基于離散元法的散料轉運系統落料管的研究*

權 潔，陳 浩

(常州紡織服裝職業技術學院 機電學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

散料的轉運廣泛存在于煤炭、冶金、電力等領域，轉運系統是散料轉運裝置的重要組成部分，對帶式輸送機的使用壽命有直接影響。落料管在轉運系統中起導流和變向作用。

為了改善轉運性能，很多學者對轉運系統進行了研究。在轉運系統的結構改進方面，文獻[1]通過改善擋料板的形狀、調整安裝角度、在溜槽底部加裝條篩和優化溜槽結構等方式，既減小了系統的空間尺寸，又減小了對受料輸送帶的沖擊；文獻[2]通過優化結構參數，減小帶式輸送機轉運站的沖擊、磨損和揚塵，利用EDEM進行仿真，結果表明拋物線形的頭罩和弧形的溜槽可以有效地引導料流，減小沖擊和磨損。在新型落料管的研究方面，文獻[3]提出了一種新型的流線型曲線落料管，并分析了不同參數對跑偏的影響，給出了最優的參數組合模型；文獻[4]通過物料的運動軌跡分析和EDEM仿真，得出四種不同曲線形狀的擋料板受力情況，在對現有轉運系統進行分析的基礎上提出了曲線落料管的改造方案。在轉運過程的影響因素方面，文獻[5]比較了同一結構落料管不同轉載角度時物料的運行情況，發現轉載角度會影響物料間的碰撞作用；文獻[6]研究了不同物料特性對落料管的影響，運用軟件對落料管的結構進行了優化；文獻[7]針對轉載溜槽部件受力過大、磨損嚴重的問題，研究了帶速和轉載溜槽傾角對直線型轉載溜槽內部散料運行狀態的影響。

上述文獻主要針對某單一結構的落料管進行研究，且對落料管截面的研究較少。因此，本文通過對不同截面和結構的落料管進行仿真分析，得出受料輸送帶的物料分布情況和落料管出口處垂直于受料輸送帶方向的速度以及下邊緣的受力情況，為落料管的優化設計提供依據。

目前，研究轉載系統主要有三種方法，即連續方法、物理模型方法和顆粒仿真方法。連續方法一般適用于干燥顆粒運動情況的計算，且不能預測物料對受料裝置的沖擊載荷；物理模型方法通過實驗對設計結果進行檢驗，更接近于理論值，但采集數據困難較大、測定顆粒流動成本較高、測試數據存在一定的誤差，且通用性較差；顆粒仿真方法采用離散元法進行轉載過程的計算，便于修正和改進設計。因此，通常采用數值模擬的方法來研究物料顆粒的流動特性。

1 轉運系統結構分析

以某散料轉運系統為例對其進行結構分析，其組成主要包括頭罩、漏斗、輥筒、落料管、送料輸送帶和受料輸送帶等[8-11]。

1.1 頭罩結構分析

在轉運過程中，散料首先進入頭罩并對其進行不斷沖擊，因此，頭罩的結構設計不僅關系到轉運系統的使用壽命，更是整個轉運系統能否正常運行的關鍵。根據料流運動軌跡，建立了前護板為曲面的整體式頭罩漏斗，最大程度上降低了物料與前護板的沖擊。不同截面落料管對應的整體式頭罩漏斗如圖1所示。

圖1 不同截面落料管對應的整體式頭罩漏斗

1.2 落料管結構分析

散料由送料輸送帶輸送經輥筒拋出后進入整體式頭罩漏斗，在到達受料輸送帶之前的轉運過程由落料管來完成。落料管是頭罩漏斗的下一級裝置，其結構直接影響散料的流動軌跡和受料輸送帶的受力等。本文對三種不同截面和結構的落料管進行研究，落料管結構如表1所示。

表1 落料管結構

1.3 轉運系統整體結構分析

在對轉運系統各個組成部分進行結構分析的基礎上，經反復改進和優化后利用SolidWorks建立了轉運系統整體三維模型，對模型進行適當簡化后保存成通用格式。方形截面圓弧形落料管轉運系統三維模型如圖2所示。

圖2 方形截面圓弧形落料管轉運系統三維模型

1.4 EDEM軟件仿真

EDEM軟件是基于離散元法的用于模擬和分析顆粒行為的CAE軟件，其強大的仿真功能為顆粒、流體和機械力學的結合提供了可視化的平臺。將已經保存為通用格式的模型文件導入EDEM軟件并進行參數設置。

