戚一男　張文超

摘要：圓管帶式輸送機(jī)具備環(huán)保、高效、可靠的特點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注與行業(yè)應(yīng)用，尤其是通過新技術(shù)與管帶機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、性能理論研究測試等的深入應(yīng)用結(jié)合，使得管帶機(jī)的技術(shù)發(fā)展步入了新的階段，實(shí)際工作性能控制也有了實(shí)質(zhì)研究進(jìn)展也有了長足的進(jìn)步[1]。本文運(yùn)用DEM-FEM（離散單元法-有限單元法）耦合技術(shù)，系統(tǒng)分析了圓管帶式輸送機(jī)水平輸送過程中的料流運(yùn)行情況，仿真還原管帶機(jī)于不同填充率與輸送速度條件下的輸送性能表現(xiàn)，有效提取管帶截面的徑向載荷數(shù)據(jù)，為評價(jià)圓管截面徑向剛度性能、托輥布置形式、支架布置設(shè)計(jì)、管帶整體力學(xué)行為分析奠定了理論計(jì)算基礎(chǔ)，與現(xiàn)有理論解析推導(dǎo)方法相比更接近于工程實(shí)際，在圓管帶式輸送機(jī)具體工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮著技術(shù)發(fā)展推動作用。

關(guān)鍵詞：管帶機(jī);DEM-FEM;耦合計(jì)算;料流分析

中圖分類號：TH222 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）06-0062-02

Abstract：beltconveyorhasthecharacteristicsofenvironmentalprotection，efficient，reliable，attractedmuchattentioninrecentyearsandindustryapplications，especiallythroughnewtechnologyandthetubemachinestructuredesign，designcalculationmethods，toimproveperformancetheoryresearchtestssuchasthefurtherapplicationofcombination，maketubemachinetechnologydevelopmententeredanewstage，theactualworkperformancecontrolisalsohaveasubstantialresearchprogresshasmadeconsiderableprogress[1].BasedonDEMandFEM（discreteelementmethod，finiteelementmethod）couplingtechnology，thesystemanalyzesthehorizontalconveyorbeltconveyorintheprocessofmaterialflowoperation，thesimulationreductormachineinundertheconditionofdifferentfillingrateandconveyingspeedtransmissionperformance，theeffectiveextractionofducttapesectionofradialloaddata，toevaluatethecirculartubesectionradialstiffnessperformance，thelayoutanddesignofrollerdecorateaform，andhowtheoverallmechanicalbehavioranalysislaysthetheoreticalfoundation，comparedwiththeexistingtheoreticalanalyticalderivationmethodisclosertotheengineeringpractice，thebeltconveyorconcreteengineeringdesignplaysaroleinpromotingtechnologydevelopment.

Keywords：pipemachine;DEMandFEM.Couplingcalculation;Materialflowanalysis

引言：由于圓管帶式輸送機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和非標(biāo)準(zhǔn)多樣性，技術(shù)人員往往參考帶式輸送機(jī)的理論手冊設(shè)計(jì)計(jì)算方法、結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)評估分析與定性處理，對圓管帶式輸送機(jī)輸送帶的輸送特性以及多因素影響復(fù)雜技術(shù)問題的機(jī)理研究和定量預(yù)測手段有待深入[2]。本文引入DEM-FEM耦合計(jì)算技術(shù)，以管帶機(jī)輸送圓管膠帶為研究對象，基于實(shí)際散料料性檢測數(shù)據(jù)，建立管帶機(jī)圓管膠帶結(jié)構(gòu)的輸送動力學(xué)模型，研究不同工作情況下圓管帶式輸送機(jī)動力學(xué)行為的影響關(guān)系。為能夠準(zhǔn)確獲取管帶機(jī)圓管膠帶在輸送過程中的力學(xué)性能，綜合考慮圓管直徑、支撐形式、托輥支撐間距等圓管膠帶結(jié)構(gòu)的形貌參數(shù)，以及承載重量、輸送速度、摩擦系數(shù)等外界作用參數(shù)，對輸送過程中的整體動力學(xué)表現(xiàn)、圓管成型性能、托輥實(shí)際支持作用力等關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究，探求運(yùn)動輸送過程中圓管膠帶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和力學(xué)性能隨各類影響參數(shù)的變化規(guī)律，揭示圓管膠帶結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能機(jī)理，為圓管帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1參數(shù)條件

