陳俊龍

（福建南方路面機(jī)械股份有限公司，福建 泉州 362000）

1 圓錐破料斗結(jié)構(gòu)

圓錐式破碎機(jī)是骨料加工的重要設(shè)備，適合中碎和細(xì)碎各種礦石和巖石等。圓錐破主要由機(jī)架、傳動(dòng)軸、動(dòng)定錐、調(diào)整裝置和進(jìn)出料口等部分組成。該文所研究的入料斗安裝于圓錐破頂部，主要起引導(dǎo)原料進(jìn)入破碎腔、集料和防塵等作用。圓錐破是否滿腔均勻給料，直接影響了成品骨料的產(chǎn)量、粒形和圓錐襯板的壽命。該文針對(duì)圓錐破入料存在偏載的問題，對(duì)入料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，通過EDEM仿真分析驗(yàn)證偏料情況并提出改進(jìn)方案。

如圖1所示，圓錐入料斗主要由薄鋼板和型材焊接而成，鋼材材料選用Q235B，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服極限235MPa。

圖1 圓錐入料斗結(jié)構(gòu)

2 離散元仿真分析

2.1 接觸模型

Hertz-Mindlin（no slip）是離散元仿真軟件中默認(rèn)的模型，其中法向力基于Hertz接觸理論[1]，切向力基于Mindlin-Deresiewicz 的研究工作，顆粒單元之間的接觸采用彈簧-阻尼器來表示。彈簧代表單元的彈性，阻尼器代表顆粒單元的非彈性，用帶有摩擦系數(shù)的滑塊來表示單元之間的摩擦。顆粒單元間的接觸模型在力的計(jì)算方面高效且準(zhǔn)確。

設(shè)兩個(gè)球形顆粒發(fā)生碰撞接觸，其法向疊合量δn如公式（1）所示。

式中：Ra，Rb為兩個(gè)球形顆粒的半徑；ra，rb為球心位置矢量。根據(jù)當(dāng)顆粒碰撞時(shí)法向接觸力和法向接觸力的疊加運(yùn)算，即可求出合力與合力矩。由于顆粒與壁面的碰撞類似于顆粒間的碰撞，因此可以把壁面假設(shè)為一個(gè)顆粒。顆粒間的法向接觸力Fn，其計(jì)算式如公式（2）所示。

式中：E*為等效楊氏模量。阻尼力Fnd如公式（3）所示。

切向阻尼力Ftd如公式（4）所示。

2.2 接觸參數(shù)和模型參數(shù)的獲取

在EDEM中仿真用的砂石、鋼以及橡膠的材料屬性和接觸參數(shù)見表1和表2。

表1 材料屬性表

單純使用該接觸進(jìn)行仿真計(jì)算會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的失真和仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確，通過平地落料法的堆積角試驗(yàn)確定該模型的相關(guān)接觸，這里主要指巖石與巖石以及巖石與鋼鐵之間的接觸參數(shù)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，粒徑160mm以下巖石的堆積角（安息角）為40°～45°。通過堆積角擬合獲得的堆積角為43°左右，這時(shí)的能量參數(shù)即所需的模型參數(shù)。

如圖2（a）所示，在離散元軟件EDEM中進(jìn)行平地落料法仿真試驗(yàn)。

在不同接觸參數(shù)下進(jìn)行堆積角（圖2（b））擬合試驗(yàn)，獲得適合試驗(yàn)見表2。

表2 接觸參數(shù)表

圖2 平地落料法仿真試驗(yàn)

該部分獲取的接觸參數(shù)和模型參數(shù)為后續(xù)的仿真計(jì)算工作提供了保證。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)劣評(píng)判方法

3.1 質(zhì)量采集區(qū)域

圓錐破的入料粒徑在160mm以下，原料通過給料皮帶機(jī)進(jìn)入圓錐破的入料斗，再經(jīng)由入料斗喂料在破碎腔內(nèi)發(fā)生擠壓破碎[2]。在實(shí)際生產(chǎn)工地中，皮帶機(jī)輸送速度會(huì)有所不同，皮帶機(jī)擺放角度也會(huì)有一些誤差，皮帶機(jī)與入料斗的位置關(guān)系難以確定，這將會(huì)導(dǎo)致物料進(jìn)入料斗位置的不確定性，一個(gè)具有調(diào)節(jié)功能的料斗對(duì)圓錐破的生產(chǎn)十分必要。

在圓錐破入料斗下部均勻劃分A、B、C、D四個(gè)采集區(qū)域，如圖3所示，用于統(tǒng)計(jì)物料經(jīng)過入料斗后的物料分布情況，通過仿真計(jì)算統(tǒng)計(jì)物料經(jīng)過各個(gè)區(qū)域的質(zhì)量，衡量入料斗調(diào)整作用的優(yōu)劣。

圖3 質(zhì)量流量采集區(qū)域

3.2 變異系數(shù)

變異系數(shù)（Coefficient of Variation）又稱“標(biāo)準(zhǔn)差率”，是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的另一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。CV沒有量綱，可以進(jìn)行客觀比較。事實(shí)上，可以認(rèn)為變異系數(shù)與極差、標(biāo)準(zhǔn)差和方差一樣，都是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值。其數(shù)據(jù)大小不僅受變量值離散程度的影響，而且還受變量值平均水平大小的影響。

變異系數(shù)C.V=（標(biāo)準(zhǔn)偏差STD/平均值Mean）×100%

該文中使用變異系數(shù)來衡量物料在4個(gè)采集區(qū)域內(nèi)的離散程度，根據(jù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算獲取不同采集區(qū)域的變異系數(shù)，作為料斗結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 不同工況下料流的仿真計(jì)算

