基于EDEM的氣墊機中間卸料裝置設計

郝志杰,姚艷萍,徐成祥

(太原科技大學 機械工程學院,太原 030024)

隨著采礦技術(shù)的飛速發(fā)展,氣墊帶式輸送機廣泛應用于港口、電力、化工等行業(yè),氣墊帶式輸送機在運送物料的過程中往往需要多點卸料,就目前而言,國內(nèi)的氣墊機卸料方式大多數(shù)采用卸料小車和犁式卸料器。卸料小車的工作原理為卸料車與帶式輸送機串聯(lián),根據(jù)不同物料的堆積角度,將物料隨卸料車的角度提升到一定高度,然后從一個卸料臺卸料側(cè)、兩側(cè)或從中間通過三通卸料,方向和流量由每路閘閥(或瓣閥)控制。 傳送帶通過前后滾輪重新定向,使其回到前面。 卸料小車可以在帶式輸送機的軌道上來回移動,從而實現(xiàn)多點卸料。犁式卸料器的工作原理大多數(shù)為將推桿收縮回來,然后拉動卸料犁頭升起,且卸料犁頭和副犁柄同時工作將托輥架放下,托輥的高度正好和輸送機正常段中托輥處在同一高度,然后調(diào)角度托輥受壓成槽形狀,與輸送機的正常段槽角一樣,膠帶正常工作。推桿伸出,放下卸料犁頭,卸料犁頭的副犁柄同時工作拉起托輥架。托輥高度達到輸送機理論高度,膠帶和調(diào)角度托輥同時展平,卸料犁頭與膠帶接觸,輸送機完成卸料[1]。目前國內(nèi)焦作科瑞森重裝股份有限公司采用DEM離散元理論對傳統(tǒng)犁式卸料器的卸料過程進行了仿真和分析,確定了傳統(tǒng)犁式卸料器犁頭結(jié)構(gòu)形式,犁頭和膠帶之間的夾角30°較為合適,同時改進了傳統(tǒng)犁料器犁頭設計,有利于環(huán)保;山西長平煤業(yè)有限責任公司通過MATLAB仿真分析,得到了傳統(tǒng)犁式卸料器的導向板的夾角設置為60°～80°時具有最佳的工作性能和最優(yōu)的經(jīng)濟性。然上述卸料方式每次都需要通過托輥組將皮帶展平然后卸料,加大了繁瑣程度,也降低了經(jīng)濟效益。因此本文的重點是將卸料鏟鏟頭設計成與氣墊機氣室盤槽形狀一樣,在不斷開氣室的情況下進行卸料,通過Solidworks軟件三維建模和EDEM離散元軟件分析并設計進行校核,然后在實際工程中得以運用。

1 卸料鏟結(jié)構(gòu)及原理分析

卸料鏟主要由弧形耐磨襯板、清掃板、鋼板、支架、長螺栓等組成,見圖1,弧形耐磨板的形狀見圖2.

圖1 卸料鏟結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of unloading shovel

圖2 弧形耐磨板形狀Fig.2 Curved wear plate shape

卸料情況:打開控制電機的開關,電機轉(zhuǎn)動帶動帶動驅(qū)動軸開始轉(zhuǎn)動,此時連桿以驅(qū)動軸為圓心開始逆時針旋轉(zhuǎn),連桿帶動鏟體支架轉(zhuǎn)動,而此時連桿運動帶動另一個連桿也逆時針轉(zhuǎn)動,從而將卸料鏟放下,鏟頭剛好輕輕接觸輸送帶;關閉控制電機的開關,電機停止轉(zhuǎn)動,鏟體停止在該處,物料由進料口向卸料口運動的過程中碰撞上弧形耐磨板后從鏟體兩側(cè)排出;同時還有少許未由鏟體卸干凈的少數(shù)物料,由于清掃板比耐磨襯板低,所以當鏟體壓在輸送帶上時,清掃版上的壓簧被壓縮,清掃板壓在輸送帶上,未被清掃干凈的物料被清掃出去,實現(xiàn)干凈卸料;

通過工況:若卸料完成后,打開控制電機的反轉(zhuǎn)開關,電機開始反轉(zhuǎn),連桿以驅(qū)動軸為圓心開始順時針旋轉(zhuǎn),同時帶動另一連桿也順時針轉(zhuǎn)動,卸料鏟抬起,物料正常通過,到達下一個需要卸料的地方。

理論上由于輸送帶貼在氣墊帶式輸送機盤槽上,因此在卸料時輸送帶仍然處于半圓弧型狀,物料在撞擊弧形耐磨板后會在盤槽內(nèi)形成小的堆積,直至堆積的物料高于盤槽外側(cè),物料才會延盤槽兩側(cè)方向排除,但物料的堆積會壓壞氣墊機本身處于輸送狀態(tài)時的氣膜,因此將鋼板和弧形耐磨板延皮帶方向進行延長,使堆積在弧形耐磨板上的物料由電機和連桿提供動力托在半空中,盡量減小由于物料堆積造成的氣膜損壞。

