基于DEM-FEM管帶機耦合計算分析研究

戚一男　張文超

摘要：圓管帶式輸送機具備環保、高效、可靠的特點，近年來受到廣泛關注與行業應用，尤其是通過新技術與管帶機的結構設計改進、設計計算方法、性能理論研究測試等的深入應用結合，使得管帶機的技術發展步入了新的階段，實際工作性能控制也有了實質研究進展也有了長足的進步[1]。本文運用DEM-FEM（離散單元法-有限單元法）耦合技術，系統分析了圓管帶式輸送機水平輸送過程中的料流運行情況，仿真還原管帶機于不同填充率與輸送速度條件下的輸送性能表現，有效提取管帶截面的徑向載荷數據，為評價圓管截面徑向剛度性能、托輥布置形式、支架布置設計、管帶整體力學行為分析奠定了理論計算基礎，與現有理論解析推導方法相比更接近于工程實際，在圓管帶式輸送機具體工程設計中發揮著技術發展推動作用。

關鍵詞：管帶機;DEM-FEM;耦合計算;料流分析

中圖分類號：TH222 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）06-0062-02

Abstract：beltconveyorhasthecharacteristicsofenvironmentalprotection，efficient，reliable，attractedmuchattentioninrecentyearsandindustryapplications，especiallythroughnewtechnologyandthetubemachinestructuredesign，designcalculationmethods，toimproveperformancetheoryresearchtestssuchasthefurtherapplicationofcombination，maketubemachinetechnologydevelopmententeredanewstage，theactualworkperformancecontrolisalsohaveasubstantialresearchprogresshasmadeconsiderableprogress[1].BasedonDEMandFEM（discreteelementmethod，finiteelementmethod）couplingtechnology，thesystemanalyzesthehorizontalconveyorbeltconveyorintheprocessofmaterialflowoperation，thesimulationreductormachineinundertheconditionofdifferentfillingrateandconveyingspeedtransmissionperformance，theeffectiveextractionofducttapesectionofradialloaddata，toevaluatethecirculartubesectionradialstiffnessperformance，thelayoutanddesignofrollerdecorateaform，andhowtheoverallmechanicalbehavioranalysislaysthetheoreticalfoundation，comparedwiththeexistingtheoreticalanalyticalderivationmethodisclosertotheengineeringpractice，thebeltconveyorconcreteengineeringdesignplaysaroleinpromotingtechnologydevelopment.

Keywords：pipemachine;DEMandFEM.Couplingcalculation;Materialflowanalysis

引言：由于圓管帶式輸送機系統工程設計的復雜性和非標準多樣性，技術人員往往參考帶式輸送機的理論手冊設計計算方法、結合工程經驗評估分析與定性處理，對圓管帶式輸送機輸送帶的輸送特性以及多因素影響復雜技術問題的機理研究和定量預測手段有待深入[2]。本文引入DEM-FEM耦合計算技術，以管帶機輸送圓管膠帶為研究對象，基于實際散料料性檢測數據，建立管帶機圓管膠帶結構的輸送動力學模型，研究不同工作情況下圓管帶式輸送機動力學行為的影響關系。為能夠準確獲取管帶機圓管膠帶在輸送過程中的力學性能，綜合考慮圓管直徑、支撐形式、托輥支撐間距等圓管膠帶結構的形貌參數，以及承載重量、輸送速度、摩擦系數等外界作用參數，對輸送過程中的整體動力學表現、圓管成型性能、托輥實際支持作用力等關鍵技術問題展開研究，探求運動輸送過程中圓管膠帶結構的強度和力學性能隨各類影響參數的變化規律，揭示圓管膠帶結構的動力學性能機理，為圓管帶式輸送機的設計提供指導。

1參數條件

本文研究問題對應圓管帶式輸送機輸送散料為砂石，物料粒度1.6t/m3，圓管管徑450mm。分別從輸送速度與圓管內散料填充率兩個維度作為工況變化考量因素。管帶輸送速度V=4.2m/s，分別考慮散料填充率為75%，60%，50%。管帶輸送運輸停止時，V=0m/s，考慮散料填充率75%，60%，50%。管帶輸送運輸速度V=3.75m/s，考慮散料填充率分別75%，60%，50%。

不同的輸送速度對應不同的管帶機輸送能力，當輸送速度V=4.2m/s，散料填充率75%，輸送能力2500t/h，填充率60%，輸送能力2000t/h，填充率50%，輸送能力1700t/h。輸送速度V=3.75m/s，散料填充率75%，輸送能力2232.15t/h，填充率60%，輸送能力1786t/h，填充率50%，輸送能力1490t/h。

基于散料料性檢測與標定，實際獲取砂石與傳送皮帶之間的接觸參數如下表所示：

2管帶機料流分析

本文運用DEM（離散單元法）料流分析技術就散料在圓管帶式輸送機的水平運動進行流動性分析。離散單元法是用于研究散體力學（不連續體力學）的一種顯式求解的數值方法，其理論思想來源于分子動力學，能夠全面、細致地模擬計算模型中離散單元體之間相互接觸或碰撞作用過程。離散元仿真計算中模擬散料顆粒的模型與材料屬性對于料流仿真分析結果的準確性、可靠性至關重要，仿真中涉及的各部分結構的顆粒、托輥、輸送帶材料屬性均依照實際選取，并通過嚴格的標定程序，確保各工況條件下仿真計算的料流速度、結構動力學表現符合工程實際要求與客觀預期。

