馬倩，韓建斌，馬愛霞，周朝輝

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，鄭州450046）

0 引言

筒倉是散裝物料的貯存設施，具有結構簡單、占地面積小、空間利用率高、保護環(huán)境、使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于煤炭、化工、電力等行業(yè)［1］。環(huán)式給煤機是現(xiàn)代火電廠圓筒儲煤倉下部專用的大型給煤機，是配合圓筒儲煤倉進行儲、混、配煤的高效設備［2］，可均勻定量給煤，實現(xiàn)優(yōu)劣煤的配用，提高電廠的整體經濟效益［3］。

環(huán)式給煤機采用銷齒傳動方式，適用于潤滑條件差、粉塵多等惡劣的工作環(huán)境，具有承載能力大、加工制造簡單、維修方便等特點，大大降低了設備運行維護成本；同時，環(huán)式給煤機采用了合理的密封裝置，做到了有效防塵、抑塵，改善了筒倉內部的工作環(huán)境；犁煤車體內的犁煤爪設計為角度可調，更大限度滿足了不同卸煤出力的需求［4］。

但是，國內多個環(huán)式給煤機使用現(xiàn)場的運行狀況表明，設備實際使用過程中存在撒煤、積煤、設備出力不足［5-7］等現(xiàn)象。卸煤車撒煤不僅影響了設備的正常運轉，而且增加了車輪、軌道、傳動齒輪、傳動齒條等機構的磨損，同時造成了環(huán)境污染，清理工作需要耗費大量的人力，增加了運行成本。卸煤車積煤不僅會影響卸煤的出力，同時還增加了承煤盤的結構受力，嚴重磨損承煤盤的耐磨面。影響卸煤出力的原因更多，例如選用了不合適的卸煤角度、卸煤開口寬度、卸煤車運行速度等。不同的卸煤角度和卸煤車運行速度可以改變物料對卸煤板的沖擊位置和沖擊速度，從而影響卸煤板對承煤盤的阻轉作用和進入落料斗的進煤量；不合適的卸煤開口寬度也會造成積煤和撒煤問題。因此，合理地設計與選用環(huán)式給煤機主要參數(shù)對實現(xiàn)其設計功能、滿足使用要求至關重要。然而，環(huán)式給煤機運行過程中不可控因素較多，而目前傳統(tǒng)的設計方法大多采用經驗參數(shù)，缺乏理論支持，因此很難掌握卸煤特性。數(shù)值模擬是一種反映客觀規(guī)律和進行定量評價的重要研究手段，目前有關環(huán)式給煤機卸煤過程的模擬研究尚未見報道。本文基于離散元法［8-9］（Discrete Element Method，DEM），應用離散元分析軟件EDEM［10］對不同卸煤角度、卸煤開口寬度、卸煤運行速度下的卸煤車卸料過程進行仿真分析，探究環(huán)式給煤機卸煤機理，為環(huán)式給煤機的優(yōu)化設計、工作參數(shù)選取和工作性能預測提供一種新的研究途徑。

1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由犁煤車、卸煤車、驅動裝置、行走軌道、落料斗、防除塵裝置及電氣控制系統(tǒng)組成［11］。卸煤車、犁煤車分別由不同數(shù)量的銷齒傳動裝置驅動，繞瞬心做圓周運動，兩車運行方向相反，速度不同。犁煤車運行時，犁煤爪將犁煤車上的煤犁到卸煤車上，然后由卸料器的卸料擋板把卸煤車上的煤犁到車體旁的落煤斗中，最后落到下層皮帶輸送機上。圖1為環(huán)式給煤機卸煤裝置結構。

圖1 環(huán)式給煤機卸煤裝置Fig.1 Coal unloading device of a ring-type coal feeder

2 數(shù)值模擬

2.1 離散元控制方程

離散元法把顆粒體系劃分為彼此獨立的對象，根據顆粒間的接觸模型和牛頓運動定律，利用迭代算法計算固定時間間隔內任一顆粒的受力與位移，然后更新全部顆粒的狀態(tài)，最后求得體系的宏觀運動特性，其在處理顆粒體系內力的作用時遵循瞬態(tài)平衡原則［12］。離散元法的基本假設是：迭代計算的時間間隔選得足夠短，除了與顆粒接觸的對象，其他任何對象的作用都不考慮；同時，速度和加速度在該時間間隔內恒定。離散元法的計算核心包含2個方面：一是接觸模型，即力與形變的關系；二是牛頓第二定律［13］。

