基于EDEM 對連續卸船機中心溜筒的料流分析

劉永生

大連華銳重工集團股份有限公司港口機械設計院 大連 116013

0 引言

鏈斗式連續卸船機是將散粒物料從船舶船艙中取出運至岸邊碼頭的大型專用機械。與常規抓斗卸船機相比具有高效、環保和節能等特點，是大型散貨碼頭的重要核心設備。鏈斗式連續卸船機作為港口散料卸船的綠色裝備，順應了海運船舶大型化發展、散貨港口高效率運營、節能減排號召、智能碼頭建設發展需求，其將是未來散料卸船機的發展主流。近年來，隨著各大港口碼頭向大型化、智能化方向發展，連續卸船機憑借著卸船效率高、能耗低、環境污染小，環境保護好等優勢，快速地進入追求高效率的碼頭[1，2]。目前，國內連續卸船機的應用越來越多，相關專業技術人員對連續卸船機的機械結構、機構運動、載荷組合、關鍵部件及在運行中所存在的問題進行了針對性的研究[3，4]。針對物料流動狀態，劉龍等[5]采用EDEM 對連續卸船機的盤式給料裝置進行了詳細的模擬分析，得出了不同轉速與料層高度的關系；程一峰等[6]利用EDEM 研究鏈斗卸船機的取料過程，得出取料效率在鏈斗切入角為40°～60°，速度為1.5 ～1.8 m/s 時較高；孔翔[7]建立鏟斗離散元仿真模型，利用離散元數值模擬方法獲取鏟斗所受的載荷譜，并考慮了顆粒尺寸、顆粒密度、剪切模量、恢復系數、摩擦系數和表面能等對挖掘阻力的影響。

本文在此基礎上，旨在應用EDEM 對連續卸船機中心溜筒的物料流動進行模擬分析，解決以往產品中出現的筒體磨損、物料落差較大引起的沖擊等問題，并對連續卸船機中心溜筒部分提出多級折返式的設計理念。

1 連續卸船機結構組成及性能特點

連續卸船機主要由海陸兩側門架、主梁及電柜室、給料帶式輸送機系統、回轉架、中心溜筒、平衡梁、臂架、頂部結構、伸縮裝置、鏈斗裝配、筒體、盤式給料器等組成。連續卸船機的主要機構有大車行走機構、臂架回轉機構、臂架俯仰機構、取料提升系統回轉機構、鏈斗提升機構、盤式給料器回轉機構、輸送帶輸送機構等。其主要性能特點為：

1）卸船效率高 由于連續卸船機可連續穩定取料，平均效率可達到其額定效率的70%，較之同等規格的抓斗卸船機效率提升50%。

2）環保性能優異 物料輸送全流程處于封閉箱體中，不會造成物料的撒漏和粉塵飛揚。另外，各機構均為連續運行機構，連續轉動，運行平穩、沖擊小，噪聲小。

3）節能效果顯著 與相同生產率的抓斗卸船機比較，其裝機容量降低50%，而能耗可減少40%。

4）輔助清倉量小 連續卸船機可控制取料裝置的大幅度伸縮，可直接卸掉船艙內90%以上的物料，清倉小于10%。

2 連續卸船機中心溜筒的工作原理

連續卸船機在船艙中卸料時，通過安裝在環形封閉鏈條上的鏈斗連續挖取物料，并經過提升驅動裝置將物料連續提升，并在頂端拋料卸載到盤式給料裝置，通過盤式給料裝置的回轉將物料經由刮板及溜槽轉載到臂架中的帶式輸送機；臂架輸送機上的物料連續輸送并拋入中心溜筒，中心溜筒通過折返布置，物料在中心溜筒中經過多次緩沖折返后大幅降低下降速度，下落轉送到機內回轉輸送機上；最后輸送到地面帶式輸送機，完成物料從船艙到碼頭的卸載工作[8，9]。中心溜筒作為物料的轉載及短時儲存裝置，因臂架回轉、臂架俯仰等引起落料點位置的變化，使得各級緩沖位置、出料方向等均會發生變化。因此，為了確保輸送物料的平穩性，需對料流進行一定的計算分析。

