基于離散元法的散料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)落料管的研究*

權(quán) 潔，陳 浩

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

散料的轉(zhuǎn)運(yùn)廣泛存在于煤炭、冶金、電力等領(lǐng)域，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是散料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的重要組成部分，對帶式輸送機(jī)的使用壽命有直接影響。落料管在轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中起導(dǎo)流和變向作用。

為了改善轉(zhuǎn)運(yùn)性能，很多學(xué)者對轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，文獻(xiàn)[1]通過改善擋料板的形狀、調(diào)整安裝角度、在溜槽底部加裝條篩和優(yōu)化溜槽結(jié)構(gòu)等方式，既減小了系統(tǒng)的空間尺寸，又減小了對受料輸送帶的沖擊；文獻(xiàn)[2]通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站的沖擊、磨損和揚(yáng)塵，利用EDEM進(jìn)行仿真，結(jié)果表明拋物線形的頭罩和弧形的溜槽可以有效地引導(dǎo)料流，減小沖擊和磨損。在新型落料管的研究方面，文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的流線型曲線落料管，并分析了不同參數(shù)對跑偏的影響，給出了最優(yōu)的參數(shù)組合模型；文獻(xiàn)[4]通過物料的運(yùn)動(dòng)軌跡分析和EDEM仿真，得出四種不同曲線形狀的擋料板受力情況，在對現(xiàn)有轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了曲線落料管的改造方案。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程的影響因素方面，文獻(xiàn)[5]比較了同一結(jié)構(gòu)落料管不同轉(zhuǎn)載角度時(shí)物料的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)載角度會(huì)影響物料間的碰撞作用；文獻(xiàn)[6]研究了不同物料特性對落料管的影響，運(yùn)用軟件對落料管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]針對轉(zhuǎn)載溜槽部件受力過大、磨損嚴(yán)重的問題，研究了帶速和轉(zhuǎn)載溜槽傾角對直線型轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)部散料運(yùn)行狀態(tài)的影響。

上述文獻(xiàn)主要針對某單一結(jié)構(gòu)的落料管進(jìn)行研究，且對落料管截面的研究較少。因此，本文通過對不同截面和結(jié)構(gòu)的落料管進(jìn)行仿真分析，得出受料輸送帶的物料分布情況和落料管出口處垂直于受料輸送帶方向的速度以及下邊緣的受力情況，為落料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

目前，研究轉(zhuǎn)載系統(tǒng)主要有三種方法，即連續(xù)方法、物理模型方法和顆粒仿真方法。連續(xù)方法一般適用于干燥顆粒運(yùn)動(dòng)情況的計(jì)算，且不能預(yù)測物料對受料裝置的沖擊載荷；物理模型方法通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，更接近于理論值，但采集數(shù)據(jù)困難較大、測定顆粒流動(dòng)成本較高、測試數(shù)據(jù)存在一定的誤差，且通用性較差；顆粒仿真方法采用離散元法進(jìn)行轉(zhuǎn)載過程的計(jì)算，便于修正和改進(jìn)設(shè)計(jì)。因此，通常采用數(shù)值模擬的方法來研究物料顆粒的流動(dòng)特性。

1 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

以某散料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)為例對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其組成主要包括頭罩、漏斗、輥筒、落料管、送料輸送帶和受料輸送帶等[8-11]。

1.1 頭罩結(jié)構(gòu)分析

在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，散料首先進(jìn)入頭罩并對其進(jìn)行不斷沖擊，因此，頭罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的使用壽命，更是整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)料流運(yùn)動(dòng)軌跡，建立了前護(hù)板為曲面的整體式頭罩漏斗，最大程度上降低了物料與前護(hù)板的沖擊。不同截面落料管對應(yīng)的整體式頭罩漏斗如圖1所示。

圖1 不同截面落料管對應(yīng)的整體式頭罩漏斗

1.2 落料管結(jié)構(gòu)分析

散料由送料輸送帶輸送經(jīng)輥筒拋出后進(jìn)入整體式頭罩漏斗，在到達(dá)受料輸送帶之前的轉(zhuǎn)運(yùn)過程由落料管來完成。落料管是頭罩漏斗的下一級裝置，其結(jié)構(gòu)直接影響散料的流動(dòng)軌跡和受料輸送帶的受力等。本文對三種不同截面和結(jié)構(gòu)的落料管進(jìn)行研究，落料管結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 落料管結(jié)構(gòu)

1.3 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析

在對轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)各個(gè)組成部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)改進(jìn)和優(yōu)化后利用SolidWorks建立了轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)整體三維模型，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化后保存成通用格式。方形截面圓弧形落料管轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)三維模型如圖2所示。

圖2 方形截面圓弧形落料管轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)三維模型

1.4 EDEM軟件仿真

EDEM軟件是基于離散元法的用于模擬和分析顆粒行為的CAE軟件，其強(qiáng)大的仿真功能為顆粒、流體和機(jī)械力學(xué)的結(jié)合提供了可視化的平臺。將已經(jīng)保存為通用格式的模型文件導(dǎo)入EDEM軟件并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

