王中營(yíng)，原富林，王鳳成，孫慧男

(1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001； 2.國(guó)家糧食加工裝備工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475200； 3.河南茂盛機(jī)械制造有限公司，河南 開封 475200； 4.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450001； 5.鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，鄭州 450053)

帶式輸送機(jī)用于顆粒狀、小塊狀以及粉狀物料的水平或傾斜方向輸送，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)可靠、能耗較低、輸送距離遠(yuǎn)、輸送量大、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在糧食儲(chǔ)藏、礦山、煤炭、冶金、化工等領(lǐng)域被廣泛使用[1]。帶式輸送機(jī)可分為開放型、半封閉型和全封閉型3種。開放型和半封閉型帶式輸送機(jī)由于粉塵污染嚴(yán)重、撒料無法回收而只用于要求不高的行業(yè)。近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和帶式輸送機(jī)技術(shù)水平的提高，全封閉型帶式輸送機(jī)越來越受到市場(chǎng)的歡迎。但是，全封閉型帶式輸送機(jī)在使用過程中仍然存在諸多問題，如：尾部撒料積壓嚴(yán)重，人工清理困難等[2]。尾部撒料積壓使皮帶承受較大的摩擦力，降低皮帶的使用壽命，甚至使改向滾筒阻力過大導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或斷軸[3]，給企業(yè)帶來嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，因此相關(guān)機(jī)械制造企業(yè)和用戶迫切需要解決這些問題。

針對(duì)帶式輸送機(jī)尾部積料的問題，國(guó)內(nèi)外研究人員和機(jī)構(gòu)對(duì)帶式輸送機(jī)尾部積料返料裝置進(jìn)行了研究。王龍志等[4]提出一種尾部積料返料裝置，其特點(diǎn)是在原有大傾角帶式輸送機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)3臺(tái)帶式輸送機(jī)和1個(gè)漏斗，其相互搭接構(gòu)成一回路結(jié)構(gòu)，將大傾角帶式輸送機(jī)回程皮帶上拋撒下的物料返回到大傾角帶式輸送機(jī)的接料端。王國(guó)榮等[5]也提出一種尾部積料返料裝置，其特點(diǎn)是在帶式輸送機(jī)回程皮帶下方安裝一接料槽，從回程皮帶上拋撒的物料落入接料槽并滑落至集料漏斗中，隨后物料又滑落到返料帶式輸送機(jī)上，最后由返料帶式輸送機(jī)將回收的物料送回至帶式輸送機(jī)的承載帶上，實(shí)現(xiàn)撒料的繼續(xù)輸送。文獻(xiàn)[2,6-7]以及美國(guó)捷賽(GSS)公司等相繼研發(fā)出一種結(jié)構(gòu)相似且簡(jiǎn)單的封閉式帶式輸送機(jī)尾部積料返料裝置，其特點(diǎn)是在改向滾筒兩端沿圓周方向均勻設(shè)置若干個(gè)返料板，返料板借助于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和圓弧形機(jī)尾殼，將拋撒到改向滾筒兩端的物料拋到承載帶上，實(shí)現(xiàn)撒料的返回和繼續(xù)輸送。

上述文獻(xiàn)提出的某些返料裝置/結(jié)構(gòu)方案較為復(fù)雜，需增設(shè)過多的帶式輸送機(jī)和零部件，設(shè)備購置費(fèi)和使用成本較高，故障率也較高。而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的返料裝置又未通過理論分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，未能掌握顆粒在返料板作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在使用過程中不能有效地將尾部積料完全清除，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，尾部積料層厚度逐漸增加并將改向滾筒與機(jī)尾殼內(nèi)壁之間的空隙填滿，甚至使物料粉壓實(shí)結(jié)塊，皮帶磨損越加嚴(yán)重甚至使設(shè)備停機(jī)。目前還沒有關(guān)于散體顆粒在帶式輸送機(jī)返料裝置中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及返料性能研究的相關(guān)報(bào)道。

