遲 明 方 毅 顧興彬 何利歡 廖俊瑾

1 杭州江河機(jī)電裝備工程有限公司 杭州 310012

2 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310012

3 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 杭州 310012

0 引言

在混凝土攪拌站系統(tǒng)中，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)主要完成砂、石骨料從骨料倉至攪拌機(jī)的過程輸送和卸料，具有輸送距離長、效率高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)[1]。頭部漏斗用于將輸送機(jī)頭部卸下的骨料導(dǎo)入后續(xù)的設(shè)備中，防止骨料飛濺或粉塵溢出，是骨料卸載過程中的重要設(shè)備[2]。

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場反饋情況，現(xiàn)有頭部漏斗結(jié)構(gòu)在混凝土砂、石骨料的輸送過程中，砂、石會對頭部漏斗進(jìn)行撞擊和沖刷，產(chǎn)生較大的振動和噪聲，并逐漸造成了頭部漏斗的磨損和磨穿；同時(shí)，漏斗形狀的不合理設(shè)計(jì)，導(dǎo)致骨料卸料不順暢，甚至發(fā)生了堵料，造成了砂、石骨料從頭部漏斗入口處外溢。

研究并分析上述問題產(chǎn)生的原因，采用有效的改進(jìn)優(yōu)化方案，是保證帶式輸送機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)。本文通過建立三維建模，運(yùn)用離散元EDEM 軟件進(jìn)行頭部漏斗處的骨料卸料仿真模擬，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析并找出問題的主要原因，確定最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為帶式輸送機(jī)頭部漏斗的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一定的分析方法和設(shè)計(jì)思路。

1 帶式輸送機(jī)頭部漏斗現(xiàn)場概況

1.1 帶式輸送機(jī)及頭部漏斗設(shè)計(jì)參數(shù)

某混凝土企業(yè)商品混凝土攪拌站使用的帶式輸送機(jī)為DT(Ⅱ)A 型，帶式輸送機(jī)長度L=29 000 mm，滾筒直徑D=800 mm，帶寬B=1 200 mm，膠帶傾角β =12.9°，實(shí)際帶速v =1.94 m/s，運(yùn)量Q=700 t/h。主要運(yùn)輸物料為商品混凝土所需的砂石原材料。

帶式輸送機(jī)上的砂、石骨料，經(jīng)頭部漏斗卸料至回轉(zhuǎn)漏斗分料器，然后在經(jīng)下一級帶式輸送機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)。帶式輸送機(jī)中心與回轉(zhuǎn)漏斗中心偏295 mm，布置如圖1 所示。

1.2 頭部滾筒卸料軌跡分析

物料從帶式輸送機(jī)頭部滾筒卸下的拋物線路徑稱為物料的軌跡[3]。該軌跡的曲率與頭部滾筒的直徑、轉(zhuǎn)速及物料的重力有關(guān)，圖2 為卸料軌跡簡圖。

圖2 卸料軌跡簡圖

α 為物料開始脫離滾筒的位置角度，其值隨帶速和滾筒的直徑而變化

式中：g 為重力加速度，g=9.81 m/s2。

由式（1）可求得

當(dāng)2v2

圖3 現(xiàn)場卸料位置圖

1.3 頭部漏斗在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

該帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，砂石骨料從滾筒上卸下，撞擊頭部漏斗上的角鋼和漏斗壁，特別是石子卸料噪聲很大；長時(shí)間的撞擊和沖刷導(dǎo)致斗壁磨損嚴(yán)重，直至磨穿；在卸載砂骨料時(shí)，尤其是粘性較大的砂骨料，會從回轉(zhuǎn)漏斗壁開始粘結(jié)積料，慢慢堆積到頭部漏斗內(nèi)，使得漏斗內(nèi)的容積變小，導(dǎo)致卸料不暢，嚴(yán)重時(shí)，造成卸料口堵塞。如圖4 所示，回轉(zhuǎn)漏斗卸料截面已堆積成V 形，頭部漏斗的左側(cè)斜面的砂骨料已堆積到滾筒位置。

圖4 骨料堆積狀況

2 頭部漏斗卸料過程的EDEM 仿真

EDEM 是一款多用途離散元素法建模軟件，可用于工業(yè)生產(chǎn)中的顆粒處理及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過程的仿真和分析[5]。EDEM 軟件用于計(jì)算帶式輸送機(jī)頭部滾筒骨料卸料過程，可模擬每顆砂石骨料的運(yùn)動情況，顆粒之間，顆粒與斗體之間的相互作用，經(jīng)過求解和后處理，可得到三維可視化的顆粒流和數(shù)據(jù)圖表等，用于優(yōu)化帶式輸送機(jī)頭部漏斗結(jié)構(gòu)[6，7]。

2.1 建立仿真模型

本文以帶式輸送機(jī)砂骨料輸送為例，基本參數(shù)設(shè)定為：骨料顆粒為中砂，含水率5%，JKR 表面能[8]參考區(qū)間為0 ～100 J/m2，設(shè)置3 種顆粒粒徑分別為5 mm、3 mm、1 mm，建立顆粒工廠按顆粒級配符合建設(shè)用砂2 區(qū)標(biāo)準(zhǔn)分布[9]。

考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，模擬采用球形顆粒，且按比例放大。利用三維軟件建立圖5 所示帶式輸送機(jī)頭部漏斗卸料結(jié)構(gòu)的三維簡化模型，并導(dǎo)入EDEM 軟件，定義帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向和大小1.94 m/s，滾筒為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；設(shè)置顆粒生產(chǎn)速率為200 kg/s。

