快速定量裝車系統中物料卸載流動性研究

摘 要：為了設計和改進裝車站倉體結構，我們從三個方面來提供參考依據：首先根據是離散元理論以及煤炭物料的散體特性，其次是將快速定量裝車站卸料過程中的物料流動模型運用其中，最后是要將裝車站卸料過程中的物料流動規律以及影響因素掌握并運用。

關鍵詞：離散元；裝車站；物料流動；儲料倉

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.173

1 快速定量裝車系統原理及優點

快速定量裝車系統已經成為煤炭鐵路和公路快速裝車外運的最佳選擇方式之一，這意味著系統由于其快速加載，高精度和穩定性而慢慢開始取代傳統的加載模式[1-2]。特別是近年來，各種技術逐漸發展和成熟，為快速定量加載系統的發展提供了技術支持。

快速加載系統在煤的生產過程中起著更重要的作用。 煤炭生產過程首先在礦山中生產原煤，并將原煤運輸到原煤倉。然后在礦井中相應的選煤廠將原煤加工成不同的煤產品并運輸到產品倉庫。最后，對應于選煤廠的裝料站根據不同客戶的不同需求將煤炭產品運送到客戶，完成整個生產過程。

快速加載系統是一種有效的定量加載系統， 用于快速、連續地將固體材料加載到列車上， 按照設定的重量在自動控制的方式下， 以一定的速度行駛。與簡單的裝載系統和安裝站相比， 快速加載系統的優點是非常突出的。（1）自動化程度相當高是快速裝車系統的優點之一。系統內所有設備主要是遠程集中控制與操作的，在此過程中PLC控制系統起到主要作用，并且所有設備信息都顯示在控制計算機屏幕上。系統中的所有設備都運行相對可靠，用到的人力少，大部分工作可以依靠機器設備完成。（2）裝車速度快也是其優點之一，一般來說，安裝62噸重的汽車大約需要60秒，而且只需40秒即可完成。也就是說，安裝66列火車需要50分鐘到80分鐘。（3）高精度的裝載也是快速裝載系統的優點。稱重倉的稱重精度在±0.1%之間。每輛車的裝載精度小于正負0.3%，從而確保整體列車裝載精度小于正負0.3%的范圍。（4）良好的裝載質量是最重要的優勢之一。貨車的表面非常平坦，沒有偏心載荷。這兩點在鐵路運營要求方面是可行的。（5）最后和最具競爭力的優勢是其出色的環保性能。整個系統的裝載過程全封閉，裝載貨車的表面將被壓碎和固化，因此不會產生大量的煤或大量的煤塵。最重要的是環境污染相對較小。

2 快速裝載系統存在的缺陷及改進研究

盡管快速裝載站系統大大改善了處理設備和技術，但在落料和不均勻織物的實際應用中仍存在一些問題。也可能存在實際的裝載材料質量問題，例如設定值不足影響客戶滿意度。在設計倉庫結構時，無法準確預測材料在不同倉庫結構中卸載時的流動狀態。批量控制策略尚未完善，這將影響配料控制的準確性，從而導致更長的配料時間和裝載效率相對較低。隨著模擬技術的發展，加上離散元模型工具模擬裝載站儲罐中煤的裝卸過程，在直接觀察物料流狀態的同時，分析了物料流的影響因素。倉庫物料的流動模式和狀態特征為指導倉庫結構的設計提供了很大的幫助。因此，基于離散元理論，我以裝載筒倉為研究對象，希望能為設計和改進裝箱的結構提供一些幫助。

3 物料流動模型

以煤炭材料為例，散體特征表現在裝載或裝載站過程里。在固體和液體之間的物理性質，單粒子，它是固體；而形成的聚合多個粒子流動性，顯示了流體的形態，可以保持其形狀在一定的范圍內；因此，離散單元法可用于煤炭材料的流動性。

離散單元法[3]出現于上世紀70年代，由卡戴爾教授潛心研究得到的。這種方法主要是根據牛頓第二定律，該介質的質量被視為一定形狀和離散元集合，并且建立每個單元的運動方程，從而可以獲得三個主體的整體運動模式。已經發現，當各個單元之間的平均不平衡力無限接近零時，分散將表現出整體穩定的累積狀態。