針對(duì)現(xiàn)有帶式輸送機(jī)尾部積料返料裝置所存在的缺陷，筆者提出采用離散單元法(Discrete Element Method，DEM)研究返料裝置返料板傾斜角、帶速對(duì)返料性能的影響以及顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示返料裝置的工作機(jī)理，以期為返料裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 返料裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

全封閉帶式輸送機(jī)的尾部結(jié)構(gòu)主要由空載段清掃器、密封快開門、改向滾筒、軸、返料裝置、后蓋、尾座、伸縮外箱體等組成，如圖1所示。機(jī)尾后蓋圓弧與改向滾筒同軸；空載段清掃器設(shè)置在靠近改向滾筒前和空載段皮帶上方，用于清理空載段皮帶非工作面上的物料，將撒落的物料導(dǎo)送到改向滾筒的兩端。

圖2是改向滾筒與返料裝置的基本結(jié)構(gòu)，一對(duì)返料裝置3對(duì)稱置于改向滾筒6的兩端。改向滾筒6外圈是由10根條形扁鋼4沿輥筒外圈圓周方向均勻布置的條形筒體構(gòu)成，條形扁鋼間保留一定間距，改向滾筒內(nèi)圈是由兩個(gè)錐形筒5和7構(gòu)成，錐形筒小徑朝向改向滾筒的端部，2個(gè)錐形筒大徑口對(duì)口焊接在一起，錐形筒與條形扁鋼通過立板8焊接在一起，錐形筒小徑通過圓環(huán)形透蓋與軸1連接。返料裝置通過輪轂2與軸1連接，10個(gè)固定板9均勻焊接在輪轂2外圈上并與輪轂2軸線呈一定夾角，返料板11和壓板10通過螺栓連接在固定板9上。

注：1.空載段清掃器；2.密封快開門；3.改向滾筒；4.軸；5.拉手； 6.返料裝置；7.后蓋；8.尾座；9.密封快開門；10.輸送帶；11.伸縮外箱體。圖1 全封閉帶式輸送機(jī)尾部結(jié)構(gòu)示意圖

注：1.軸；2.輪轂；3.返料裝置；4.條形扁鋼；5、7.錐形筒；6.改向滾筒；8.立板；9.固定板；10.壓板；11.返料板。圖2 改向滾筒與返料裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

倘若有少量物料撒落到帶式輸送機(jī)空載段的上表面，當(dāng)物料被輸送到機(jī)尾時(shí)，空載段清掃器就將物料刮向改向滾筒的兩端；當(dāng)改向滾筒兩端收集的物料遇到轉(zhuǎn)動(dòng)的返料裝置上返料板時(shí)，物料被返料板拋撒出去并落到承載帶表面上；最后，物料被輸送到機(jī)頭的出料口，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)尾自清掃和返料功能。

2 返料裝置離散元仿真模型

2.1 顆粒接觸力學(xué)模型

離散元軟件EDEM是英國(guó)DEM-Solutions公司基于離散單元法開發(fā)的用于模擬和分析散體顆粒處理和生產(chǎn)操作的通用CAE軟件，通過模擬散體顆粒加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協(xié)助研究人員對(duì)各類散體顆粒處理裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化[8]。EDEM可以管理每個(gè)顆粒的個(gè)體信息并計(jì)算作用于顆粒上的力，通過跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡獲取顆粒群整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域已成功用于各類工況下的顆粒運(yùn)動(dòng)仿真和設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化[9-13]。

顆粒接觸模型是離散單元法的重要基礎(chǔ)，Hertz-Mindlin 接觸模型是EDEM軟件中默認(rèn)的接觸模型。該模型在農(nóng)業(yè)散體顆粒的篩分和輸送等工程領(lǐng)域有成功的應(yīng)用[14]，因此筆者采用該接觸模型分析散體顆粒群在返料板作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。Hertz-Mindlin接觸模型如圖3所示，假設(shè)顆粒為剛性體，顆粒之間為點(diǎn)接觸，接觸特性為軟接觸，在所有時(shí)間中任何離散單元所受的合力可由與其接觸的離散單元之間的相互作用來確定。

