張金貴

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

目前在全球散貨碼頭裝船機裝載的散狀物料，一般是煤炭、鐵礦石、鋁土礦、焦炭、鎳礦、硫磺、化肥、水泥、糧食、鹽、糖和木屑等。每個碼頭的散狀物料種類不一，通常單一物料的情況居多，但也有1臺裝船機可能要裝載幾種物料，每種散狀物料特性各不相同，包括：具有腐蝕性的物料、附著黏性大的物料、需要防水的物料等等。散料裝船機的必要裝置溜筒通常安裝在外伸臂架前端，臂架帶式輸送機頭部滾筒和頭部落料罩殼的下方。溜筒的主要作用是物料導向、物料匯聚和抑制粉塵飄逸，當下每個散貨碼頭承載著巨大的環(huán)境保護壓力，在散料轉運過程中的主要污染是粉塵污染。溜筒除塵問題是裝船機設計使用過程中面臨的一大難題，本文通過離散元仿真分析的方法對2種不同結構形式的溜筒仿真數(shù)據進行綜合比較，在一定程度上給相關行業(yè)人員提供一種新的思路作參考。

1 整體情況

國內某碼頭訂購1臺裝船機，裝船物料為煤炭。額定生產率6 000 t/h，裝載船型10 000 DWT～100 000 DWT，臂架工作俯仰角度-12°～+14°，臂架帶式輸送機帶速4.5 m/s、帶寬2 200 mm、臂架頭部改向滾筒直徑Φ830 mm。溜筒的作業(yè)工作狀態(tài)始終垂直于地面，由擺動液壓缸支持。溜筒伸縮距離3.5 m，伸縮速度6 m/min，溜筒回轉角度±170°，拋料勺擺動角度-15°～+45°。

本項目溜筒采用的是傳統(tǒng)結構形式帶回轉拋料的普通直溜筒，在利用EDEM模擬仿真的同時，也建模分析了倒勺式錐體溜筒的數(shù)據。鑒于散狀物料情形比較復雜、顆粒不規(guī)則、濕度粘度不一，傳統(tǒng)的物料拋射計算公式很難準確的表達物料實際流動情況，采用離散元多次修正模擬仿真分析的辦法比較符合實際情況。主要對物料通過流量、不同位置的物料顆粒平均速度以及對拋料勺的沖擊磨損等方面進行研究比較。物料為煤炭，堆密度0.85～0.95 t/m3、粒度0～300 mm、靜安息角38°～40°、楊氏模量3.1×109Pa、表面含水率4%～13%、泊松比0.3。

離散元仿真是通過模擬真實物料顆粒形狀建立仿真理想顆粒，通過不同的接觸力模型和牛頓第二運動定律，計算顆粒在不同時刻的運動速度、方向和位置，然后通過仿真軟件的后處理功能使物料綜合運動軌跡和理論數(shù)據直觀展現(xiàn)。通過以往實踐經驗總結，EDEM仿真分析是一種行之有效的散料領域處理問題的重要方法。物料校準越接近真實情況，仿真效果越好，物料運動軌跡趨勢是相對準確的，為后續(xù)設備的改造或者改變設計思路提供了強力參考依據。根據實際情況把物料顆粒形狀大致分成了5個組別來模擬其粒度分布和尺寸大小：大塊顆粒尺寸80 mm占比5%、中塊顆粒尺寸62 mm占比5%、中塊顆粒尺寸52 mm占比25%、中塊顆粒尺寸36 mm占比30%、中塊顆粒尺寸26 mm占比35%。80 mm仿真顆粒如圖1所示。

圖1 80 mm仿真物料形狀

分析前要設置物料接觸參數(shù)，此參數(shù)是通過多個仿真項目的實際經驗總結產生，當然物料校準越接近真實情況，模擬仿真越可靠，散料的情況比較復雜，理論化的數(shù)據與現(xiàn)實還是有一定的差距，但不會有較大影響。采用Hertz-Mindlin粘結接觸模型，物料接觸參數(shù)設置如表1所示。

表1 物料接觸參數(shù)

2 質量流量分析

在臂架帶式輸送機頭部罩殼前方中段、溜筒中下段和溜筒下部拋料勺彎頭處分別設置3組質量流量傳感器，從入料、中段到出料的整個過程判斷料流是否有灑漏，頭部罩殼、轉接料斗、直筒體、錐筒和拋料勺結構尺寸設計是否合理。

