摘 要：為了設(shè)計(jì)和改進(jìn)裝車站倉(cāng)體結(jié)構(gòu)，我們從三個(gè)方面來提供參考依據(jù)：首先根據(jù)是離散元理論以及煤炭物料的散體特性，其次是將快速定量裝車站卸料過程中的物料流動(dòng)模型運(yùn)用其中，最后是要將裝車站卸料過程中的物料流動(dòng)規(guī)律以及影響因素掌握并運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：離散元；裝車站；物料流動(dòng)；儲(chǔ)料倉(cāng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.173

1 快速定量裝車系統(tǒng)原理及優(yōu)點(diǎn)

快速定量裝車系統(tǒng)已經(jīng)成為煤炭鐵路和公路快速裝車外運(yùn)的最佳選擇方式之一，這意味著系統(tǒng)由于其快速加載，高精度和穩(wěn)定性而慢慢開始取代傳統(tǒng)的加載模式[1-2]。特別是近年來，各種技術(shù)逐漸發(fā)展和成熟，為快速定量加載系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

快速加載系統(tǒng)在煤的生產(chǎn)過程中起著更重要的作用。 煤炭生產(chǎn)過程首先在礦山中生產(chǎn)原煤，并將原煤運(yùn)輸?shù)皆簜}(cāng)。然后在礦井中相應(yīng)的選煤廠將原煤加工成不同的煤產(chǎn)品并運(yùn)輸?shù)疆a(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)。最后，對(duì)應(yīng)于選煤廠的裝料站根據(jù)不同客戶的不同需求將煤炭產(chǎn)品運(yùn)送到客戶，完成整個(gè)生產(chǎn)過程。

快速加載系統(tǒng)是一種有效的定量加載系統(tǒng)， 用于快速、連續(xù)地將固體材料加載到列車上， 按照設(shè)定的重量在自動(dòng)控制的方式下， 以一定的速度行駛。與簡(jiǎn)單的裝載系統(tǒng)和安裝站相比， 快速加載系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是非常突出的。（1）自動(dòng)化程度相當(dāng)高是快速裝車系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備主要是遠(yuǎn)程集中控制與操作的，在此過程中PLC控制系統(tǒng)起到主要作用，并且所有設(shè)備信息都顯示在控制計(jì)算機(jī)屏幕上。系統(tǒng)中的所有設(shè)備都運(yùn)行相對(duì)可靠，用到的人力少，大部分工作可以依靠機(jī)器設(shè)備完成。（2）裝車速度快也是其優(yōu)點(diǎn)之一，一般來說，安裝62噸重的汽車大約需要60秒，而且只需40秒即可完成。也就是說，安裝66列火車需要50分鐘到80分鐘。（3）高精度的裝載也是快速裝載系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。稱重倉(cāng)的稱重精度在±0.1%之間。每輛車的裝載精度小于正負(fù)0.3%，從而確保整體列車裝載精度小于正負(fù)0.3%的范圍。（4）良好的裝載質(zhì)量是最重要的優(yōu)勢(shì)之一。貨車的表面非常平坦，沒有偏心載荷。這兩點(diǎn)在鐵路運(yùn)營(yíng)要求方面是可行的。（5）最后和最具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)是其出色的環(huán)保性能。整個(gè)系統(tǒng)的裝載過程全封閉，裝載貨車的表面將被壓碎和固化，因此不會(huì)產(chǎn)生大量的煤或大量的煤塵。最重要的是環(huán)境污染相對(duì)較小。

2 快速裝載系統(tǒng)存在的缺陷及改進(jìn)研究

盡管快速裝載站系統(tǒng)大大改善了處理設(shè)備和技術(shù)，但在落料和不均勻織物的實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題。也可能存在實(shí)際的裝載材料質(zhì)量問題，例如設(shè)定值不足影響客戶滿意度。在設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)時(shí)，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料在不同倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)中卸載時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)。批量控制策略尚未完善，這將影響配料控制的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的配料時(shí)間和裝載效率相對(duì)較低。隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，加上離散元模型工具模擬裝載站儲(chǔ)罐中煤的裝卸過程，在直接觀察物料流狀態(tài)的同時(shí)，分析了物料流的影響因素。倉(cāng)庫(kù)物料的流動(dòng)模式和狀態(tài)特征為指導(dǎo)倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了很大的幫助。因此，基于離散元理論，我以裝載筒倉(cāng)為研究對(duì)象，希望能為設(shè)計(jì)和改進(jìn)裝箱的結(jié)構(gòu)提供一些幫助。

3 物料流動(dòng)模型

以煤炭材料為例，散體特征表現(xiàn)在裝載或裝載站過程里。在固體和液體之間的物理性質(zhì)，單粒子，它是固體；而形成的聚合多個(gè)粒子流動(dòng)性，顯示了流體的形態(tài)，可以保持其形狀在一定的范圍內(nèi)；因此，離散單元法可用于煤炭材料的流動(dòng)性。

