基于離散元仿真的漏斗給料系統優化

李 祥

張家港港務集團港盛分公司

1 引言

張家港港務集團港盛分公司主要從事煤炭、礦石等散貨裝卸作業，擁有8#和9#兩個泊位，9#泊位配置的是4臺16 t帶斗門座起重機(以下簡稱門機)。該類型門機漏斗給料系統是門機與下游流程皮帶機的主要通路，系統好壞直接影響整機的供料能力及設備使用性能。4#帶斗門機給料系統自帶漏斗伸縮機構(見圖1)，使用中主要存在過路斗卸料點嗆料嚴重、分叉漏斗作業粘性物料經常堵塞以及1a、1b出料口皮帶機跑偏等問題。為尋找問題的成因及優化對策，利用機械設計軟件對給料系統進行三維建模，并將模型導入離散元仿真軟件對過路斗、皮帶機、分叉漏斗通過性能、物料運動特性進行仿真模擬，通過模擬數據及三維實體模型的對比分析，初步確定了問題成因及優化對策。

1.大漏斗 2.給料器 3.過路斗 4.皮帶機 5.分叉漏斗 6.分叉漏斗1a側出料口 7.分叉漏斗1b側出料口圖1 4#門機漏斗給料系統

2 原因分析及對策

過路斗卸料點嗆料成因如下：給料器物料沿過路斗腹板向下卸料，所卸物料在皮帶機上形成沖擊，因卸料點與皮帶機尾部改向滾筒較近且輸送帶受料點下方無緩沖托輥組，因此造成卸料點輸送帶在物料沖擊下抖動彈跳，與導料擋皮貼合不良造成密封失效嗆料(見圖2)。解決此問題的對策是改進卸料點位置或在卸料點下部加裝緩沖托輥組。

圖2 卸料點仿真與結構對比

分叉漏斗堵料成因是卸料點過高，物料通路較長，分叉漏斗導翻板角度偏小，物料流動性差易堆積，物料長期堆積造成通徑變小而堵塞。解決的方法是增大導料翻板角度并改進表面摩擦性能，從而提高物料在導料翻板上的流動性及通過能力。

下游皮帶機跑偏是因卸料點與流程皮帶機落差過大，物料到達下游輸送帶時料流沖擊大；解決對策是改變分叉漏斗結構，減小物料流動速度。

3 給料系統優化

解決給料系統現行問題的目標是優化分叉漏斗結構和皮帶機整體移位，優化過程按照分叉漏斗結構設計到皮帶機移位的順序進行。

3.1 分叉漏斗結構優化

為找出分叉漏斗堵料根源及改進方案，利用離散元仿真軟件對現用分叉漏斗進行仿真分析，設備各項性能參數假定為：供料能力600 t/h，主要輸送物料為煤炭，帶速為3.15 m/s和2 m/s[1]。不同帶速下分叉漏斗卸料速度見圖3。

圖3 不同帶速下分叉漏斗卸料速度

從仿真數據看，現用分叉漏斗有以下幾方面特點：

(1)至1a卸料時導料翻板上物料流動性差(藍色區域較大)，物料不斷堆積造成分叉漏斗通徑變小而堵塞；同流量3.15 m/s工況下堆積高度較低。

(2)兩種工況下至1a卸料口料流速度相差不大，分別為5.44 m/s和5.37 m/s。至1b卸料口帶速不同時料流路徑不一樣。3.15 m/s工況下物料分別在分叉斗上段及中段兩次沖擊后到達出料口，出料口料流速度為5.54 m/s；2 m/s工況下物料直接沖擊到分叉斗下段斗體上，出料口料流速度為6.11 m/s，卸料口料流在帶速3.15 m/s時較低。

(3)導料翻板右側與物料沒有料流接觸，無需鋪設耐磨材料。分叉漏斗左側上段下沿及中段是沖擊點，需鋪設耐沖擊性襯板，其他非沖擊接觸面優先選用超高分子襯板。

綜上分析并結合現場實際，優化后的分叉漏斗需做如下改進：

(1)導料翻板角度從原來的55°增加到64°，同時在導料翻板左側貼超高分子板以提升物料流動速度、減小物料堆積。

(2)分叉漏斗設計優先選用兩次沖擊卸料機理，給料系統皮帶機帶速優先選用3.15 m/s。

(3)分叉漏斗易積料的中段從原來的矩形截面改進為切角矩形，從而消除漏斗矩形直角夾角易積料的問題。

(4)分叉漏斗內采用同規格耐磨、耐沖擊性較好的鋼復合襯板，后續依據積料情況更換超高分子板。

3.2 皮帶機移位距離確定

皮帶機移位主要解決過路斗卸料點無緩沖托輥組和下游皮帶機物料流速過大沖擊跑偏問題。通過現場測量，皮帶機北移30 cm能確保過路斗卸料點有緩沖托輥組，最大移動距離可以達60 cm。

為得到皮帶機移位的準確距離，將優化后的分叉漏斗模型導入離散元軟件再次仿真分析，不同移動距離卸料仿真見圖4。

圖4 不同移動距離卸料仿真

從仿真數據看，導料翻板角度加大后，物料流動更加順暢，導料翻板上的積料明顯減少，同時卸料口料流速度降低。卸料點向左側移動30 cm、40 cm、50 cm后，1a卸料口流速度變化不大；當卸料點左移50 cm時，至1b卸料口的料流路徑從原來二次沖擊改變為一次沖擊，同時出料口的料流速度增大到7.21 m/s，如繼續增大向北側移動距離，1b出料口的料流速度將隨著增加。皮帶機過路斗下部要求最最少移位是30 cm，移動距離越大，尾部緩沖托輥組越能發揮作用；頭部最大距離是50 cm，最終確定移動距離在40 cm左右，既能滿足頭部料流速度低，也能充分發揮尾部緩沖托輥的作用。

4 結語

項目實施后，過路斗下部卸料點嗆料、下游流程皮帶機跑偏得到明顯改善，同時分叉漏斗內未發生過堵料現象。離散元仿真技術的應用為散貨裝卸設備優化提供了先進的技術支撐，最大程度還原了項目實施后效果，為提高施工精準度、縮短施工周期、降低施工成本提供了科學的參考。