3 中心溜筒物料流動的速度分析

連續卸船機在作業過程中因船舶在潮漲潮落的作用下上下浮動，為了滿足取料作業需求，臂架需實現上下的俯仰動作，則物料從臂架輸送機以平拋、斜拋等形式進入中心溜筒。如圖1 所示。

圖1 臂架輸送機位置示意圖

臂架可實現一定角度的回轉，使物料在臂架輸送機拋出后在中心溜筒內部按一定的方向流動。將物料按顆粒狀進行分析，以水平輸送為例，其在水平方向以一定初速度做勻速直線運動，垂直方向以初速度為零做自由落體運動。經過第一級緩沖時，物料所對應的速度大小及方向發生變化，其按改變后的速度及方向進行二次運動，經過第二級緩沖時，速度及方向再次發生變化，如此多次運動后，物料以一定速度轉載至機內回轉輸送機上，中心溜筒物料流動如圖2 所示。

圖2 中心溜筒物料流動示意圖

物料流動速度為

物料流動位移為

式中：V0為臂架輸送機輸送速度，Vx為物料水平速度，Vy為物料垂直速度，Sx為物料水平位移，Sy為物料垂直位移，g為重力加速度，t為運行時間，θ為物料流動偏角。

4 連續卸船機的技術參數

以某港口的鏈斗式連續卸船機為研究對象，對其主要參數進行分析計算，設計額定生產能力為3 600 t/h，臂架長度48 m，臂架輸送機帶寬1 600 mm，輸送速度2.5 m/s，臂架水平狀態距離碼頭面高度為26 m，中心溜筒為八邊形結構形式，內切圓直徑2.5 m，高度17 m，卸載船型為200000DWT 散貨船，卸載貨物為鐵礦石，連續卸船機組成如圖3 所示。

圖3 連續卸船機組成示意圖

5 EDEM 仿真與分析

EDEM 軟件是一款現代化的離散單元法建模軟件，用以模擬分析工業粒子的處理和制造過程，可以利用其建立粒子固體系統的參數模型，導入真實粒子的CAD模型，可獲得其形狀的正確表達，添加機械、材料和其他的物理屬性來形成所需的粒子模型，利用經典物理學建立每個離散顆粒的運動方程，模擬分析顆粒之間存在的接觸、相對運動、能量傳遞等信息。機械的幾何體可以從CAD 或CAE 系統以實體或網格的模型導入，將機械零件組合起來，并且對每個機械的組合部分的運行學過程進行具體的定義。將粒子與機械幾何模型相結合，可完成工業生產中的顆粒處理及制造設備生產過程中的仿真與分析。利用其強大的后處理能力，可以觀察、繪制任何變量的圖形，鑒別重要的系統行為，得到更為準確的仿真結果[10]。

本文通過對中心溜筒、臂架輸送機進行3D 軟件建模，并分別導入EDEM 中，定義物料顆粒為礦石，設置環境變量包括物料密度、重力加速度、物料顆粒及幾何結構的泊松比、剪切模量、材料之間的靜摩擦系數、恢復系數、滾動摩擦系數等。根據實際情況，選擇顆粒—顆粒、顆粒—機械幾何體的接觸模型，在顆粒工廠按照一定的速度以動態方式生成顆粒，在機械幾何體界面中設定臂架輸送機的給料速度。定義時間步長，進行仿真計算。

