基于DEM的斗式提升機裝載物料過程分析

郭開璽，姚麗英，張榕慧，高宇龍，張占東

（山西大同大學機電工程學院，山西 大同 037003）

1 前言

斗式提升機是一種能夠將顆粒狀、粉末狀以及小型塊狀物料進行垂直提升的常用運輸設備，其被廣泛應用在礦料運輸、建材、糧食、化工等行業中。斗式提升機輸送效率的高低往往體現在裝料過程與卸料過程中，其中提升機速度的過快或過慢會導致料斗中物料的裝載效果不佳，并可能會影響料斗提升機的使用壽命，因此對料斗提升機的物料裝載過程進行仿真分析，有利于改善其運輸性能。物料進入料斗的流動特性可以直接體現出提升機的載料性能，因此分析物料的顆粒軌跡分布及料斗所受承接壓力情況，對斗式提升機的結構優化設計、提高生產效率具有重要意義。

目前，為提高斗式提升機的生產效率，國內學者對其開展了大量研究，但主要集中在提升機的卸料方面。歐陽峰,孟文俊等人針對斗式提升機的物料卸載流動進行了離散元模擬，分析了影響物料卸載的相關因素，得到了卸料效果較好的參數組合；潘煥,張平等人對斗式提升機返料控制進行了試驗研究，通過研究出料槽高度對返料率的影響，為斗式提升機返料率的精確控制提供了依據；石明,梁國珍等人對斗式提升機的卸料方式及卸料曲線進行了研究，探討并解決了斗式提升機使用過程中的常見問題。

綜上所述，本文將對斗式提升機物料的裝載過程進行研究分析，利用EDEM軟件對物料裝載過程進行離散元模擬，對比研究不同速度下提升機的物料裝載情況和物料特性。

2 斗式提升機物料裝載方式

斗式提升機在垂直輸送物料時，是由下部裝料、上部卸料，提升機所輸送物料的特性不同，其物料的裝載形式也會不一樣。根據所輸送物料特性，斗式提升機的物料裝載方式一般有掏入式、流入式兩種。

掏入式物料裝載方式是指物料由進料口流至提升機尾部，當料斗轉動經過尾部時將物料掏入料斗中，掏入式物料裝載如圖1所示。掏入式裝料方式一般適用于粉末狀、小顆粒狀的無磨琢性物料，此類物料在掏取時不會產生較大阻力，因此不會對斗式提升機造成較大磨損。

圖1 掏入式物料裝載

流入式物料裝載方式是指物料由進料口直接流入至提升機料斗中，流入式物料裝載如圖2所示。流入式裝料方式一般適用于塊狀較大、大顆粒狀的大磨琢性物料，例如煤粒、碎礦石等物料，此類物料在掏取時會產生較大阻力，從而會對料斗提升機造成較大損害，故采用流入式裝料方式。

圖2 流入式物料裝載

因本文采用煤粒作為物料研究對象，故僅針對流入式物料裝載方式開展離散元模擬研究。

3 離散元模型建立及參數設定

3.1 斗式提升機模型建立及其參數設定

利用SolidWorks軟件建立簡化斗式提升機物料裝載3D模型。斗式提升機的物料裝載運動發生在提升機下半部分，因此簡化掉卸料部分僅保留裝料部分，如圖3所示。提升機料斗形式為尖角料斗，材料為碳鋼。將所建模型導入EDEM軟件，設置結構體材料參數，其中泊松比為0.28；密度為7800kg/m3；剪切模量為8.1e+10Pa。

圖3 斗式提升機模型

3.2 顆粒模型建立及其參數設定

選擇煤粒作為斗式提升機的輸送物料，由于煤粒一般是不規則多面體，所以先在AutoCAD軟件建立類似模型，然后導入至EDEM軟件中進行填充，顆粒填充模型如圖4所示。設置煤粒的物性參數，其中泊松比為0.28；密度為1600kg/m3；剪切模量為1.98e+09Pa。煤與斗式提升機、煤與煤接觸的物性參數設置如表1所示。

圖4 顆粒模型

表1 煤與碳鋼、煤與煤接觸物性參數

4 離散元模擬及仿真結果分析

4.1 模擬仿真參數設定

在完成離散元模型的建立以及全局參數設置之后，先進行仿真參數設定，其中時間步長設置為Rayleigh時間步長的19.3681%，來確保模擬的穩定性；仿真時長設置為3s，數據的存儲時間間隔為0.01s；設網格大小為2.5R min。仿真參數設定完成便開始離散元模擬仿真。

4.2 仿真結果分析

在不同的提升機料斗速度下，其料斗裝載物料的數量不同。料斗在不同速度下對物料的裝載情況如圖5所示。由圖可以看出，其物料的裝載數量與斗速成反比。在料斗即將完成物料裝載進行垂直提升之際，會分割物料流，改變處于料斗口處的顆粒流動軌跡，不同斗速下的顆粒流動軌跡如圖6所示，由圖可以看出，斗速越大對料斗口處顆粒流動軌跡的擾動越大。

圖5 不同速度下料斗的物料裝載情況

圖6 不同斗速下料斗口處的顆粒流動軌跡

料斗在裝載物料過程中會承受來自物料流的沖擊壓力。不同斗速下，料斗所承受的壓力變化如圖7～9所示。由圖可以看出，任何斗速下，料斗承接物料時都會承受一次最大的瞬時沖擊壓力，但斗速過快時，其承受的瞬時沖擊壓力會突增，使得料斗承受壓力不穩定，進而可能會使得料斗連接結構受影響。

圖7 斗速0.8m/s時料斗承受壓力變化曲線

圖8 斗速1.2m/s時料斗承受壓力變化曲線

圖9 斗速1.6m/s時料斗承受壓力變化曲線

5 結語

以煤粒為介質對斗式提升機流入式裝載物料過程進行了離散元模擬分析，得到了以下結論。斗式提升機速度過快，其料斗裝載物料越少，輸送效率越低，速度過慢，料斗裝載物料過多，從而使卸料過程中發生物料回流現象。根據仿真分析可知流入式斗式提升機在裝載煤時，其速度設為1.2m/s左右時裝料效果較好，并且提升機在這個速度下對物料顆粒流動軌跡造成的干擾相對不大，也不會使煤粒對料斗造成過大的瞬時沖擊壓力。

本文研究結果為流入式斗式提升機裝載物料的速度設定及料斗優化設計提供了參考。