葉 濤，郭曉浩，白 巍，劉付志標(biāo)

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物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仿真分析與優(yōu)化

葉 濤1，郭曉浩1，白 巍2，劉付志標(biāo)1

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.湖北通惠工業(yè)集成科技有限公司，湖北 荊門市 448000)

隨著國(guó)內(nèi)物料運(yùn)輸設(shè)備的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)已不能夠滿足現(xiàn)狀的需求，且轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的磨損、揚(yáng)塵、堵塞以及跑偏等問(wèn)題愈漸突出。在大量現(xiàn)場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上，深入分析了現(xiàn)有傳統(tǒng)物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的弊端，并應(yīng)用EDEM軟件對(duì)物料在溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)從多方面進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，以達(dá)到降低磨損、減少揚(yáng)塵、避免堵塞和跑偏的目的，最后對(duì)優(yōu)化后的溜槽進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。

EDEM；物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)；曲線溜槽

散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)在物料運(yùn)輸與裝載系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，轉(zhuǎn)載點(diǎn)溜槽系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的咽喉，其設(shè)計(jì)的好壞嚴(yán)重影響著整個(gè)系統(tǒng)的輸送效率和運(yùn)行安全[1]。盡管我國(guó)科學(xué)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，但是散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的問(wèn)題尚未引起足夠重視，暴露了一些在轉(zhuǎn)載過(guò)程中的浪費(fèi)與安全性問(wèn)題，如由于轉(zhuǎn)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致溜槽磨損，增加了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用以及人力資源；同時(shí)由于系統(tǒng)中的粉塵問(wèn)題，使得設(shè)備作業(yè)環(huán)境更為惡劣，威脅操作人員的生命安全。因此有必要對(duì)散粒物料在轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 傳統(tǒng)散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)分析

下料溜槽在轉(zhuǎn)載運(yùn)輸過(guò)程中起著導(dǎo)流和改向的作用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致出現(xiàn)多種突出性問(wèn)題，如溜槽的磨損、系統(tǒng)的堵塞、揚(yáng)塵、跑偏以及撒料等，影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2?3]。

1.1 溜槽磨損

物料以一定的速度離開(kāi)運(yùn)輸帶后的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于拋物線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線。由于溜槽的空間限制，物料將與溜槽壁產(chǎn)生撞擊，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向與速度會(huì)發(fā)生改變，從而加劇溜槽壁的磨損。

1.2 系統(tǒng)堵塞

現(xiàn)有的下料溜槽其截面基本為方形，且由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，物料與溜槽壁的沖擊角度過(guò)大，導(dǎo)致物料的動(dòng)能大幅度降低，不利于物料的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。特別是當(dāng)物料運(yùn)動(dòng)到溜槽兩側(cè)直角部位，由于直角不便于加工，粗糙度高，摩擦阻力大，且受到兩側(cè)壁的共同摩擦導(dǎo)致速度迅速減小甚至到零，形成掛料，當(dāng)掛料逐漸累積加厚，導(dǎo)致溜槽的過(guò)流面積逐漸減小，最終導(dǎo)致堵塞[4?5]。

圖1 溜管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

1.3 系統(tǒng)揚(yáng)塵

當(dāng)物料從滾筒拋出后，物料與溜槽壁發(fā)生爆炸式?jīng)_擊產(chǎn)生大量粉塵[5]；在物料進(jìn)入溜槽時(shí)由于物料的分散性，物料會(huì)與空氣混合形成高壓含塵氣流且伴隨有誘導(dǎo)風(fēng)[5?6]；物料在溜槽內(nèi)的不同部位運(yùn)動(dòng)速度不同，導(dǎo)致溜槽內(nèi)存在氣壓差，形成空氣的紊流，產(chǎn)生粉塵；當(dāng)物料從溜槽拋出后與下方運(yùn)輸帶產(chǎn)生沖擊，且由于運(yùn)輸帶是柔性元件，受到?jīng)_擊時(shí)伴隨有皮帶的抖動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。

1.4 皮帶跑偏

轉(zhuǎn)載系統(tǒng)在安裝時(shí)不正，輸入輸出運(yùn)輸帶中心線不平行，造成落料點(diǎn)不正；溜槽內(nèi)部不平整，導(dǎo)致物料在溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，同樣會(huì)造成跑偏。對(duì)轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的技術(shù)改造與革新一直以來(lái)都是建材行業(yè)的難題，尤其在水泥生產(chǎn)、以及礦物運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的磨損堵料、揚(yáng)塵、撒料等問(wèn)題給生產(chǎn)環(huán)境、人身安全帶來(lái)巨大的威脅，造成不必要的物料浪費(fèi)以及高昂的人工維護(hù)費(fèi)用[7?8]。

