基于EDEM仿真轉接料斗堵料分析

張金貴 李玲玲

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

離散元仿真是一種用來分析及優化散料處理工藝流程中的顆粒流動問題的有效方法。離散元的基本思想是按照物料顆粒的真實形狀尺寸，用理想形狀的實體顆粒組合模擬，每個理想形狀的實體顆粒能夠獨立運動，通過計算分析物料中所有的顆粒相互間碰撞摩擦后的運動軌跡和能量的消耗組合成一個系統，提供物料的速度、質量和沖擊力等參數。

通過仿真計算分析，可以查看料斗堵料、料斗灑料、襯板沖擊磨損、皮帶跑偏等問題?，F在有一臺堆取料機在現場出現了轉接料斗堵料的問題，通過理論計算和用EDEM離散元軟件仿真相互比較，驗證轉接料斗的堵料情況，從而更好地優化和改進設備。

2 堆取料機概況

該設備是應用在越南永新電廠的一臺堆取料機，設備型號3 200/1 800.40 t/h。堆取物料是次煙煤和煙煤，設計密度0.85 t/m3，真實密度1.2 t/m3，靜堆積角38°，運行堆積角20°。在帶速3.15 m/s時，額定取料能力1 800 t/h，最大取料能力1 980 t/h。額定堆料能力3 200 t/h,最大堆料能力3 520 t/h。臂架工作俯仰角度-12.2°～+10°。臂架皮帶機帶速3.15 m/s,帶寬1 800 mm,托輥直徑159 mm,托輥槽角35°。尾車皮帶機帶速3.15 m/s,帶寬1 800 mm,托輥直徑159 mm,托輥槽角35°，尾車皮帶機傾角14°。物料粒度0～100 mm。

斗輪取料作業時，通過提升油缸把導料槽抬起，導料槽后部的后擋板旋轉升起，避免導料槽阻礙物料運行，斗輪取料后煤炭通過臂架皮帶機進入中部料斗至地面皮帶機上(見圖1)。進行堆料作業分流時，通過電液推桿把翻板斗體中的擋料板翻轉，使物料部分通過斜溜管進入本機臂架皮帶機，分流的部分通過位于中部料斗上方的斜溜管落入中部料斗，然后再落至地面皮帶機上供另一臺機堆料。堆料作業不分流時，通過電液推桿把翻板斗體中的擋料板翻轉后，封閉中部料斗上方的斜溜管，煤炭由尾車皮帶機送至上部料斗導入轉接料斗，然后進入翻板斗體中，再通過位于臂架皮帶機導料槽上方的斜溜管落入臂架皮帶機導料槽中進行堆料作業。堆取料機堆料過程中臂架上仰10°時出現中心轉接料斗系統堵料的情況，導致設備停機。下面從設計理論和模型仿真角度探討堆料問題的解決方法。

圖1 中心轉接料斗簡圖

3 設計計算

3.1 皮帶輸送能力計算

已知帶寬的情況下，按下式核算皮帶的輸送能力:

Q=3.6Sυκρ

(1)

式中，S為物料橫截面積，m2；υ為帶速，m/s；κ為傾斜系數，皮帶傾角14°時取κ=0.91；ρ為堆積密度，kg/m3；Q為生產能力，t/h。通過查看DTII(A)型帶式輸送機設計手冊[1]，已知帶寬B=1 800 mm,帶速υ=3.15 m/s,傾斜系數κ=0.91,堆積密度ρ=850 kg/m3,運行堆積角θ=20°，槽角λ=35°，物料橫截面積S=0.388 2 m2；計算得Q=3 405 t/h>3 200 t/h。當堆積密度ρ=1 200 kg/m3時，Q=4807 t/h>3 520 t/h。通過以上計算說明皮帶的帶寬帶速選型沒有問題。

已知輸送能力的情況下，按下式計算物料橫截面積S:

S=Q/3.6υκρ

(2)

當輸送能力為Q=3 520 t/h,堆積密度ρ=850 kg/m3時，得出物料橫截面積最大值S=0.401 3 m2。

3.2 轉接料斗和斜溜管的截面尺寸

轉接料斗底部正八邊形的截面積S1=1.127 m2,轉接料斗出口與理論最大輸送能力物料橫截面積之比：S1/S=2.8，具體尺寸見圖2。轉接料斗的斗壁傾角61°，物料與轉接料斗斗壁的沖擊角度小于30°，轉接料斗內部采用12 mm厚的不銹鋼襯板。

圖2 轉接料斗尺寸簡圖

斜溜管的截面積S2=1.121 m2,斜溜管出口與理論最大輸送能力物料橫截面積之比：S2/S=2.79，具體尺寸見圖3。斜溜管壁傾角61°，物料與斜溜管壁的沖擊角小于30°，斜溜管除海側前壁外三面貼12 mm厚的高鉻鑄鐵襯板。

圖3 斜溜管尺寸簡圖

3.3 導料槽的截面尺寸

臂架皮帶機驅動滾筒前方的緩沖托輥為可調托輥，從5°～35°調整過渡，托輥安裝間距400 mm。導料槽為矩形口導料槽，后面是活動擋料板，兩側內襯厚度12 mm的不銹鋼襯板，頂部有一個尺寸為1 168 mm×2 877 mm的開口，不會阻礙堆取料機-12.2°～+10°的臂架俯仰。導料槽長度4 800 mm,內部寬度1 176 mm,從承載皮帶上表面至頂蓋板高度754 mm(見圖4)。