本文選用 Hertz-Mindin 模型，顆粒接觸時，顆粒間的法向力為

式中：E*為等效彈性模量，R*為等效粒子半徑，α為顆粒間接觸半徑。

顆粒間的切向力為

式中：St為切向剛度，δ為切向重疊質量，G*為等效剪切模量。

本文顆粒建模采用單球體Single Sphere 形式，設置礦石半徑為20 mm，材料為鐵礦石，密度2 t/m3，泊松比0.3，彈性模量設置為2×107Pa，模型如圖4 所示。中心溜筒材料定義為鋼鐵，泊松比為0.3，彈性模量為2×1011Pa，密度7.8 t/m3。設置鐵礦石與中心溜筒之間恢復系數為0.2，靜摩擦系數為0.5，動摩擦系數為0.1，鐵礦石與鐵礦石之間恢復系數為0.4，靜摩擦系數為0.5，動摩擦系數為0.1。臂架水平輸送時，中心溜筒物料模型如圖5 所示。臂架傾斜輸送時，中心溜筒物料模型如圖6 所示。

圖4 顆粒模型圖

圖5 臂架水平狀態中心溜筒物料輸送模型

圖6 臂架傾斜狀態中心溜筒物料輸送模型

為了船艙取料工作需求，在正常作業時臂架在一定角度范圍內進行回轉，由此使臂架輸送機的拋料方向隨之在一定范圍內發生變化，從而引起折返層物料的積料高度及料流方向同樣發生變化。為了確保從中心溜筒出口處的物料轉載至給料輸送機時的對中，需綜合考慮折返層出料口的方向，在不堵料的情況下，保證物料出口料流方向的穩定性，以此解決給料輸送機的跑偏、灑料等問題，如圖7 所示。

圖7 臂架回轉后中心溜筒出料模擬視圖

針對額定生產率、物料黏結，瞬時超載等不同工況，得出不同的物料緩沖堆積高度，如圖8 所示。

圖8 中心溜筒折返式積料高度

針對不同工況，中心溜筒各緩沖臺料流高度有顯著差別，見表1。根據表1 進行數據分析，得出不同工況下積料高度曲線如圖9 所示。

表1 不同工況下積料結果對比 mm

圖9 中心溜筒折返式積料曲線

由表1 及圖9 可知，在額定生產率狀態下，物料在每級折返平臺處的積料高度最低，并且相鄰折返層間高度差較為均勻。當物料黏結較大時，物料的流動性變弱，每層緩沖臺的積料高度將有所增加。當出現超載運行時，物料堆積高度迅速增大，每一級折返緩沖臺的物料堆積高度較之額定生產率增加約1/4 高度，極有可能引起堵料現象。物料在多級折返平臺中的積料高度隨著下降的高度在逐漸減小，同時物料下落的速度也在逐漸減小，大幅降低了物料落差引起的沖擊。臂架回轉角度的變化對多級折返平臺中的積料高度影響較小，但其引起料流方向發生變化，為了確保不發生堵料的同時，需合理布置折返平臺的出料口位置，確保出料口處料流的平穩與位置對中，防止給料輸送機出現跑偏現象。

6 效果

通過模擬分析結果，并根據現場實際使用狀態，每級緩沖臺的積料高度隨著卸載量的大小發生變化，尤其對于黏性較大的物料表現更加突出，在發生超載運行時，積料高度迅速增加，極易在出料口形成氣拱而引起堵料。因采用多級折返式的物料轉載輸送，出口處物料垂直速度大幅降低，減緩對給料輸送帶及緩沖托輥的沖擊，提高相關部件的使用壽命。

7 結論

本文應用EDEM 對連續卸船機的中心溜筒進行了料流模擬分析，以不同的工況模擬分析了物料在多級折返式的緩沖下，物料堆積的高度以及物料下降速度的變化。通過分析得出，多級折返式的中心溜筒可大幅降低物料因高落差引起的沖擊、提高筒體的使用壽命，同時對可能存在的超載堵料進行一定的預判，確保設計的合理性。本分析為散貨碼頭的物料轉載輸送分析提供了一種可行的分析方法，為連續卸船機中心溜筒的結構設計提供一定的參考。