基于接觸模型，根據位移計算作用于顆粒的力。根據牛頓第二定律計算位移，顆粒i 的運動方程為

采用中心差分法對式（1）積分，以迭代時間步長的中點表征更新速度

式中：Δt為時間步長；N為對應的迭代開始時間。

對式（2）積分，可計算更新后的位移

將更新的位移代入接觸模型求此時的接觸力，經過不斷迭代，就可求得任何時間點顆粒的運動。

2.2 仿真參數(shù)設置

在利用EDEM 軟件進行仿真之前，需要在其前處理器模塊設置相應的仿真模型與參數(shù)，包括顆粒與幾何體的材料屬性，顆粒之間、顆粒與幾何體之問的接觸屬性，顆粒粒徑分布，顆粒工廠生成條件等。

本仿真中的顆粒是經過處理的煤塊，呈球形，環(huán)式給煤機的材質為鋼，材料屬性見表1［14］。顆粒之間、顆粒與幾何體之間的接觸屬性見表2。

表1 材料屬性Tab.1 Characteristic of materials

表2 接觸屬性Tab.2 Contact characteristics

本文研究的環(huán)式給煤機為2 200 t∕h的雙環(huán)環(huán)式給煤機，內環(huán)出力為900 t∕h，外環(huán)出力為1 300 t∕h，內環(huán)犁煤車有3 個犁煤爪，外環(huán)犁煤車有5 個犁煤爪。仿真建模過程中，在內環(huán)設置3 個均勻分布的1 000 mm×2 400 mm×500 mm 的顆粒工廠來模擬內環(huán)犁煤爪的作業(yè)，在外環(huán)設置5 個均勻分布的1 000 mm×2 400 mm× 500 mm 的顆粒工廠來模擬外環(huán)犁煤爪的作業(yè)。環(huán)式給煤機實際運行過程中，犁煤車順時針運行，卸煤車逆時針運行，但本次模擬分析主要針對卸煤車的卸煤參數(shù)進行研究，為了縮短計算時間及保證效率，設置顆粒工廠保持靜止，卸煤車相對其進行逆時針運動。

3 模擬結果與分析

環(huán)式給煤機的運行過程非常復雜，受多種因素的影響，本節(jié)結合建立的有限元模型和設置的顆粒工廠，對其卸料過程進行數(shù)值模擬，以探究卸料行為并揭示卸煤角度、卸煤開口寬度以及卸煤車運行速度等對卸料的影響。

3.1 卸煤角度對卸煤板受力及出力的影響

圖2 為內環(huán)的卸煤板受力情況，從圖2 可以看出，卸煤板角度分別為30°，75°，90°時，卸煤板受力較大，角度為45°，60°時，卸煤板受力較小，45°時平均受力最小。圖3為內環(huán)的承煤盤積煤情況，從圖3可以看出，卸煤板角度分別為75°，90°時，承煤盤上的積煤較多，角度為30°，45°，60°時，承煤盤上的積煤較少，45°時最少。換言之，承煤盤上的積煤越少，模擬過程中卸到落料斗中的積煤越多，出力越好。

模擬結果表明，環(huán)式給煤機卸料過程中，當卸煤板角度為45°時，卸煤板平均受力最小，卸料出力最好。

3.2 卸煤開口寬度對卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的影響

3.2.1 內環(huán)卸煤開口寬度的影響

為研究卸煤開口寬度對卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的影響，根據該項目多年運行情況，分別設置1 000，1 200，1 400，1 600，1 800，2 000 mm等5擋開口寬度進行仿真分析，如圖4—6所示。

圖2 卸煤板受力情況Fig.2 Force of the unloading plate

圖3 承煤盤積煤情況Fig.3 Coal accumulation of the bearing plate

圖4 內環(huán)卸煤開口寬度對卸煤板受力的影響Fig.4 Influence of the unloading openness width of the inner ring on the force of the unloading plate

