散料輸送系統轉運站料流的仿真分析*

權 潔

（常州紡織服裝職業技術學院機電學院，江蘇常州 213164）

0 引言

轉運站是散料輸送系統的重要組成部分，通常設置在送料輸送帶和受料輸送帶之間，物料流受重力作用在轉運站內自由下落，在物料輸送過程中轉運站部件的振動、磨損以及堵料撒料等問題嚴重影響其使用壽命，惡化工作環境。

離散單元法主要用于分析物料顆粒在給定條件下的運動特性，很多學者運用離散單元法對物料的流動狀態進行模擬分析。EDEM軟件是一款基于離散單元法的仿真軟件，可以建立顆粒模型并對顆粒物料的流動進行仿真和分析。本文基于離散單元法，運用EDEM軟件對轉運站的物料流動狀態進行仿真分析，以期對轉運站的設計提供參考[1-3]。

1 轉運站工作過程

本文以某物料輸送系統轉運站為研究對象，轉運站工作過程示意圖如圖1所示。

送料輸送帶啟動運行后，物料隨輸送帶運行至卸料滾筒，經平拋運動后進入頭罩，碰撞后在重力作用下下落經轉運溜槽到達受料輸送帶，物料隨受料輸送帶運行，完成轉運過程。

圖1 轉運站工作過程

2 仿真模型建立

為了減小物料與前護板的沖擊作用，根據物料的平拋運動軌跡，將頭罩的前護板設計成曲面形式；為了便于安裝和維護，將頭罩漏斗進行整體式設計。為了減小物料流拋出與頭罩碰撞下落后對溜槽的沖擊力和磨損，本文設計了曲線形式的溜槽，使物料沿溜槽壁向下運動，減少因沖擊碰撞而產生的粉塵，同時以最接近受料輸送帶的速度和方向卸載物料，減小受料輸送帶的磨損，降低設備運行成本并增加使用壽命[4-6]。

為了研究轉載角度以及轉載溜槽結構形式對物料運行狀態的影響，本文分別對0°、90°和180°轉載角情況下圓弧溜槽、直線加圓弧組合溜槽、圓弧加直線組合溜槽進行對比仿真分析[7-8]，工況表如表1所示。

表1 工況表

運用三維建模軟件建立轉運站仿真幾何模型，圓弧形溜槽轉運站幾何模型如圖2所示。

圖2 圓弧形溜槽轉運站幾何模型

3 仿真參數設定

將所建立的三維模型保存成通用格式并導入EDEM軟件，定義相關參數進行仿真。轉運物料的主要參數如表2所示。

表2 轉運物料主要參數

本文采用的基礎接觸模型為EDEM軟件中的默認接觸模型，即Hertz-Mindlin（no slip）模型，物料在轉運站輸送過程中存在著物料與物料、物料與橡膠、物料與鋼的接觸。參考相關資料，設定仿真材料屬性如表3所示，接觸屬性如表4所示。

表3 仿真材料屬性表

在EDEM仿真軟件中，可以通過將不同數量和尺寸的球體顆粒進行組合，構成較符合實際物料顆粒的模型。本文采用4個球體來組合成近似物料的顆粒模型。完成物料顆粒模型和設備參數設定之后，開始對物料在轉運站中的運行狀態進行仿真。根據需求定義仿真過程，仿真完成后可以得到物料顆粒運動過程的相關參數。不同工況下物料流動狀態的分析能夠幫助設計者預測物料在轉運站中的流動情況，從而幫助設計出更加合理的轉運站結構。

表4 接觸屬性表

4 結果分析

4.1 輸送量監測

為了使仿真計算結果更接近于實際運行狀態，對各工況仿真過程的送料輸送帶和受料輸送帶上的物料流量進行監測，工況1的輸送量監測結果如圖3所示。從圖中可以看出，送料輸送帶上單位長度質量監測盒子內的物料質量穩定在86.5 kg左右。輸送過程中物料速度跟輸送帶帶速相同，即3.5 m/s，根據輸送量和物料速度計算，單位長度輸送帶上的質量應為85.7 kg，跟實際監測結果基本一致，參數設置符合輸送量和帶速要求，其余各工況輸送量監測結果與工況1類似。另外，工況1在運行3 s后受料輸送帶物料質量趨于穩定，即系統進入穩定運行狀態，因此，后續工況1應針對系統運行3 s后的數據進行分析。

圖3 工況1的輸送量監測結果

4.2 速度分析

為了研究轉載角相同時不同溜槽形式對物料轉運速度的影響，分別對各工況時轉運溜槽的出口速度進行監測，速度監測結果如圖4所示。從圖中可以看出，在0°轉載角時，工況1和工況7的轉載溜槽出口處速度沿X方向的分速度更接近于受料輸送帶速度，工況4轉載溜槽出口處速度沿Y方向的分速度最大；在90°轉載角時，工況8的轉載溜槽出口處速度沿X方向的分速度更接近于受料輸送帶速度，工況5轉載溜槽出口處速度沿Y方向的分速度最大；在180°轉載角時，工況9的轉載溜槽出口處速度沿X方向的分速度更接近于受料輸送帶速度，工況6轉載溜槽出口處速度沿Y方向的分速度最大。

圖4 速度監測結果

由物料的轉運過程可知，轉載溜槽出口處速度沿X方向的分速度越接近于受料輸送帶速度時，物料對皮帶的沖擊磨損越小，同時，沿Y方向的分速度越大則對受料輸送帶的沖擊也越大。

4.3 質量對中性分析

為了研究轉載角及溜槽形式對物料轉運過程中受料輸送帶上物料顆粒對中性的影響，分別對各工況時受料輸送帶兩側的物料質量進行監測。定義兩側物料質量差的絕對值作為對中性的指標之一，各工況時兩側物料質量差的絕對值均值如圖5所示。由圖可知，在0°轉載角時，工況1物料對中性較好；在90°轉載角時，工況8物料對中性較好；在180°轉載角時，物料對中性差異不大。

圖5 兩側物料質量差的絕對值均值

5 結束語

本文以某物料輸送系統轉運站為研究對象，對其工作過程進行分析，運用三維建模軟件對不同轉載角度和不同結構形式轉運溜槽的轉運站進行建模，并導入離散元仿真軟件EDEM對轉運站內部物料流動狀態進行模擬仿真，得出如下結論。

（1）運用離散元仿真軟件可以實現物料轉運過程的可視化，得出物料在轉運站內的運行狀態數據，可用于優化轉運站的結構。

（2）仿真過程的物料輸送量監測結果跟實際運行參數基本一致，驗證了仿真實驗的準確性。

（3）物料流出轉運溜槽的速度和物料的對中性跟轉載角和轉運溜槽的結構形式有關。

運用離散元仿真軟件對轉運站內物料流動狀態進行仿真能夠預測物料顆粒的運行狀態，為散狀物料輸送系統的設計提供理論支撐。