圖3 顆粒接觸力學(xué)模型

(1)

Ft=-Stδ

(2)

(3)

(4)

其中：

α=RA+RB-|rA-rB|

Ti=-μrFnRiωi

(5)

式中：μr為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；Ri為質(zhì)心接觸點(diǎn)的距離，mm；ωi為接觸點(diǎn)處物體單位角速度矢量，rad/s。

2.2 顆粒離散元模型

散體顆粒以小麥顆粒為例，小麥顆粒形狀近似于橢球形，隨機(jī)選取50顆小麥并利用游標(biāo)卡尺對(duì)其長(zhǎng)、短軸進(jìn)行測(cè)量，得到其平均長(zhǎng)軸為6.8 mm，平均短軸為3.4 mm。形狀對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此在建立小麥顆粒離散元模型時(shí)其形狀應(yīng)盡量接近于真實(shí)的小麥顆粒，但同時(shí)又綜合考慮到計(jì)算機(jī)所能承受的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，采用5個(gè)球元疊加近似模擬小麥顆粒，并將長(zhǎng)軸和短軸的尺寸擴(kuò)大2倍，即長(zhǎng)軸為13.6 mm，短軸為6.8 mm，如圖4所示。

圖4 小麥顆粒離散元模型

2.3 返料裝置物理模型

以TDSF100型全封閉帶式輸送機(jī)尾部返料裝置為研究對(duì)象，為便于模型仿真和統(tǒng)計(jì)顆粒數(shù)量，在建立返料裝置物理模型前有必要對(duì)實(shí)物的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化或改造，如：改向滾筒簡(jiǎn)化為一圓柱體；為收集、統(tǒng)計(jì)顆粒和防止顆粒飛濺出去，承載帶采用收集槽來代替，收集槽上沿與承載帶的高度平齊，落入收集槽中的顆粒即認(rèn)為落到承載帶上；省略掉空載帶；在改向滾筒兩側(cè)斜前方與收集槽底部的位置分別設(shè)置1個(gè)顆粒生成工廠，為使生成的顆粒快速滑落至返料板底部，在顆粒生成工廠的下方增添1個(gè)圓弧形滑槽。采用三維軟件構(gòu)建與全封閉帶式輸送機(jī)尾部實(shí)體尺寸相同的仿真模型，如圖5所示。帶式輸送機(jī)傾斜輸送角度為15°，改向滾筒直徑為350 mm，帶寬為1 m，改向滾筒兩側(cè)各均勻分布有10個(gè)長(zhǎng)方形的返料板，返料板與機(jī)尾外殼內(nèi)壁的間隙為9 mm，返料板與改向滾筒的軸線呈0°～20°的傾斜角，輸送機(jī)帶速可在3～3.5 m/s的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

注：1.機(jī)尾外殼； 2.返料板； 3.改向滾筒； 4.顆粒工廠； 5.滑槽； 6.收集槽。圖5 返料裝置模型縱截面圖

2.4 仿真參數(shù)設(shè)置

帶式輸送機(jī)外殼、改向滾筒等結(jié)構(gòu)材料為鋼板，輸送帶為橡膠，返料板為聚氨酯，小麥顆粒(麥粒)、鋼板、橡膠及聚氨酯的材料屬性見表1，小麥顆粒與小麥顆粒、鋼板、輸送帶、返料板之間的接觸屬性見表2[19-21]。

表1 材料屬性

表2 材料接觸屬性

2.5 返料性能評(píng)價(jià)

目前還沒有一種評(píng)價(jià)方式來評(píng)價(jià)返料裝置的返料性能，本文采用顆粒返回率Rret來評(píng)價(jià)返料裝置返料性能的大小。Rret的計(jì)算公式為：