普通直溜筒的上筒體直徑Φ1 200 mm，中筒體直徑Φ1 380 mm，下筒體直徑Φ1 520 mm。倒勺式錐體溜筒的錐筒底徑Φ1 970 mm、斜度73°、安裝角度8°，尺寸如圖2所示。底錐筒體小徑Φ1 200 mm。頭部改向滾筒的中心距離溜筒中心1 350 mm，頭部改向滾筒中心距離頭部罩殼內壁2 200 mm，拋料勺內部寬度1 780 mm，料流最大高度落差約15 400 mm。倒勺式錐體溜筒的錐筒尺寸如圖2所示，2種溜筒結構尺寸如圖3所示。

圖2 錐筒尺寸簡圖

圖3 普通直溜筒和倒勺式錐體溜筒尺寸簡圖

仿真設置時長15 s，帶式輸送機的初始運行速度4.5 m/s。普通直溜筒的質量流量：第1組6 002.77 t/h，第2組5 984.95 t/h，第3組5 901.88 t/h。倒勺式錐體溜筒的質量流量：第1組6 000.39 t/h，第2組5 999.85 t/h，第3組5 990.54 t/h。從通過量來看，2種不同結構形式的溜筒均能滿足額定生產率的要求。普通直溜筒的第1組與第2組差距不大，物料由于起始給料速度較快，在輸送帶上有飛濺落料。第3組比第2組相差83.07 t/h，這是因為拋料勺上方物料下落速度過快，在物料空中碰撞和與拋料勺碰撞后飛濺量較大，導致通過拋料勺出口流量的減少，具體如圖4所示。倒勺式錐體溜筒3組數(shù)據差距不大是因為其料流速度較低，流動過程中損失較少，具體如圖5所示。由于傳感器測定的是即時值，所設定位置在即時點上存在尺寸不一的顆粒，因此，質量數(shù)據有所不同，但綜合平均下來誤差較小。

圖4 普通直溜筒物料流量和速度示意圖

圖5 倒勺式錐體溜筒物料流量和速度示意圖

3 料流速度分析

在頭部罩殼中部料流起始下落點、溜筒底部拋料勺上方和溜筒下部拋料勺出料段分別設置3組料流速度傳感器，查看料流運行過程中料流的速度變化，以此判斷2種筒體結構對料流的影響。

此項目建模分析的情況和仿真數(shù)據僅限于本分析對象所建顆粒，不同的初始設置數(shù)據會有差異。如圖4和圖5物料流量和速度圖所示，物料流動速度通過顆粒著色的形式顯示出來，藍色區(qū)域代表低速，綠色區(qū)域是中速，紅色區(qū)域代表高速，依次遞增。普通直溜筒的料流平均速度：第1組5.50 m/s，第2組13.86 m/s，第3組7.22 m/s。倒勺式錐體溜筒的料流平均速度：第1組5.50 m/s，第2組5.67 m/s，第3組2.97 m/s。

從速度傳感器的數(shù)值來看，2種不同結構形式的溜筒料流速度差異明顯。普通直溜筒的物料是沿半個筒體內壁散布，物料不加約束的自由下落，速度越來越快，落料末端平均速度接近14 m/s，拋料勺出料平均速度也達7 m/s有余。如圖6局部放大圖所示，料流在溜筒體下部已呈松散狀態(tài)，物料的高速下落容易使筒體內部和拋料勺區(qū)域產生較強的誘導風，物料內部的粉塵顆粒會隨著誘導風四下發(fā)散，較高的顆粒速度碰撞能量也大，大小顆粒之間的運動軌跡不同，物料與筒體和物料之間都會產生摩擦碰撞，使部分物料破損和飛逸。倒勺式錐體溜筒從頭部罩殼處的落料初始速度到底錐筒體處的終端速度幾乎變化不大，料流勻速平順下滑，拋料勺出料時平均速度更是下降為較小值。如圖7局部放大圖所示，料流匯聚明顯無松散現(xiàn)象，較低的流動速度不容易產生誘導風，且物料匯聚內部粉塵也減少了飄逸的可能。由于物料呈流動狀態(tài)，物料顆粒時刻與物料顆粒接觸，也減少了顆粒的破損概率。物料下落從高處到低處是流動狀態(tài)而非沖擊狀態(tài)，從而降低了落料速度。