圖5 頭部漏斗卸料簡化模型

2.2 仿真計(jì)算

設(shè)置仿真時(shí)間步長20%、仿真總時(shí)間、輸出頻率0.02 s ，運(yùn)行計(jì)算。對現(xiàn)有頭部漏斗仿真計(jì)算，其顆粒拋料運(yùn)動仿真如圖6 所示，通過觀看仿真動畫，砂子顆粒經(jīng)過頭部滾筒一個(gè)轉(zhuǎn)角后開始拋料，這與前文理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際吻合。砂子顆粒經(jīng)過拋物軌跡線路，最先沖擊漏斗第3 ～第5 根角鋼區(qū)域，在角鋼上形成死料堆后，砂子顆粒繼續(xù)沖擊角鋼直角邊和死料堆之間的斗壁，這是形成噪聲的主要位置，也是最先磨損的位置。隨著拋料時(shí)間的推移，砂子顆粒開始附著在斗壁和回轉(zhuǎn)漏斗壁上，并在頭部漏斗內(nèi)逐漸堆積，特別是漏斗的大斜角位置，砂顆粒越積越多。在調(diào)整帶速和輸送量繼續(xù)仿真后發(fā)現(xiàn)，堆積現(xiàn)象依然存在，無法避免。由顆粒的運(yùn)動和速度云圖可以看出，砂子顆粒按漏斗的結(jié)構(gòu)從中間運(yùn)動，周邊顆粒相對斗壁靜止，顆粒數(shù)量逐漸增加，如圖6 中藍(lán)色顆粒位置所示。

圖6 顆粒拋料運(yùn)動仿真圖

對現(xiàn)場砂石骨料卸料過程進(jìn)行跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)砂子的堆積是緩慢的過程，特別是濕度粘度較大的細(xì)砂，堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，而石子不會產(chǎn)生堆積現(xiàn)象。因此，可運(yùn)用EDEM 軟件仿真的骨料拋料過程，出現(xiàn)的問題與現(xiàn)場生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一致。

3 問題分析及優(yōu)化改進(jìn)

3.1 問題分析

由于本案例項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，受場地空間的制約，頭部漏斗出料口中心與帶式輸送機(jī)中心線偏置。通過現(xiàn)場運(yùn)行情況和EDEM 仿真分析，產(chǎn)生噪聲的原因是頭部漏斗上角鋼的布置不合理，形成的死料堆未能很好地起到緩沖和防沖刷的作用。

現(xiàn)有頭部漏斗為45e 大斜角的設(shè)計(jì)，雖然料流只經(jīng)過中間位置往下卸料，但因砂子粘性較大，在料流和砂子自身重力的作用下會逐漸向上堆積和坍塌，導(dǎo)致斜角處的砂子越積越多，占用了頭部漏斗的空間，且不受帶速和輸送量的影響。基于此，針對以上2 個(gè)方面對頭部漏斗進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)砂石骨料的拋物軌跡，調(diào)整形成死料堆的區(qū)域，保證骨料落在頭部漏斗中形成料磨料。根據(jù)砂子的特性，調(diào)整45e 大斜角的設(shè)計(jì)，進(jìn)行多次的模擬仿真，保證砂骨料進(jìn)行重復(fù)堆積和坍塌后，控制在一定高度，不再繼續(xù)向上堆積。將卸料口改為圓形口，保證回轉(zhuǎn)漏斗在卸料口處堆積的砂子，能在料流的沖刷下坍塌，防止回轉(zhuǎn)漏斗上砂子堆積延伸至頭部漏斗內(nèi)。

結(jié)合以上內(nèi)容，對頭部漏斗進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，通過三維建模，運(yùn)用仿真軟件對改進(jìn)后的頭部漏斗進(jìn)行了砂石骨料的拋料過程仿真模擬，經(jīng)過多次設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最終的仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。圖7 為改進(jìn)后的頭部漏斗簡化模型，圖8 為改進(jìn)后頭部漏斗卸料過程運(yùn)動仿真云圖。

圖7 改進(jìn)后的頭部漏斗簡化模型

圖8 改進(jìn)后顆粒拋料運(yùn)動仿真圖

經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)的頭部漏斗，解決了拋料過程中噪聲大的問題；通過合理設(shè)置死料堆，有效解決了頭部漏斗磨損和磨穿的現(xiàn)象；優(yōu)化了大斜角，限制砂骨料的堆積高度，卸料不暢和堵料的問題不再發(fā)生。改進(jìn)后的頭部漏斗去掉了角鋼和耐磨板，增大了頭部漏斗的內(nèi)部空間，減輕了整體設(shè)備的質(zhì)量。

4 結(jié)論

1）頭部滾筒拋料軌跡與滾筒的直徑、轉(zhuǎn)速及物料的重力有關(guān)，傾斜帶式輸送機(jī)還要考慮傾斜角度。在設(shè)計(jì)頭部漏斗時(shí)，要準(zhǔn)確繪制軌跡曲線，以便合理設(shè)計(jì)落料區(qū)域。

2）要綜合考慮各種骨料的特性，合理設(shè)計(jì)頭部漏斗的結(jié)構(gòu)，以保證各種骨料在同一個(gè)頭部漏斗內(nèi)卸料順暢。

3）在頭部漏斗設(shè)計(jì)的過程中，將理論和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提高設(shè)計(jì)的效率。