(6)

式中：Ngen表示顆粒工廠生產(chǎn)的顆?？倲?shù)；Nret為落入收集槽中(承載帶)的顆粒數(shù)。

3 顆粒群運(yùn)動(dòng)仿真分析

根據(jù)目前全封閉帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，帶速取3.5 m/s，返料板傾斜角為9°，設(shè)定帶式輸送機(jī)的處理量為600 t/h，約有0.5%的物料被撒到機(jī)殼底部并滾動(dòng)到機(jī)尾，即0.833 kg/s的物料量，單個(gè)小麥顆粒離散元模型質(zhì)量為4.2×10-4kg，2個(gè)顆粒工廠同時(shí)生產(chǎn)顆粒，則每個(gè)顆粒工廠每秒鐘需要生成約1 000個(gè)顆粒，顆粒生產(chǎn)方式為Dynamic，顆粒生成時(shí)間為5 s，顆?？倲?shù)為10 000個(gè)，仿真時(shí)間為5 s，以Rayleigh時(shí)間步的20%作為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算結(jié)果每0.01 s自動(dòng)保存一次。

采用以上數(shù)據(jù)對(duì)小麥顆粒群在返料板作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行仿真模擬。圖6是1～5 s時(shí)間段顆粒群的運(yùn)動(dòng)過程，顆粒首先由顆粒工廠生成，隨后通過滑槽滑落至改向滾筒兩端底部，用于模擬空載段清掃器，將空載段上表面撒落物料推向改向滾筒兩端底部，最后在返料板的推動(dòng)下被拋撒出去，落入收集槽內(nèi)的顆粒是由統(tǒng)計(jì)盒實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)的顆粒數(shù)量。

圖6 顆粒群的運(yùn)動(dòng)過程

圖7是從EDEM后處理中提取出的小麥顆粒群在4.5～5 s時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖7可以看出，大部分顆粒沿后蓋與返料板旋轉(zhuǎn)圓周軌跡所圍成的切線方向被拋撒出去，部分顆粒被拋撒到機(jī)殼斜邊側(cè)壁后出現(xiàn)明顯的碰撞反彈軌跡。

圖8為從顆粒群中隨機(jī)選取的4個(gè)典型顆粒并提取其運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合圖7可以看出，從顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和落料點(diǎn)位置可將顆粒的運(yùn)動(dòng)方式分為以下4種：①是顆粒在返料板的推動(dòng)下呈拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡落至收集槽內(nèi)(即承載帶上)；②是顆粒脫離返料板后碰撞到機(jī)殼斜邊側(cè)壁上，隨后被反彈到收集槽內(nèi)；③是顆粒呈拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡穿過收集槽與機(jī)殼內(nèi)壁間的縫隙后落到機(jī)殼底板；④是顆粒被返料板斜撥向改向滾筒的底部。至于顆粒群實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如何，由于目前缺少相應(yīng)的高速視覺試驗(yàn)設(shè)備和軟件，顆粒群實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡尚無法測(cè)量。

圖7 顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡

注：①、②、③、④為顆粒的4種運(yùn)動(dòng)方式。圖8 典型顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9是仿真得到的改向滾筒底部殘留的顆粒，圖10是改向滾筒底部殘留顆?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。由圖9可以看出，改向滾筒底部殘留顆粒層厚度由改向滾筒兩端向中部逐漸減少，返料板附近的顆粒層厚度較厚，該結(jié)論與圖10試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

圖9 改向滾筒底部殘留顆粒仿真結(jié)果

圖10 改向滾筒底部殘留顆?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

4 返料性能正交試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

全封閉帶式輸送機(jī)尾部返料裝置的返料性能主要受返料板結(jié)構(gòu)、返料板傾斜角、帶速等因素的影響?，F(xiàn)有返料板均采用平板形結(jié)構(gòu)，筆者前期研究先保持返料板的結(jié)構(gòu)形式不變，采用正交試驗(yàn)初步探討返料板傾斜角和帶速雙因素多水平對(duì)返料性能的影響，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化組合，后期再對(duì)返料板結(jié)構(gòu)形式及其他因素開展研究。

