倉斗料位實施應變檢測的選點及應用

王延高

倉斗料位實施應變檢測的選點及應用

王延高

在結構復雜的大容量固掛式鋼體倉斗上，如何按性價比最優化原則，采用盡可能少的應力傳感測點準確檢測整個斗內固體物料流量的實時變化，其安裝部位至為關鍵。對此，根據靜力學原理進行三維建模和有限元分析，在導入模型及材料屬性和模型網格劃分基礎上，模擬載荷添加和應力應變仿真計算得出結論，確定最佳安裝范圍。通過實地應用，效果十分理想，達到安全、穩定、節約和高效的預期目的。

煤炭裝船港；翻車機；料斗料位；檢測控制

一、引言

根據發展綠色港口的理念，秦皇島港快速進入“后放射源”時代。原用于檢測翻車機料斗料位的伽馬射線裝置拆除后，先后通過對雷達、超聲波和激光等技術的比較，均無法達到現場工況要求，故替代方案的焦點逐步集中到應變傳感技術上。

翻車機料倉是直接倒懸固定在地坑混凝土圈梁上的金屬構件體，當其受到外力作用時會因承受力而發生形變，外力大小的不同引發金屬結構件形變（應變）的程度也會不同。據此原理可知：隨傾倒作業過程中倉斗內的料位變化，料斗壁承載力即應變也隨之改變。通過測量這個應變就可間接得知煤倉料斗內的料位高低。由于料倉結構復雜，各處受力不均，為正確反映料位狀態，在什么位置安裝多少應變傳感器為宜，必須加以測算。

二、煤倉料斗的靜力學分析

通過對煤倉料斗體的靜力學分析，掌握煤倉料斗體的各部分構件所承受的應力及應變分布規律，可為尋找應變傳感器的安裝位置提供指導，避免盲目性。

1.三維建模

參考煤倉料斗體的二維設計圖，運用solidworks三維建模軟件繪制其三維模型，煤倉料斗體的主要部件之間都是通過螺栓連接，完成的三維模型如圖1所示。

2. 有限元分析

（1）導入模型及材料屬性定義

模型生成之后要對其進行受力分析。為了更有效地計算煤倉料斗體在工作過程中的應力變化情況，需將模型進行整體化處理，在保證煤倉料斗體結構不變的前提下，將各個部件黏合到一起。處理完之后將煤倉料斗體模型轉換成特定格式文件導入有限元分析軟件ANSYS Workbench。在有限元軟件中，選取煤倉料斗體所用材質為Q235-A，然后定義材料的具體屬性參數。

（2）模型網格劃分

所分析模型外觀尺寸比較龐大，外形結構也比較復雜，這些都為網格的劃分帶來很大的難度。在網格劃分過程中要選擇合適的方法，對于不同部分還需進行恰當的設置。最終劃分的網格如圖2所示。

圖2 煤倉料斗體網格劃分

（3）模型載荷添加

根據實際安裝情況，在煤倉料斗體模型頂部外側面添加固定約束。

依據朗肯與庫侖土壓力理論，物料對煤倉料斗體內側鋼板的壓應力的水平和豎直分力分別為

其中：γ為重度；ψ為物料與鋼板的內摩擦角；ε為煤倉料斗體各側面與垂直面夾角；h為煤倉料斗體所盛物料深度。在添加壓應力時，取，方向為垂直于鋼板內側。

將煤倉料斗體具體結構參數和內摩擦角系數代入上述公式，分別計算煤倉料斗體在高、中、低位時的內壁壓強，并在有限元軟件中輸入相應載荷系數。

對于不同的料位，通過增加或減少載荷施加面來完成相應的載荷加載。圖3表示高料位時大傾角斜面的載荷添加情況，其他情況采用相同的辦法依次添加相應載荷。

圖3 高料位時大傾角斜面的載荷分布

（4）應力應變仿真計算及結論

設定約束和添加載荷之后，即可進行仿真計算，得到相應的應力圖、應變圖及總變形云圖。從圖4和圖5可以看出：隨著料位的增高，煤倉料斗體的應力與應變相應增加；煤倉料斗體在靠近底端部分的變形要大于靠近頂端部分的變形；在相同料位條件下，大傾角斜面的應力、應變及總體形變明顯大于其他三個斜面，存在應力集中現象；兩個小傾角斜面的應力、應變及總體變形基本上呈對稱分布。

三、應變傳感器安裝位置的選擇

依據對煤倉料斗體的靜力學仿真分析的結果，應變傳感器的安裝位置應在料斗壁的應變隨載荷變化最大的區域，即煤倉料斗體的大傾角斜面的底部，該部位料斗體構件的應變隨料位的變化最明顯。

圖4 高料位總變形云圖

圖5 低料位總變形云圖

考慮到現場狀況和便于安裝人員操作，在煤倉料斗體的大傾角斜面底部的壁板和工字鋼上分別在不同方向上選擇了四個應變傳感器測試點，如圖6所示。

圖6 應變傳感器安裝位置示意圖

通過現場測試實驗，發現安裝傳感器編號為1、2位置的信號較3、4號位置的要強，但受倉內襯板的影響很大，不是最佳安裝點；4號位置輸出應變信號較3號位置的要大，因此，確定4號位置是最佳安裝位置。