本文研究問題對應(yīng)圓管帶式輸送機(jī)輸送散料為砂石，物料粒度1.6t/m3，圓管管徑450mm。分別從輸送速度與圓管內(nèi)散料填充率兩個(gè)維度作為工況變化考量因素。管帶輸送速度V=4.2m/s，分別考慮散料填充率為75%，60%，50%。管帶輸送運(yùn)輸停止時(shí)，V=0m/s，考慮散料填充率75%，60%，50%。管帶輸送運(yùn)輸速度V=3.75m/s，考慮散料填充率分別75%，60%，50%。

不同的輸送速度對應(yīng)不同的管帶機(jī)輸送能力，當(dāng)輸送速度V=4.2m/s，散料填充率75%，輸送能力2500t/h，填充率60%，輸送能力2000t/h，填充率50%，輸送能力1700t/h。輸送速度V=3.75m/s，散料填充率75%，輸送能力2232.15t/h，填充率60%，輸送能力1786t/h，填充率50%，輸送能力1490t/h。

基于散料料性檢測與標(biāo)定，實(shí)際獲取砂石與傳送皮帶之間的接觸參數(shù)如下表所示：

2管帶機(jī)料流分析

本文運(yùn)用DEM（離散單元法）料流分析技術(shù)就散料在圓管帶式輸送機(jī)的水平運(yùn)動進(jìn)行流動性分析。離散單元法是用于研究散體力學(xué)（不連續(xù)體力學(xué)）的一種顯式求解的數(shù)值方法，其理論思想來源于分子動力學(xué)，能夠全面、細(xì)致地模擬計(jì)算模型中離散單元體之間相互接觸或碰撞作用過程。離散元仿真計(jì)算中模擬散料顆粒的模型與材料屬性對于料流仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性至關(guān)重要，仿真中涉及的各部分結(jié)構(gòu)的顆粒、托輥、輸送帶材料屬性均依照實(shí)際選取，并通過嚴(yán)格的標(biāo)定程序，確保各工況條件下仿真計(jì)算的料流速度、結(jié)構(gòu)動力學(xué)表現(xiàn)符合工程實(shí)際要求與客觀預(yù)期。

分別按照V=3.75m/s，V=4.2m/s，V=0m/s三種輸送速度條件，考慮散料填充率分別75%，60%，50%三種填充率條件，共計(jì)9種工作條件進(jìn)行分析計(jì)算。出于原理近似性，僅體現(xiàn)輸送速度為V=3.75m/s，各散料填充率截面圖及膠帶法向接觸力如圖1所示。

圖1V=3.75m/s，填充率分別為50%、60%、70%對應(yīng)的填充率截面圖及膠帶法向接觸力

計(jì)算模型能夠具體還原管帶機(jī)的輸送工作情況，針對性求解提取關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為耦合計(jì)算提供參數(shù)基礎(chǔ)。

3管帶機(jī)耦合計(jì)算

圓管帶式輸送機(jī)于工作中的圓管成型布置，其管狀工作狀態(tài)需要輸送帶根據(jù)設(shè)備的路線規(guī)劃布置情況具有可靠的管徑橫向剛度，即在轉(zhuǎn)彎變向輸送段輸送帶圓管抵抗輸送物料因離心加速度所產(chǎn)生的作用力且維系其圓管穩(wěn)定狀態(tài)保證穩(wěn)定作業(yè)的能力。因此需要對管帶機(jī)圓管輸送的整體動力學(xué)表現(xiàn)進(jìn)行分析研究，評估托輥承載能力、管帶選型及布置等系列問題。

輸送帶橡膠選擇Mooney-Rivlin本構(gòu)關(guān)系模型，采用最小二乘法結(jié)合原有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出兩參數(shù)輸送膠帶本構(gòu)關(guān)系模型的參數(shù);基于料流分析結(jié)果數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元軟件對圓管帶式輸送機(jī)水平輸送段進(jìn)行輸送受力狀態(tài)的模擬，探究管帶機(jī)托輥承載力及圓管膠帶整體受力情況。