離散單元法[3]出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，由卡戴爾教授潛心研究得到的。這種方法主要是根據(jù)牛頓第二定律，該介質(zhì)的質(zhì)量被視為一定形狀和離散元集合，并且建立每個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)方程，從而可以獲得三個(gè)主體的整體運(yùn)動(dòng)模式。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各個(gè)單元之間的平均不平衡力無限接近零時(shí)，分散將表現(xiàn)出整體穩(wěn)定的累積狀態(tài)。

其本構(gòu)方程如下：

其中：Mi代表單位i的質(zhì)量；ωi表示單位i的角速度；Ii代表單個(gè)i的慣性矩；vi表示單位i的質(zhì)心的速度矢量； fe代表所受的另一個(gè)外力；fc表示與單元i接觸的單元j的接觸力； bi代表單位i的物理力；rij表示從單元i的作用點(diǎn)到元素j的質(zhì)心的距離；Me代表外力矩。另外基于離散單元法，對(duì)裝車站物料卸載裝車流動(dòng)性分析如下：

（1）筒倉(cāng)的車身結(jié)構(gòu)需要簡(jiǎn)化，以識(shí)別在卸載和裝載過程中與煤材料接觸的墻壁，以及分析煤炭材料流動(dòng)性并將其轉(zhuǎn)化為可用的周邊壁板中間步驟。

（2）要設(shè)置墻板的摩擦因數(shù)、泊松比和剪切模量等參數(shù)，設(shè)置時(shí)要充分參考儲(chǔ)料倉(cāng)壁板材料的屬性，還要使儲(chǔ)料倉(cāng)里生成顆粒，生成時(shí)可以充分利用離散元，所生成的顆粒間的接觸模型一般采用非滑動(dòng)接觸模型。

（3）在儲(chǔ)罐中產(chǎn)生顆粒之后，使用離散元件計(jì)算工具計(jì)算材料流動(dòng)模型。仿真模型模擬卸載時(shí)間框架的大小應(yīng)控制網(wǎng)格單元總數(shù)小于100，000個(gè)。

4 物料流動(dòng)性影響因素分析

通過對(duì)煤料流模型有效性的驗(yàn)證，該模型可用于分析裝卸站卸煤流量的影響因素。根據(jù)裝載站的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選擇儲(chǔ)罐錐形截面壁的傾角，排放口的大小和相同質(zhì)量材料的平均粒度作為研究對(duì)象影響因素[4]。我們可以通過放電質(zhì)量隨時(shí)間變化的結(jié)果找出：

（1）當(dāng)錐形截面壁的傾斜角度變大時(shí)，每單位時(shí)間的放電質(zhì)量將逐漸增加，但增加的幅度不同。而且當(dāng)傾斜角度大到一定程度時(shí) （一般指超過60°），卸載傾向的影響將逐漸變小。采用超大傾角設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致錐體截面的存儲(chǔ)容量下降。但是，當(dāng)倉(cāng)庫(kù)的高度固定時(shí)，不能滿足高負(fù)荷的要求。

（2）當(dāng)卸料口寬度增大時(shí)，每單位時(shí)間的卸料質(zhì)量也相應(yīng)提高[5]。換句話說，出料口越寬，出料速度越快。因此，在設(shè)計(jì)和安裝車站倉(cāng)庫(kù)主體時(shí)，通過適當(dāng)增加卸貨港的尺寸，可以大大提高物料的卸荷效率。

（3）對(duì)于相同質(zhì)量的物料來說，它的平均粒徑越大，那么物料卸載需要的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，相對(duì)應(yīng)地，物料流動(dòng)的速度就會(huì)變慢。

綜上所述，要想設(shè)計(jì)出較好的裝車站倉(cāng)體，就要綜合考慮各種因素，這樣才能保證物料卸載的時(shí)間短、裝車效率高，因此一般可以遵循這幾個(gè)原則：第一是確保55°之間的角錐體部分60°，第二是確保排放口尺寸大于或等于6倍的最大粒徑材料，三是當(dāng)材料的平均粒徑大時(shí)，排出口的尺寸適當(dāng)增加以滿足相關(guān)的技術(shù)要求，并且擴(kuò)大排放口的大小可以有效地提高卸料的效率。

5 結(jié)論

通過本文的分析和研究，我主要得出了以下兩點(diǎn)結(jié)論：一是首次這篇文章中，引入離散元法來分析加載系統(tǒng)的卸載，并提出了一種新的物流分析方法，這種方法是以離散元理論為基礎(chǔ)的，并在此基礎(chǔ)上建立了物流分析模型和類似的測(cè)試平臺(tái)，并通過這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了模型的有效性。其次，對(duì)影響材料流動(dòng)性的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析。運(yùn)用所建立的物料流模型，對(duì)物料流規(guī)律和特性進(jìn)行了研究和掌握，并對(duì)裝卸站倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了自己的設(shè)計(jì)原則。希望通過本篇文章的研究可以為裝車站料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)提供一些幫助。

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作者簡(jiǎn)介：張衡（1984-），女，安徽人，碩士，研究方向：儲(chǔ)裝運(yùn)及機(jī)械液壓。