圖4 導料槽截面簡圖

通過以上計算結果和相關部件截面尺寸說明，設計基本符合最大生產率的要求。但是由于環保要求，煙煤中的細小粉塵較多，需要采用噴淋降塵的方式，在料斗壁和拐角的部分會有部分物料粘結影響物料的流動性?，F場在臂架上仰10°堆料時出現中心料斗系統和導料槽堵料停機的情況，說明料斗和導料槽的設計冗余度還有欠缺；另外臂架皮帶機的帶速3.15 m/s有可能過慢。下面采用EDEM仿真來粗略驗證現場工況和給出修改意見。

4 EDEM仿真與分析

4.1 物料顆粒的設置

通常塊礦的模擬情況相對簡單，物料顆粒體積比較大，無粘連情況，流動性較好。像煙煤和次煙煤根據產地的不同每個批次的物料情況懸殊較大，有些粉末狀的物料就比較難以模擬，相對誤差較大。

根據物料現場情況查看基本屬于不粘結煤類別，把物料顆粒形狀大致分成了5個組別來模擬其粒度分布和尺寸大?。孩俅髩K顆粒尺寸80 mm，占比5%；②中塊顆粒尺寸62 mm，占比5%；③中塊顆粒尺寸52 mm，占比25%；④中塊顆粒尺寸36 mm，占比30%；⑤中塊顆粒尺寸26 mm，占比35%。鑒于計算機性能的原因，顆粒尺寸在25 mm以下的小塊粒煤和粉煤未設置顆粒參與仿真計算。設置的顆粒形狀是采用多個顆粒圓球的相互疊加來仿真實際物料顆的原理，對于所設置的顆粒尺寸、形狀以及粒度分布越真實越好，仿真效果更貼近實際情況[2]。物料的本征參數與接觸參數設置見表1和表2。

表1 物料本征參數

表2 物料接觸參數

4.2 顆粒工廠的生成與仿真

選擇已設置的物料，調整顆粒工廠出料邊數為四邊形，尺寸大小為400 mm×900 mm,位置位于尾車皮帶機的上部并且處于皮帶35°槽形處，設置最大生產率輸送量3 520 t/h。仿真設置8 s的時間，瑞利步設置為20%，保存時間間隔0.1 s,開始仿真計算。計算完成后利用仿真分析模塊中的質量流量傳感器和速度傳感器來查看分析結果，尾車皮帶流入物料質量為3 523.33 t/h，到轉接料斗處為3 494.51 t/h略有損失，然后至臂架皮帶機流出物料質量為2 922.85 t/h。通過質量流量傳感器的流入流出流量差比較發現，輸送過程中有積料現象。通過查看圖5的結果，發現斜溜管處堵料比較明顯，轉接料斗處有積料。導料槽上斜溜管后方由于翻板斗體中擋料板有間隙，出現灑料積料現象。轉接料斗與翻板斗體局部，有堆料趨勢，實際生產中會有噴淋灑水降塵，使粉末狀物料容易粘連在斗壁上。

圖5 臂架帶速3.15 m/s的質量流量和速度傳感器示意圖

5 改進建議

現實情況比理論仿真要復雜多變，通過仿真模擬說明當多個環境條件積累到一定程度時，中心轉接料斗是完全可能堵料的。仿真模擬能夠展示大致堵料方向與位置，雖不能完全反映真實現場，但還是能夠提供出一些理論數據和模擬圖像來支撐堵料問題的整改。

根據實際情況，盡管轉接料斗和斜溜管的斜度滿足通常煤炭轉運料斗斜度大于60°的要求，但是數值61°還是略為偏小，建議適當增大角度。每個批次的物料也不盡相同，粉料過多還有濕度增大時，物料容易掛壁積累。

臂架皮帶機導料槽上方的斜溜管前擋板的開孔偏小，限制了物料的快速流動，容易產生積料的情況，建議加大開口的孔徑。

通過查看仿真模擬情況，臂架皮帶機的帶速從3.15 m/s提高到4 m/s后，尾車皮帶流入物料質量為3 556.11 t/h，到轉接料斗處為3 511.24 t/h，至臂架皮帶機流出物料質量為3 433.64 t/h，整個過程中有較小的損失(見圖6)。斜溜管與導料槽交匯處沒有積料現象，說明原始設計的臂架皮帶機的帶速偏小，從尾車皮帶機的來料不能快速地通過臂架皮帶機轉運出去，容易積料，導致停機。導料槽上斜溜管后方產生積料，由于轉接料斗的擋料板密封不嚴而導致的灑料問題，需要改進。

圖6 臂架帶速4m/s的質量流量和速度傳感器示意圖

6 結語

通過對現場實際堵料情況和模型仿真分析的比對，基本驗證了模型的準確性。后續用此模型作為設備的改進參考，具有很強的現實指導意義。離散元仿真中的關鍵問題是物料的校準，只要物料校準得到充分的真實保證，利用EDEM軟件仿真來指導散料輸送設備設計就切實可行，從而能夠使散料輸送中長期存在的料斗堵料、料斗灑料、皮帶跑偏、物料對襯板的沖擊和磨損等問題得到有效解決或者弱化，降低了設備的制造和改進成本，從根源上降低設備故障隱患。