(shí)間。結(jié)果表明，當(dāng)卸料輸送帶帶速低于額定帶速時(shí)，漏斗的受力平均值較低且受力持續(xù)時(shí)間較短，當(dāng)帶速低于額定帶速25%的時(shí)候，漏斗受力平均值最小且受力持續(xù)時(shí)間最短，而當(dāng)帶速高于額定帶速時(shí)，漏斗的受力平均值增漲量較為明顯。

3)在保持卸料高度相同的情況下，在EDEM中設(shè)置3組不同溜槽傾角數(shù)值，研究煤料對(duì)受料輸送帶的受力變化趨勢(shì)、受力平均值及受力持續(xù)時(shí)間。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽傾角角度越大時(shí)，受料輸送帶的受力平均值越高、受力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

4)利用仿真結(jié)果可以驗(yàn)證，通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)輸條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠控制煤料在卸運(yùn)時(shí)的運(yùn)行軌跡，使煤料緊貼溜槽管壁滑行，減小煤料對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽關(guān)鍵部件的磨損，為礦用設(shè)備節(jié)能、降耗的綠色發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。