圖6 普通直溜筒物料局部圖

圖7 倒勺式錐體溜筒物料局部圖

4 沖擊磨損分析

物料在流動過程中會對頭部罩殼、轉接料斗、溜筒筒體和拋料勺產生沖擊磨損，料流在運行過程中的碰撞主要與沖擊角度、沖擊位置和料流的行進速度等因素有關。EDEM仿真把傳統(tǒng)經驗得出的結果數(shù)據化、具象化，通過輸出的數(shù)據直觀查看磨損程度。通過查看沖擊區(qū)域的累積沖擊力和累積磨損能量值的辦法判斷哪些區(qū)域需要結構加強或更換耐磨層等措施。

針對2種不同結構形式的溜筒，其主要區(qū)別在落料速度方面，故需重點研究拋料勺的沖擊磨損區(qū)域。沖擊磨損程度采用著色顯示的方式，灰色區(qū)域是沖擊磨損輕微區(qū)域，綠色區(qū)域是中等沖擊磨損區(qū)域，紅色區(qū)域是沖擊磨損最嚴重區(qū)域，層級逐漸遞增。如圖8所示，在入料和落差相同的情況下，普通直溜筒對底部拋料勺的累積磨損能量峰值為29 968.8 J，累積沖擊力峰值為80 759 243.5 N。如圖9所示，倒勺式錐體溜筒對底部拋料勺的累積磨損能量峰值為4 739.1 J，累積沖擊力峰值為是29 732 156.7 N。兩者磨損能量和沖擊力差距明顯，普通直溜筒是倒勺式錐體溜筒沖擊力的2.7倍，磨損能量的6.3倍。盡管數(shù)據抽象，但比值明顯。顯而易見倒勺式錐體溜筒受到物料的沖擊力和沖擊磨損更小，物料顆粒的動能較小，同時也降低了物料顆粒在拋料勺區(qū)域的破損飛濺，相對更加環(huán)保。

圖8 普通直溜筒拋料勺沖擊磨損示意圖

圖9 倒勺式錐體溜筒拋料勺沖擊磨損示意圖

5 優(yōu)缺點

普通直溜筒結構相對簡單，造價較低，一般應用在短距離伸縮的情形下，長距離伸縮需要采用多層套筒式設計形式，伸縮過程中筒體之間容易形成卡頓阻滯。適合裝載的物料種數(shù)較多，噴淋灑水和干式除塵是2種主要的除塵方式，但是從實際使用情況看，效果不甚理想。在環(huán)保要求不高的情況下采用較多，目前是各大港口碼頭裝船機的主力配置。

倒勺式錐體溜筒結構相對復雜一些，適合長距離伸縮，應用在顆粒均勻的谷物、水泥和化肥等物料裝載場合非常合適，流動性較好的煤炭和礦石也可以采用，對濕度粘度較大流動性不好的物料不太適合，易產生堵料。最大優(yōu)勢是降低了落料速度并且讓料流匯聚，誘導風很小，如果溜筒外層再配置伸縮防塵罩，頂部加上脈沖干式除塵系統(tǒng)，物料在裝載過程中能達到極低的污染水平。針對通過性不佳的物料，錐筒的角度還可適度調整，能有效改變物料的通過量。此種類型的溜筒目前主要依賴從國外進口，價格較貴，國內同類產品較少。

6 結語

通過對2種溜筒的模擬仿真分析，在同等條件下，設計尺寸均能滿足裝船生產率的要求，但在落料速度和沖擊磨損方面得到了不同的結果。普通直溜筒落料速度較快，料型分散，沖擊能量大，物料顆粒容易翻滾碰撞飛濺，落料速度達到13.86 m/s，極易產生較強的誘導風，容易形成粉塵污染。倒勺式錐體溜筒落料速度較慢，料型匯聚好，沖擊能量較小，落料末端速度5.67 m/s接近落料初始速度5.5 m/s，變化不大。物料顆粒集聚流動下滑平順穩(wěn)定，在裝載過程中不容易產生粉塵污染。在環(huán)保壓力越來越大的情形下，普通直溜筒已很難滿足現(xiàn)在的裝船使用要求，倒勺式錐體溜筒會得到越來越多的應用。