2 顆粒的運動分析

本文利用離散元模型模擬煤顆粒的運動,煤在卸料的過程中受到的力主要有煤本身的重力,顆粒與顆粒之間的接觸碰撞力,顆粒與弧形耐磨板之間的碰撞力,以及其余的顆粒運動阻力等。同時顆粒的旋轉(zhuǎn)對其運動具有較為明顯的影響。建立煤炭的顆粒模型(圖3),由于物料中含有水分,因此需要考慮物料的粘結(jié),顆粒與顆粒的接觸,顆粒與結(jié)構(gòu)的接觸模型都選擇Hertz-mindlin with JKR模型,物料和結(jié)構(gòu)的特性[2]見表1和表2,物料為大小不等的煤顆粒。初步設計運量為800 t/h,帶寬為1 000 mm.

表1 物料特性

表2 接觸參數(shù)

圖3 顆粒的形狀Fig.3 The shape of the particles

Hertz-mindlin with JKR模型是一個極其重要的模型,此模型可以考慮接觸區(qū)域中的范德華力的影響和允許模擬強粘結(jié)性的顆粒系統(tǒng),是一個比較重要的凝聚力接觸模型[3]。JKR模型能計算切向彈性力、法向和切向耗散力,而JKR模型法向力基于重疊β和相互作用系數(shù)及表面能λ:

式中:E*是當量楊氏模量,R*是當量半徑,當表面能λ=0時,力就變成了Hertz-Mindlin法向力。顆粒即使不直接進行接觸,JKR模型也可以提供吸引凝聚力[4]。此模型的摩擦力計算取決于JKR法向力的正向排斥部分,接觸力的凝聚力分量更大時提供更大的摩擦力[5]。在強凝聚力的情況下,摩擦力模型修正有一定的重要性和優(yōu)勢。此模型在模擬濕顆粒時,將兩顆料分開時所需要的力取決于液體表面張力λs和濕潤角θ.

3 幾何建模

利用三維建模軟件Solidworks將卸料情況畫出,然后導入離散元軟件EDEM中進行模擬,在此次模擬中為了簡化運算量,只將氣墊機的輸送帶形式畫出,將卸料犁的弧形耐磨板畫出。

首先通過EDEM模擬對比單側(cè)卸料(圖4)和雙側(cè)卸料(圖5)哪一個方案更為優(yōu)良,通過EDEM模擬發(fā)現(xiàn),單側(cè)卸料存在非卸料側(cè)有跑料現(xiàn)象發(fā)生,且相較與雙側(cè)卸料,單側(cè)卸料在卸料的過程中會造成卸料側(cè)壓力明顯大于另一側(cè),容易造成氣墊機兩側(cè)壓力差距較大,當風機壓力過大時,容易造成非卸料側(cè)翻帶現(xiàn)象,當風機壓力較小時,卸料側(cè)出現(xiàn)氣膜破壞,輸送帶與盤槽發(fā)生摩擦,因此選用雙側(cè)卸料。

圖4 單側(cè)卸料模擬Fig.4 Unilateral unloading simulation

圖5 雙側(cè)卸料模擬Fig.5 Double-side discharge simulation

如圖6煤炭顆粒卸料過程中煤炭撞擊弧形耐磨板的運動路徑[6],由圖可知物料在撞擊弧形耐磨板后向氣墊機兩側(cè)運動,從而實現(xiàn)中間卸料的目的[7]。

圖6 物料運動軌跡Fig.6 Material movement trajectory

通過模擬對比發(fā)現(xiàn)氣墊機在卸料前(圖7)和卸料時(圖8)物料對輸送帶的壓力在變化,且在卸料的過程中由于會發(fā)生堆料現(xiàn)象,卸料鏟兩側(cè)壓力明顯增大,因此需要配備專門的卸料氣室,才能保證不斷開氣墊機氣室卸料的正常進行。

圖7 氣墊機正常輸送輸送帶壓力Fig.7 Normal conveyor belt pressure of air cushion machine

圖8 氣墊機卸料輸送帶壓力Fig.8 Unloading conveyor belt pressure of air cushion machine

4 結(jié)論

通過EDEM仿真軟件對比發(fā)現(xiàn),雙側(cè)卸料比單側(cè)卸料效果要好一些;在比較氣墊機雙側(cè)卸料前后,皮帶上的壓力仿真圖發(fā)現(xiàn),由于氣墊機在卸料處,物料產(chǎn)生了堆積,因此輸送帶前后的壓力產(chǎn)生了變化,最大壓力值也相應增大。仿真發(fā)現(xiàn)輸送帶在卸料處卸料鏟兩側(cè)的壓力明顯增大,因此需要特制的氣墊機盤槽將盤槽最外側(cè)氣孔加密以承受更大的載荷。