本模型同樣涉及到輸送帶與托輥間接觸問題的分析，根據(jù)接觸對創(chuàng)建原則，將托輥定義為目標(biāo)面，將輸送帶定義為接觸面。為合理配置計(jì)算機(jī)資源，縮短求解時(shí)間，本計(jì)算模型就載荷約束進(jìn)行簡化處理，將所有托輥與輸送帶接觸的表面約束關(guān)系定義為滑動摩擦，即在合理的摩擦系數(shù)范圍內(nèi)，將輸送圓管膠帶與支撐托輥之間的滾動摩擦作用轉(zhuǎn)化為滑動摩擦。

在管帶機(jī)圓管內(nèi)表面支撐托輥的作用范圍內(nèi)施加DEM所提取均布載荷用來模擬管帶機(jī)輸送散料的作用力。如圖2管帶機(jī)截面有限元模型所示，分別從料流分析計(jì)算文件中提取1-3項(xiàng)托輥法向支撐力（填充率-50%：N1：N2：N3=2：3.78：1.79，填充率-60%：N1：N2：N3=2：3.40：1.82，填充率-75%：N1：N2：N3=2：2.95：1.86）加載至有限元（FEM）模型。

由管帶機(jī)水平輸送流動性分析結(jié)果數(shù)據(jù)，從料流分析結(jié)果提取托輥支撐反向作用力數(shù)據(jù)，應(yīng)用于有限元計(jì)算支撐加載?；诮Y(jié)果原理一致性原則，以輸送速度V=3.75m/s各填充率條件下的計(jì)算結(jié)果為例，說明耦合計(jì)算方法及研究結(jié)果。

經(jīng)計(jì)算分析得出，兩托輥間間距1985mm，管帶機(jī)輸送速度V=3.75m/s，填充率為50%、60%、75%各條件下，皮帶沿負(fù)Z方向（重力方向）位移的相對變形量為13.44mm、14.23mm、15.24mm（以圖3為例展示計(jì)算結(jié)果位移云圖）。管帶機(jī)下托輥受力明顯大于上面托輥受力，由于散料和輸送膠帶的重力分布所引起的不均效應(yīng)，而可判斷重力對上托輥的作用影響甚微，此結(jié)果驗(yàn)證了本文管帶機(jī)計(jì)算模型所選擇加載方式的合理性。此外，由計(jì)算結(jié)果對于管帶變形分布和托輥壓陷狀態(tài)的反饋，可以直管指導(dǎo)管帶支撐布置、膠帶圓管剛度設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題的解決。

具體計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)與技術(shù)參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

綜合提取計(jì)算數(shù)據(jù)，各工況下的計(jì)算數(shù)據(jù)關(guān)系如圖4所示，隨著物料的填充率由50%，60%，75%不斷增大，重力方向位移不斷增大，由13.23mm增加至15.97mm，本DEM-FEM耦合計(jì)算結(jié)果直觀、定量描述了管帶機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工況作用參數(shù)、輸送性能參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4結(jié)語

圓管帶式輸送機(jī)托輥接觸力以及膠帶變形是圓管帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，工程設(shè)計(jì)中基于輸送帶成形力、散料與輸送帶重力近似計(jì)算托輥組接觸力，并將其作為托輥接觸力的選型與布置設(shè)計(jì)依據(jù)，實(shí)際中使托輥接觸力誤差較大.為提高相關(guān)計(jì)算精度，借助DEM-FEM耦合技術(shù)，通過輸送流動性分析提取各工況條件下托輥的支撐作用力，分析膠帶的實(shí)際變形狀況，研究管帶輸送機(jī)實(shí)際動力學(xué)表現(xiàn)行為，獲取了運(yùn)動輸送過程中圓管膠帶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和力學(xué)性能隨各類影響參數(shù)的變化規(guī)律曲線，為工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黃偉，郭帥平，范星明，李學(xué)軍，葉桂林，考慮物料因素的圓管帶式輸送機(jī)直線段托輥接觸力研究%J煤炭學(xué)報(bào)%JJournalofChinaCoalSociety，44（7）（2019）2267-2276.