仿真過程中，顆粒工廠生成散料并落到送料輸送帶上，顆粒隨輸送帶運動由輥筒卸載進入頭罩漏斗，經落料管轉運后到達受料輸送帶，待散料在受料輸送帶上穩定后即為系統運行穩定狀態。主要仿真參數如表2所示，仿真過程如圖3所示。

表2 主要仿真參數

2 仿真結果分析

2.1 物料對中性分析

受料輸送帶兩側物料質量不同容易導致輸送帶跑偏，同時加劇輸送帶磨損。在EDEM軟件中創建兩個盒子對受料輸送帶兩側的散料質量進行監測，如圖3所示。

1-左側散料質量監測盒子;2-右側散料質量監測盒子

2.1.1 方形截面時不同結構落料管的仿真結果

分別對方形截面的圓弧形、直線型、折線形落料管進行仿真分析，并對受料輸送帶兩側的散料質量進行監測，仿真結果如圖4所示。

圖4 方形截面時不同結構落料管受料輸送帶兩側散料仿真結果

對圖4中的(a)、(b)、(c)圖進行對比分析可以得出：圓弧形落料管的受料輸送帶兩側散料質量基本相同，可以很好地保證物料的對中性；直線形和折線形落料管受料輸送帶兩側散料質量在穩定運行后出現一定的偏差，受料輸送帶跑偏和磨損的可能性較大。故仿真結果表明，圓弧形落料管能夠更好地控制料流，保證散料運行的穩定性，提高受料輸送帶的使用壽命。

2.1.2 截面對圓弧形落料管的影響分析

分別對方形、圓形和六邊形截面的圓弧形落料管進行仿真分析，并對受料輸送帶兩側的散料質量進行監測。圓形和六邊形截面圓弧落料管的仿真結果如圖5所示。

圖5 圓形和六邊形截面圓弧落料管受料輸送帶兩側散料仿真結果

對圖4(a)和圖5中的(a)、(b)圖進行對比分析可以得出：對于圓弧形落料管，方形截面能夠更好地控制料流，保證散料的對中性。

2.2 受料輸送帶所受速度沖擊的分析

對方形截面的圓弧形、直線形和折線形落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度進行監測，結果如圖6所示。

圖6 不同形狀方形截面落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度

對圖6中的速度曲線進行分析可以得出：系統穩定運行后，圓弧形落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度明顯小于直線形和折線形落料管。故仿真結果表明，方形截面圓弧形落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度較小，對受料輸送帶的沖擊磨損小，可減少停機維護時間，提高轉運效率。

2.3 落料管受力分析

由于散料在落入落料管時速度較大，對落料管的沖擊也較大，且在物料轉載過程中會對落料管造成磨損，因此有必要對落料管的受力進行分析。

對方形截面的圓弧形落料管轉運的可視化仿真過程進行分析可知，散料在轉運過程中無堆積堵塞現象，方形截面時圓弧形落料管下半段有散料堆積，可實現料打料的轉運效果，減小了物料對落料管的沖擊和磨損。

對方形截面的圓弧形、直線形和折線形落料管出口處下邊緣所受的力進行監測，結果如圖7所示。

從圖7中可以看出：方形截面的圓弧形落料管出口處下邊緣的受力最小，折線形和直線形落料管受力基本一致，且波動較大。故由仿真分析可知，圓弧形落料管下端有散料堆積，料打料的效果更加突出，物料對落料管的沖擊力隨之減小。

圖7 不同形狀方形截面落料管出口處下邊緣所受的力

3 結語

通過對轉運系統落料管的離散元仿真分析，實現了散料轉載過程的可視化，可為落料管的優化設計提供參考。

(1) 對比分析了落料管結構和截面形狀對物料轉運過程中受料輸送帶兩側質量的影響，結果表明：方形截面圓弧形落料管能夠很好地控制料流，對中性好，受料輸送帶不易跑偏。

(2) 比較了相同截面不同結構的落料管出口處垂直于受料輸送帶的速度，結果表明：圓弧形落料管對受料輸送帶的沖擊較小。

(3) 對方形截面時不同結構落料管出口處下邊緣的受力進行了監測，結果表明：圓弧形落料管出口處下邊緣的受力最小，料打料的效果更加突出。