四、測試實驗及數據分析

煤倉料斗內料位的高低、煤料在料斗內的不均勻分布、震動篩排料引起的震動、煤料與料斗壁的黏滯和固態的煤料在料斗內的流動變化等因素都會使加載到安裝應變傳感器部位的載荷發生變化，從而影響該部位的應力和應變。通過應變傳感器采集到的數據反映了這些變化。

圖7是翻車卸料過程中兩個煤倉料斗1和2的測量點處料斗壁的應變變化曲線。

圖7 翻車線1、2號煤倉料斗上測量點的料斗壁的應變變化曲線

由圖7可知，當翻車卸料時，隨著煤料的傾倒使得測量點處料斗壁的應力突然加大，該處的應變也隨之變大，兩個料斗的應變曲線都同時呈現階躍式上升。而后，隨著料位的降低應變曲線逐漸下降。由應變曲線可獲知煤倉料斗內料位的變化狀況。因為在煤倉料斗內堆積和流動的是固態的煤塊和煤粉的混合物，因此它們由上而下最后經過收窄的料斗底部流動出去的過程是比液態流體更復雜的固體流體的運動過程。顆粒大小、塊粉混合比例、濕度、局部壓縮、局部黏滯、堆積料位高度、層流流動界面的相互作用、塌陷等因素都有可能影響它們在料斗內的流動速度或路徑，因而它們對料斗壁的作用力也會變化。料斗壁應變的變化間接地反映出這種復雜的變化過程。有時煤倉料斗內的煤在流動過程中會產生煤層內部的局部空洞，隨著空洞的塌陷而產生對料斗壁的應力沖擊，即如圖7中所示的“塌陷沖擊”現象。這種“塌陷沖擊”有時是由煤層上部的四壁掛煤塌陷產生的。煤層間的滑動也會產生應力變化。通過增加應變測量點可以更全面地探知料斗內部的煤料變化狀況。

不過需要特別指出的是，實踐中時而也會出現應變曲線平臺現象（如圖8中圓圈內的局部曲線）。它給人的錯覺似乎這段期間停止排料，煤倉料斗內的料位沒有發生變化，但實際震動篩出口仍在持續排料（流動速度可能變慢），如圖9所示。這是由于傳感器安裝的部位位于傾斜度較緩的斜面之上，煤料在流動中受到這個斜面的阻力最大，在這個斜面上最容易發生黏結、黏滯，其附近部位的煤料流速受其影響相對較慢，密度較大。當形成如圖9所示的黏滯區和快速流動區的局面時，就會出現測量點處的應力和應變暫時“凝固”而煤料仍在持續流出的情況。不過，隨著快速流動區料位的下降，黏滯區的邊緣會發生脫落，應變曲線也隨之快速下降，曲線恢復正常。

圖8 物料流動狀況不同時的應變曲線

圖9 煤料的黏滯和層流

五、測試結果和實施方案

通過理論分析和現場測試數據分析得出以下結論：

（1）通過對煤倉料斗壁的應變測量可以在一定程度上獲知料斗內的煤料的運動變化情況，已測得的兩個煤倉料斗的應變信號變化規律具有代表性。

（2）進一步通過對翻車線工作過程中煤倉料斗壁應變數據的特征分析，結合翻車線的控制信號可以構造煤倉料斗料位的測量系統。

所采用的實施方案和主要判斷方法如下：

（1）按應變傳感器安裝要求在所選煤倉料斗壁的位置進行安裝，保證牢固可靠，定期準確標定，根據允許誤差合理設置高低料位閾值。

（2）將翻車線控制系統的準備翻車控制信號、震動篩工作信號和震動篩空料檢測信號（震動篩出口的接近開關信號）提供給料位檢測系統。

（3）料位檢測系統在接到翻車控制系統準備翻車信號時根據應力信號判斷是否為高料位，并將判斷結果告知翻車控制系統。

（4）在震動篩工作時根據應變信號判斷是否到達低料位，達到低料位時告知翻車控制系統。

（5）在震動篩工作時根據應變信號在一定時間段內是否變化（除排空時）判斷料斗出口是否堵塞。

（6）總結在不同料位下翻車時應變的階躍變化規律，據此判斷是否出現大塊結狀煤料堵塞煤倉入口處篦子的情況。翻車后應變信號變化小且在未達到正常工作時的預期低料位時應變信號突然下降過快則可能發生篦子堵塞。

（7）當應變信號未達到低料位值而震動篩空料檢測信號出現，則可能是在檢測點上方出現空洞。

（8）在操作室顯示各個料斗的應變信號曲線，有助于操作人員了解煤倉料斗內料位下降和煤層流動是否順利。

六、結論

通過不斷實踐摸索，可以獲知應變數據與煤倉料斗內煤料運動變化之間的更詳盡關系。采用應變技術測量煤倉料斗內的料位，測量系統結構簡單，維護方便，既消除了射線料位計的輻射安全隱患，又沒有激光、雷達、超聲波料位計受濃粉塵干擾之慮。煤料的密度和濕度雖然會影響料位的判斷精度，但差異過大時可通過調整判斷閾值予以補償修正。

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.007

王延高（1973—），男，秦皇島港股份有限公司第七港務分公司技術副經理，高級工程師。