正交試驗(yàn)以顆粒返回率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，目的是提高顆粒的返回率，顆粒返回率越高，也即返料裝置的返料性能越好。為準(zhǔn)確分析返料板傾斜角和帶速對(duì)顆粒返回率的影響，綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康?、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)[6]和仿真準(zhǔn)確性，每個(gè)影響因素取4個(gè)水平，采用L16(42)正交試驗(yàn)表開展仿真正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素及水平和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平

從表4可以看出：因素A(返料板傾斜角)是影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，因素B(帶速)是次要因素；根據(jù)k值的大小，可以得到A1B4為最優(yōu)因素水平組合，而A1B4組合恰好出現(xiàn)在表4中，即返料板傾斜角0°和帶速3.5 m/s，此時(shí)顆粒返回率為43.76%，在所有試驗(yàn)組中值最大。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)表4極差分析得到各試驗(yàn)因素水平與顆粒返回率均值趨勢(shì)對(duì)比圖，如圖11所示。

圖11 各因素水平與顆粒返回率均值趨勢(shì)對(duì)比圖

由圖11可知，對(duì)于因素A，顆粒返回率均值整體趨勢(shì)是隨返料板傾斜角的增加而逐漸降低，在水平3處出現(xiàn)小幅反彈。分析認(rèn)為：傾斜角大的返料板在拋撒物料的同時(shí)，也將部分物料斜撥向改向滾筒的底部，使返料板能夠攜帶走的顆粒數(shù)量減少，而傾斜角小的返料板則有更多機(jī)會(huì)接觸到顆粒；返料板傾斜角減小時(shí)，返料板拋料方向與皮帶輸送方向夾角減小，碰撞到機(jī)殼斜邊側(cè)壁上的顆粒增多，這種情況下顆粒經(jīng)過碰撞反彈后反而更容易落入收集槽中。對(duì)于因素B，顆粒返回率均值整體趨勢(shì)與帶速基本呈正比關(guān)系。分析認(rèn)為：尾部積料數(shù)量保持不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速快(即帶速高)的改向滾筒，其上的返料板與顆粒的接觸機(jī)會(huì)增多，顆粒返回率提高。

5 結(jié) 論

(1)顆粒群在返料板的推動(dòng)下呈現(xiàn)4種運(yùn)動(dòng)方式：部分顆粒沿拋物線軌跡落至承載帶上；部分顆粒撞擊側(cè)壁后反彈至承載帶上；少量顆粒沿拋物線軌跡落至機(jī)殼底部；部分顆粒被斜推向改向滾筒的底部。

(2)以顆粒返回率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，返料板傾斜角和帶速為考察指標(biāo)進(jìn)行二因素四水平正交試驗(yàn)，結(jié)果顯示：返料板傾斜角是影響顆粒返回率的主要因素，帶速是次要因素；返料板傾斜角0°和帶速3.5 m/s為最優(yōu)參數(shù)組合，此時(shí)顆粒返回率為43.76%。

(3)傾斜角較小的返料板有利于降低被推向改向滾筒底部中間位置處顆粒的數(shù)量，使返料板接觸并攜帶走的顆粒增多，從而使碰撞到機(jī)殼側(cè)壁上的顆粒數(shù)量增加，顆粒經(jīng)碰撞反彈后更容易落至承載帶上。

(4)顆粒返回率與帶速呈正比關(guān)系，較高帶速可以提高返料板與顆粒的接觸機(jī)會(huì)，顆粒返回率也隨之提高。

(5)后續(xù)研究需要對(duì)返料板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)增加相應(yīng)裝置，使返料板接觸顆粒的機(jī)會(huì)增多，同時(shí)要減少改向滾筒底部中部位置的顆粒數(shù)量。