2 傳統(tǒng)散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的仿真 分析

傳統(tǒng)散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸相差很大，但其工作原理殊途同歸。已知湖北某廠散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)皮帶6637到6639的現(xiàn)場(chǎng)狀況為：帶寬為1000 mm；帶速為1.6 m/s；滾筒直徑為400 mm；運(yùn)輸量為400 t/h；物料為水泥熟料，粒度為20~40 mm，物料冬季工作溫度為80 ℃~100 ℃，夏季工作溫度為200 ℃~240 ℃。

在實(shí)際運(yùn)輸中物料顆粒大小、形狀差別很大，在DEM仿真過(guò)程中經(jīng)常采用簡(jiǎn)單的顆粒外形取代復(fù)雜的顆粒外形[9]。為了能夠更加接近輸送物料的形狀，在本仿真過(guò)程中采用正四面體取代復(fù)雜的水泥熟料顆粒[10]，顆粒形狀如圖2所示(顆粒的填充效果如圖3所示)，且其粒度在20~40 mm服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其均值為30 mm。

圖2 顆粒形狀

圖3 顆粒的填充效果

圖4 水平離心卸料

圖5 水平重力卸料

由已知條件可得：

可知物料的卸載方式為水平離心卸料，等價(jià)于物料直接從水平皮帶離開(kāi)，而不與滾筒接觸，進(jìn)而可對(duì)模型簡(jiǎn)化。假設(shè)物料分布連續(xù)均勻，忽略空氣阻力，應(yīng)用EDEM仿真軟件進(jìn)行仿真，得到某一時(shí)刻的仿真結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)EDEM軟件對(duì)物料顆粒在轉(zhuǎn)載系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的仿真，可以直觀觀察到各區(qū)域的物料顆粒的速度大小分布，以及物料在轉(zhuǎn)載系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡[10]。圖6顯示了該轉(zhuǎn)載系統(tǒng)物料運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，熟料顆粒的速度大小分布和物料運(yùn)動(dòng)軌跡，其最大速度為6.72 m/s，物料碰撞時(shí)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的切向方向與碰撞區(qū)域的法線方向的夾角為，該值越小，表明在速度相等的條件下碰撞越劇烈，對(duì)溜槽的磨損越大，一般當(dāng)值大于70°時(shí)較為理想[4, 10]。且通過(guò)觀察可發(fā)現(xiàn)，物料在通過(guò)溜槽尾部時(shí)速度較大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的誘導(dǎo)風(fēng)，且物料較分散，這是產(chǎn)生揚(yáng)塵的主要原因之一。

圖6 仿真結(jié)果

3 散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的優(yōu)化與仿真

3.1 調(diào)整板的使用

針對(duì)下料溜槽的磨損問(wèn)題，常見(jiàn)的解決辦法是使用由支架與耐磨板組成的緩沖箱，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，其工作原理是早期的物料進(jìn)入緩沖箱后，發(fā)生堆積，后期進(jìn)入的物料沖擊在堆積的物料上而不是緩沖器上，可以降低磨損，但其所占空間較大，且易造成堵塞。

另一種方法是使用調(diào)整板，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，即在溜槽的入料與出料的端口處分別添加一個(gè)能夠調(diào)節(jié)其角度的調(diào)整板，對(duì)物料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，將物料對(duì)溜槽壁的爆炸式?jīng)_擊轉(zhuǎn)換為約束式?jīng)_擊，且能夠有效地增大顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的切向方向與碰撞區(qū)域的法相方向的夾角，且當(dāng)夾角大于70°時(shí)，能有效降低磨損。

圖7 緩沖器結(jié)構(gòu)

圖8 調(diào)整板結(jié)構(gòu)

使用調(diào)整板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且便于維護(hù)，相對(duì)于使用緩沖器更加合理。為進(jìn)一步研究調(diào)整板的形狀對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中水泥熟料下料溜槽所受的沖擊和磨損的影響，對(duì)不同形狀的調(diào)整板建模，并導(dǎo)入EDEM仿真軟件中進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)調(diào)整使物料在調(diào)整板處發(fā)生柔性碰撞，所以應(yīng)主要考慮調(diào)整板處的受力情況。對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)受力情況的分析一般不采用沖擊力來(lái)評(píng)價(jià)，而是使用沖擊系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，已知沖擊系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：F為沖擊力；為產(chǎn)生沖擊力的顆粒的重力。

沖擊力可以通過(guò)EDEM仿真軟件的Analyst模塊測(cè)得，通過(guò)對(duì)溜槽端部滾筒卸料處仿真分析，得到的沖擊力和沖擊系數(shù)如表1所示。

由表1可知，通過(guò)使用有階梯的調(diào)整板，相對(duì)于無(wú)階梯的調(diào)整板在一定的程度上能夠降低磨損，但是降低程度有限，而使用弧形調(diào)整板，能夠大幅度降低磨損，可見(jiàn)弧形的調(diào)整板相對(duì)于有階梯的調(diào)整板在降低磨損方面更加高效。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，弧形調(diào)整板制造和安裝的難度大，因此可以考慮使用折線式調(diào)整板代替，且為了使調(diào)整板具有一定的聚集物料的作用，可以使調(diào)整板在縱向上也有一定的弧度，其結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。