從圖4 可以看出：開口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時，卸煤板受力較大；開口寬度為1 600，1 800 mm 時，卸煤板受力相對前者至少減少38%；開口寬度為2 000 mm 時，卸煤板受力最小。開口寬度為1 000，1 200，1 400，1 600 mm時，密封罩受力較大，開口寬度為1 800，2 000 mm時，密封罩受力相對前者至少減少23%，如圖5 所示。圖6 可以看出：開口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時，卸煤車出力有明顯增大趨勢，開口寬度為1 600，1 800，12 000 mm時，卸煤車出力變化不大，表明當開口寬度大于等于1 600 mm時，對卸煤車出力影響不大。

圖5 內環(huán)卸煤開口寬度對密封罩受力的影響Fig.5 Influence of the unloading openness width of the inner ring on the force of the seal over

圖6 內環(huán)卸煤開口寬度對卸料出力的影響Fig.6 Influence of the unloading openness width of the inner ring on the unloading output

模擬結果表明，對于所設置的5擋參數(shù)，當內環(huán)卸煤開口寬度為1 600 mm 時，對卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的綜合影響最小，開口寬度最合適。

3.2.2 外環(huán)卸煤開口寬度的影響

從圖7 可以看出：開口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時，卸煤板受力較大；開口寬度為1 600，1 800 mm 時，卸煤板受力相對前者至少減少22%；開口寬度為2 000 mm 時，卸煤板受力最小。開口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時，密封罩受力較大；開口寬度為1 600，1 800，2 000 mm 時，密封罩受力相對前者至少減少16%，如圖8 所示。圖9 可以看出：開口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時，卸煤車出力有明顯增大趨勢；開口寬度為1 600，1 800，2 000 mm 時，卸煤車出力變化不大，說明當開口寬度大于等于1 600 mm時，對卸煤車出力影響不大。

模擬結果表明，對于所設置的5擋參數(shù)，當外環(huán)卸煤開口寬度為1 600 mm 時，對卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的綜合影響最小。

圖7 外環(huán)卸煤開口寬度對卸煤板受力的影響Fig.7 Influence of the unloading openness width of the outer ring on the force of the bearing plate

圖8 外環(huán)卸煤開口寬度對密封罩受力的影響Fig.8 Influence of the unloading openness width of the outer ring on the force of the seal over

圖9 外環(huán)卸煤開口寬度對卸料出力的影響Fig.9 Influence of the unloading openness width of the outer ring on the unloading output

3.3 卸煤車運行速度對卸料出力的影響

為研究卸煤車運行速度對卸料出力的影響，分別設置1.0，1.1，1.2 的卸煤車運行速度倍數(shù)，仿真分析結果如圖10 所示。從圖10 可以看出：當卸煤車運行速度倍數(shù)為1.0，1.1，1.2 時，內外環(huán)的卸煤出力并沒有明顯增加趨勢；隨著卸煤車運行速度的增加，卸煤出力以更快的速度達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 卸煤車運行速度和卸料出力的關系Fig.10 Relationship with the unloading vehicle velocity and the unloading output

模擬結果表明，卸煤車運行速度的改變，并不能改變卸煤的最大出力，只能改變卸煤出力達到穩(wěn)定狀態(tài)的速度。

4 結論

（1）建立了基于離散元控制方程的環(huán)式給煤機有限元模型，模擬了環(huán)式給煤機卸煤運行過程。模擬結果表明，環(huán)式給煤機卸料過程中，卸煤板角度為45°時，卸煤板受力最小，卸料出力最好。

（2）對于內環(huán)出力為900 t∕h，外環(huán)出力為1 300 t∕h 的雙環(huán)環(huán)式給煤機，當內、外環(huán)卸煤開口寬度為1 600 mm 時，對內、外環(huán)卸煤板受力，密封罩受力及卸料出力的綜合影響最小，開口寬度最合適。

（3）卸煤車運行速度不能改變卸煤的最大出力，只能改變卸煤出力達到穩(wěn)定狀態(tài)的速度。

通過對環(huán)式給煤機卸煤參數(shù)的研究，不僅為實現(xiàn)環(huán)式給煤機的穩(wěn)定運行奠定了基礎，同時也為解決環(huán)式給煤機積煤、撒煤、出力不足等問題提供了理論支持。