分別按照V=3.75m/s，V=4.2m/s，V=0m/s三種輸送速度條件，考慮散料填充率分別75%，60%，50%三種填充率條件，共計9種工作條件進行分析計算。出于原理近似性，僅體現輸送速度為V=3.75m/s，各散料填充率截面圖及膠帶法向接觸力如圖1所示。

圖1V=3.75m/s，填充率分別為50%、60%、70%對應的填充率截面圖及膠帶法向接觸力

計算模型能夠具體還原管帶機的輸送工作情況，針對性求解提取關鍵技術參數，為耦合計算提供參數基礎。

3管帶機耦合計算

圓管帶式輸送機于工作中的圓管成型布置，其管狀工作狀態需要輸送帶根據設備的路線規劃布置情況具有可靠的管徑橫向剛度，即在轉彎變向輸送段輸送帶圓管抵抗輸送物料因離心加速度所產生的作用力且維系其圓管穩定狀態保證穩定作業的能力。因此需要對管帶機圓管輸送的整體動力學表現進行分析研究，評估托輥承載能力、管帶選型及布置等系列問題。

輸送帶橡膠選擇Mooney-Rivlin本構關系模型，采用最小二乘法結合原有實驗數據擬合出兩參數輸送膠帶本構關系模型的參數;基于料流分析結果數據，運用有限元軟件對圓管帶式輸送機水平輸送段進行輸送受力狀態的模擬，探究管帶機托輥承載力及圓管膠帶整體受力情況。

本模型同樣涉及到輸送帶與托輥間接觸問題的分析，根據接觸對創建原則，將托輥定義為目標面，將輸送帶定義為接觸面。為合理配置計算機資源，縮短求解時間，本計算模型就載荷約束進行簡化處理，將所有托輥與輸送帶接觸的表面約束關系定義為滑動摩擦，即在合理的摩擦系數范圍內，將輸送圓管膠帶與支撐托輥之間的滾動摩擦作用轉化為滑動摩擦。

在管帶機圓管內表面支撐托輥的作用范圍內施加DEM所提取均布載荷用來模擬管帶機輸送散料的作用力。如圖2管帶機截面有限元模型所示，分別從料流分析計算文件中提取1-3項托輥法向支撐力（填充率-50%：N1：N2：N3=2：3.78：1.79，填充率-60%：N1：N2：N3=2：3.40：1.82，填充率-75%：N1：N2：N3=2：2.95：1.86）加載至有限元（FEM）模型。

由管帶機水平輸送流動性分析結果數據，從料流分析結果提取托輥支撐反向作用力數據，應用于有限元計算支撐加載。基于結果原理一致性原則，以輸送速度V=3.75m/s各填充率條件下的計算結果為例，說明耦合計算方法及研究結果。

經計算分析得出，兩托輥間間距1985mm，管帶機輸送速度V=3.75m/s，填充率為50%、60%、75%各條件下，皮帶沿負Z方向（重力方向）位移的相對變形量為13.44mm、14.23mm、15.24mm（以圖3為例展示計算結果位移云圖）。管帶機下托輥受力明顯大于上面托輥受力，由于散料和輸送膠帶的重力分布所引起的不均效應，而可判斷重力對上托輥的作用影響甚微，此結果驗證了本文管帶機計算模型所選擇加載方式的合理性。此外，由計算結果對于管帶變形分布和托輥壓陷狀態的反饋，可以直管指導管帶支撐布置、膠帶圓管剛度設計等關鍵技術問題的解決。

具體計算結果數據與技術參數關聯關系如圖4所示。

綜合提取計算數據，各工況下的計算數據關系如圖4所示，隨著物料的填充率由50%，60%，75%不斷增大，重力方向位移不斷增大，由13.23mm增加至15.97mm，本DEM-FEM耦合計算結果直觀、定量描述了管帶機設計結構、工況作用參數、輸送性能參數之間的關聯關系。

4結語

圓管帶式輸送機托輥接觸力以及膠帶變形是圓管帶式輸送機托輥結構設計的關鍵參數，工程設計中基于輸送帶成形力、散料與輸送帶重力近似計算托輥組接觸力，并將其作為托輥接觸力的選型與布置設計依據，實際中使托輥接觸力誤差較大.為提高相關計算精度，借助DEM-FEM耦合技術，通過輸送流動性分析提取各工況條件下托輥的支撐作用力，分析膠帶的實際變形狀況，研究管帶輸送機實際動力學表現行為，獲取了運動輸送過程中圓管膠帶結構的強度和力學性能隨各類影響參數的變化規律曲線，為工程設計提供計算數據支持。

參考文獻：

[1]宋偉剛，季洪博，圓管帶式輸送機的研究進展及其設計計算方法J工程設計學報%JChineseJournalofEngineeringDesign，25（1）（2018）1-11.

[2]黃偉，郭帥平，范星明，李學軍，葉桂林，考慮物料因素的圓管帶式輸送機直線段托輥接觸力研究%J煤炭學報%JJournalofChinaCoalSociety，44（7）（2019）2267-2276.