應(yīng)用EDEM軟件對(duì)折線式調(diào)整板進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)于弧形調(diào)整板受力稍差，但是差距不大，且相對(duì)于有階梯的調(diào)整板還是有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，而且有較好的聚集物料流的作用。其沖擊力和沖擊系數(shù)見(jiàn)表1。

圖9 折線式調(diào)整板

表1 沖擊力和沖擊系數(shù)

且當(dāng)調(diào)整板的上端面大于下端面時(shí)，對(duì)物料有一定的聚流作用，可以降低物料下落過(guò)程中誘導(dǎo)風(fēng)的產(chǎn)生，能夠在一定程度上從源頭降低粉塵的產(chǎn)生。

3.2 多邊形曲線溜槽

常規(guī)使用的溜槽系統(tǒng)大部分還是傳統(tǒng)的方形直管，只是下端進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的機(jī)械彎曲[11]。這種溜槽雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，但是也伴隨著易堵塞、粉塵大、磨損快及跑偏等問(wèn)題。較之方形溜槽，使用圓形曲線溜槽，能夠依靠溜槽的彎曲增加摩擦阻力控制速度，且圓形的截面對(duì)物料流有一定的約束作用，使物料聚攏，能夠從源頭上降低二次揚(yáng)塵和跑偏問(wèn)題，同時(shí)由于在周長(zhǎng)相等的情況下，圓的面積大于方形的面積，所以使用圓形的溜槽可以節(jié)省材料。但是圓形曲線溜槽不便于加工，且安裝難度大。

綜合考慮方形溜槽和圓形曲線溜槽的優(yōu)缺點(diǎn)，可以使用多邊形曲線溜槽，其不但有控制速度，約束物料流的作用，且便于安裝固定。

針對(duì)湖北某水泥廠的現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有溜槽進(jìn)行優(yōu)化后，其結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。對(duì)多邊形曲線溜槽通過(guò)EDEM軟件進(jìn)行仿真，其某一時(shí)刻的仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

對(duì)比觀察圖6、圖12可發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后物料的最大速度為6.3 m/s，相比于優(yōu)化前得到了控制，且物料流集中，能夠降低粉塵和避免跑偏。

3.3 截面利用率的分析

圖10 多邊形曲線溜槽

圖11 仿真截面

圖12 多邊形曲線溜槽的仿真

當(dāng)溜槽某一部分橫截面積過(guò)小，會(huì)發(fā)生物料的堵塞，可以造成嚴(yán)重的后果，所以需要考慮截面的利用率，以驗(yàn)證溜槽是否合理。通過(guò)觀察圖11、圖12，可發(fā)現(xiàn)在該轉(zhuǎn)載系統(tǒng)中物料流集中，且溜槽的最小橫截面積易算出，截面的利用率為：

已知在溜槽輸入處的物料平均速度最小，由圖12可知物料速度約為3.5 m/s，截面面積為0.52 m2，運(yùn)輸量為400 t/h，水泥熟料的堆積密度為1.2 t/m3，經(jīng)過(guò)計(jì)算得截面的利用率小于20%，已知利用率小于40%時(shí)不會(huì)發(fā)生堵塞，所以該多邊形曲線溜槽不會(huì)發(fā)生堵塞，且可以適當(dāng)?shù)靥嵘\(yùn)輸量或減小溜槽的橫截面積。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，針對(duì)傳統(tǒng)散狀物料轉(zhuǎn)載系統(tǒng)的弊端，應(yīng)用EDEM軟件對(duì)物料在溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，同時(shí)根據(jù)結(jié)果改進(jìn)了溜槽結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的溜槽能夠有效地降低磨損、減少揚(yáng)塵、避免堵塞和跑偏，具有較高的可行性。同時(shí)得到了以下結(jié)論：

(1) 采用有階梯調(diào)整板、弧形調(diào)整板以及折線式弧形調(diào)整板，都能夠降低物料流對(duì)溜槽的磨損，但是有階梯調(diào)整板工作效率低，弧形調(diào)整板的工作情況好，但不便于制造與安裝。相對(duì)而言，折線式弧形調(diào)整板工作情況接近弧形調(diào)整板，且其制造費(fèi)用低，便于安裝，適用于對(duì)要求不是很高的系統(tǒng)。

(2) 采用多邊形曲線溜槽，可對(duì)物料流的速度進(jìn)行控制，對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行約束，可在一定程度上降低磨損、從源頭上降低二次揚(yáng)塵和跑偏。

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(2018?07?18)

葉 濤(1972—)，女，湖北武漢人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字粉體技術(shù)及設(shè)備，Email：whyetao@hotmail.com。