其本構方程如下：

其中：Mi代表單位i的質量；ωi表示單位i的角速度；Ii代表單個i的慣性矩；vi表示單位i的質心的速度矢量； fe代表所受的另一個外力；fc表示與單元i接觸的單元j的接觸力； bi代表單位i的物理力；rij表示從單元i的作用點到元素j的質心的距離；Me代表外力矩。另外基于離散單元法，對裝車站物料卸載裝車流動性分析如下：

（1）筒倉的車身結構需要簡化，以識別在卸載和裝載過程中與煤材料接觸的墻壁，以及分析煤炭材料流動性并將其轉化為可用的周邊壁板中間步驟。

（2）要設置墻板的摩擦因數、泊松比和剪切模量等參數，設置時要充分參考儲料倉壁板材料的屬性，還要使儲料倉里生成顆粒，生成時可以充分利用離散元，所生成的顆粒間的接觸模型一般采用非滑動接觸模型。

（3）在儲罐中產生顆粒之后，使用離散元件計算工具計算材料流動模型。仿真模型模擬卸載時間框架的大小應控制網格單元總數小于100，000個。

4 物料流動性影響因素分析

通過對煤料流模型有效性的驗證，該模型可用于分析裝卸站卸煤流量的影響因素。根據裝載站的實際設計和應用經驗，選擇儲罐錐形截面壁的傾角，排放口的大小和相同質量材料的平均粒度作為研究對象影響因素[4]。我們可以通過放電質量隨時間變化的結果找出：

（1）當錐形截面壁的傾斜角度變大時，每單位時間的放電質量將逐漸增加，但增加的幅度不同。而且當傾斜角度大到一定程度時 （一般指超過60°），卸載傾向的影響將逐漸變小。采用超大傾角設計會導致錐體截面的存儲容量下降。但是，當倉庫的高度固定時，不能滿足高負荷的要求。

（2）當卸料口寬度增大時，每單位時間的卸料質量也相應提高[5]。換句話說，出料口越寬，出料速度越快。因此，在設計和安裝車站倉庫主體時，通過適當增加卸貨港的尺寸，可以大大提高物料的卸荷效率。

（3）對于相同質量的物料來說，它的平均粒徑越大，那么物料卸載需要的時間就會越長，相對應地，物料流動的速度就會變慢。

綜上所述，要想設計出較好的裝車站倉體，就要綜合考慮各種因素，這樣才能保證物料卸載的時間短、裝車效率高，因此一般可以遵循這幾個原則：第一是確保55°之間的角錐體部分60°，第二是確保排放口尺寸大于或等于6倍的最大粒徑材料，三是當材料的平均粒徑大時，排出口的尺寸適當增加以滿足相關的技術要求，并且擴大排放口的大小可以有效地提高卸料的效率。

5 結論

通過本文的分析和研究，我主要得出了以下兩點結論：一是首次這篇文章中，引入離散元法來分析加載系統的卸載，并提出了一種新的物流分析方法，這種方法是以離散元理論為基礎的，并在此基礎上建立了物流分析模型和類似的測試平臺，并通過這些實驗平臺驗證了模型的有效性。其次，對影響材料流動性的因素進行了詳細的分析。運用所建立的物料流模型，對物料流規律和特性進行了研究和掌握，并對裝卸站倉庫的結構設計提出了自己的設計原則。希望通過本篇文章的研究可以為裝車站料倉結構設計及優化改進提供一些幫助。

參考文獻：

[1]劉學忠，李畔玲.快速定量裝車系統在煤炭行業的應用[J].煤炭加工與綜合利用，2011（01）：6-8.

[2]魏學文，劉玉輝.太西洗煤廠快速定量裝車系統[J].煤礦機械，

2013（09）：160-162.

[3]Cundall P A，Stracko D L.A discrete numerical model for granularassemblies[J].GPotechnique，1979，29（01）：47-65.

[4]卓家壽，趙寧.離散單元法的基本原理、方法及應用[J].河海科技進展，1993（02）：1-11.

[5]周文君，衛紅波.基于 EDEM的帶式輸送機輸送過程仿真及分析[J].煤礦機械，2013（05）：89-91.

作者簡介：張衡（1984-），女，安徽人，碩士，研究方向：儲裝運及機械液壓。