仿真過程中，顆粒工廠生成散料并落到送料輸送帶上，顆粒隨輸送帶運(yùn)動(dòng)由輥筒卸載進(jìn)入頭罩漏斗，經(jīng)落料管轉(zhuǎn)運(yùn)后到達(dá)受料輸送帶，待散料在受料輸送帶上穩(wěn)定后即為系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)。主要仿真參數(shù)如表2所示，仿真過程如圖3所示。

表2 主要仿真參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 物料對中性分析

受料輸送帶兩側(cè)物料質(zhì)量不同容易導(dǎo)致輸送帶跑偏，同時(shí)加劇輸送帶磨損。在EDEM軟件中創(chuàng)建兩個(gè)盒子對受料輸送帶兩側(cè)的散料質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，如圖3所示。

1-左側(cè)散料質(zhì)量監(jiān)測盒子;2-右側(cè)散料質(zhì)量監(jiān)測盒子

2.1.1 方形截面時(shí)不同結(jié)構(gòu)落料管的仿真結(jié)果

分別對方形截面的圓弧形、直線型、折線形落料管進(jìn)行仿真分析，并對受料輸送帶兩側(cè)的散料質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 方形截面時(shí)不同結(jié)構(gòu)落料管受料輸送帶兩側(cè)散料仿真結(jié)果

對圖4中的(a)、(b)、(c)圖進(jìn)行對比分析可以得出：圓弧形落料管的受料輸送帶兩側(cè)散料質(zhì)量基本相同，可以很好地保證物料的對中性；直線形和折線形落料管受料輸送帶兩側(cè)散料質(zhì)量在穩(wěn)定運(yùn)行后出現(xiàn)一定的偏差，受料輸送帶跑偏和磨損的可能性較大。故仿真結(jié)果表明，圓弧形落料管能夠更好地控制料流，保證散料運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高受料輸送帶的使用壽命。

2.1.2 截面對圓弧形落料管的影響分析

分別對方形、圓形和六邊形截面的圓弧形落料管進(jìn)行仿真分析，并對受料輸送帶兩側(cè)的散料質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。圓形和六邊形截面圓弧落料管的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 圓形和六邊形截面圓弧落料管受料輸送帶兩側(cè)散料仿真結(jié)果

對圖4(a)和圖5中的(a)、(b)圖進(jìn)行對比分析可以得出：對于圓弧形落料管，方形截面能夠更好地控制料流，保證散料的對中性。

2.2 受料輸送帶所受速度沖擊的分析

對方形截面的圓弧形、直線形和折線形落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同形狀方形截面落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度

對圖6中的速度曲線進(jìn)行分析可以得出：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，圓弧形落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度明顯小于直線形和折線形落料管。故仿真結(jié)果表明，方形截面圓弧形落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度較小，對受料輸送帶的沖擊磨損小，可減少停機(jī)維護(hù)時(shí)間，提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率。

2.3 落料管受力分析

由于散料在落入落料管時(shí)速度較大，對落料管的沖擊也較大，且在物料轉(zhuǎn)載過程中會(huì)對落料管造成磨損，因此有必要對落料管的受力進(jìn)行分析。

對方形截面的圓弧形落料管轉(zhuǎn)運(yùn)的可視化仿真過程進(jìn)行分析可知，散料在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中無堆積堵塞現(xiàn)象，方形截面時(shí)圓弧形落料管下半段有散料堆積，可實(shí)現(xiàn)料打料的轉(zhuǎn)運(yùn)效果，減小了物料對落料管的沖擊和磨損。

對方形截面的圓弧形、直線形和折線形落料管出口處下邊緣所受的力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出：方形截面的圓弧形落料管出口處下邊緣的受力最小，折線形和直線形落料管受力基本一致，且波動(dòng)較大。故由仿真分析可知，圓弧形落料管下端有散料堆積，料打料的效果更加突出，物料對落料管的沖擊力隨之減小。

圖7 不同形狀方形截面落料管出口處下邊緣所受的力

3 結(jié)語

通過對轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)落料管的離散元仿真分析，實(shí)現(xiàn)了散料轉(zhuǎn)載過程的可視化，可為落料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

(1) 對比分析了落料管結(jié)構(gòu)和截面形狀對物料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中受料輸送帶兩側(cè)質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：方形截面圓弧形落料管能夠很好地控制料流，對中性好，受料輸送帶不易跑偏。

(2) 比較了相同截面不同結(jié)構(gòu)的落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度，結(jié)果表明：圓弧形落料管對受料輸送帶的沖擊較小。

(3) 對方形截面時(shí)不同結(jié)構(gòu)落料管出口處下邊緣的受力進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明：圓弧形落料管出口處下邊緣的受力最小，料打料的效果更加突出。