通過工地實(shí)踐的反饋能夠得知圓錐破入料有時(shí)會(huì)存在偏料以及溢料情況，現(xiàn)對(duì)原機(jī)上的圓形入料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證分析并提出優(yōu)化改進(jìn)意見。

基礎(chǔ)工況設(shè)置如下。入料粒徑0mm～165mm隨機(jī)分布入料量250t/h，由于圓錐主機(jī)下部是一個(gè)自平衡裝置，因此會(huì)隨動(dòng)錐一起做周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率與動(dòng)錐一致，轉(zhuǎn)速390r/min，擺動(dòng)幅度6mm，皮帶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)傾角20°，帶速1.5m/s。

4.1 不同皮帶機(jī)傾角下物料流均勻性

根據(jù)原初始的圓錐破入料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型的轉(zhuǎn)化，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理。在EDEM仿真軟件中導(dǎo)入進(jìn)料皮帶機(jī)及料斗的網(wǎng)格模型，在進(jìn)料皮帶機(jī)的入料端生成顆粒，保證入料量250t/h，仿真時(shí)間200s。

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)料量與出料量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，由仿真計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)物料由進(jìn)料皮帶機(jī)進(jìn)入料斗時(shí)，入料位置可能會(huì)存在一些差異，從而導(dǎo)致入料的偏載。

通過入料斗出料端設(shè)置的A、B、C和D采集區(qū)域，統(tǒng)計(jì)仿真計(jì)算時(shí)間周期內(nèi)通過各自區(qū)域的物料質(zhì)量，采用變異系數(shù)來評(píng)價(jià)通過4個(gè)采集區(qū)域物料的均勻性程度。

按照250t/h（即70kg/s）的進(jìn)料量，保證皮帶機(jī)末端位置不改變，分別調(diào)整進(jìn)料皮帶機(jī)的角度為16°、18°、20°、22°和24°。其中，皮帶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)速度1.5m/s。

由物料在皮帶機(jī)上部的運(yùn)動(dòng)軌跡可得到公式（5）。

通過上述結(jié)果可以得到表3。

表3 原結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

由理論分析可知，影響物料在入料斗落料點(diǎn)的主要原因是水平方向的分速度，由表3可知，改變不同的皮帶機(jī)角度，水平分速度在1.37m/s～1.44m/s，進(jìn)行仿真計(jì)算所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 原結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻性統(tǒng)計(jì)圖

其中C.V為變異系數(shù)，具體參照3.1。

由圖4可知，改變進(jìn)料皮帶機(jī)的角度對(duì)物料落料均勻性的變異系數(shù)會(huì)有影響，但是變化范圍相對(duì)較小，考慮到這一點(diǎn)，應(yīng)該更多地關(guān)注皮帶速度對(duì)物料均勻性的影響。

4.2 不同皮帶機(jī)速度下物料流均勻性

實(shí)際工地生產(chǎn)中，“客戶可能會(huì)改變皮帶機(jī)的速度來提升產(chǎn)量”，但改料皮帶機(jī)速度也會(huì)同時(shí)改變物料的拋料角度，進(jìn)而改變物料進(jìn)入料斗的落料位置，導(dǎo)致偏料、磨損和堆料等一系列問題的產(chǎn)生。該文將通過EDEM仿真計(jì)算來驗(yàn)證在不同的入料位置落料斗的適用程度。

保證其他工況不改變，調(diào)整皮帶機(jī)的帶速分別為1.1m/s、1.3m/s、1.5m/s、1.7m/s和1.9m/s，統(tǒng)計(jì)相同仿真時(shí)間內(nèi)物料通過圖3中4個(gè)區(qū)域的質(zhì)量，并通過變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)反映均勻性情況。

由于該計(jì)算基于圓球模型進(jìn)行，因此為了更接近實(shí)際工況，除了調(diào)整相對(duì)應(yīng)的接觸參數(shù)外，還采用了165mm（放大5mm）以下的粒徑進(jìn)行仿真計(jì)算。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)落料點(diǎn)偏向一側(cè)時(shí)，會(huì)發(fā)生外側(cè)堵料的情況，如圖5所示。

圖5 入料斗外側(cè)發(fā)生堆料情況

通過分析發(fā)現(xiàn)，入料斗內(nèi)部的小圓環(huán)尺寸偏大，導(dǎo)致外側(cè)堵料進(jìn)而引起了整體的堆料產(chǎn)生，與原該設(shè)計(jì)之初的設(shè)想即允許內(nèi)部圓環(huán)發(fā)生堆料的情況不一致，且當(dāng)物料進(jìn)料偏向一側(cè)時(shí)，經(jīng)過料斗后的物料偏移情況明顯。在不改變?cè)O(shè)計(jì)原理的情況下，提出以下2點(diǎn)改進(jìn)措施：1）將內(nèi)部的內(nèi)圓環(huán)適當(dāng)縮小；2）內(nèi)部圓環(huán)下部的襯環(huán)適當(dāng)加長(zhǎng)，如圖6所示。

經(jīng)過再次EDEM顆粒仿真，圖6新結(jié)構(gòu)的入料斗未出現(xiàn)外側(cè)圓環(huán)堵料的情況，但是會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部圓環(huán)堆料情況，物料會(huì)從外部圓環(huán)卸下，這時(shí)落料均勻性變好。

圖6 NEW_入料斗

對(duì)原始入料斗和新入料斗進(jìn)行相同工況的EDEM仿真分析計(jì)算，兩者結(jié)果如圖7所示。

其中OG_OV表示原始入料斗在不同帶速下物料通過的變異系數(shù)；NEW_OV表示新入料斗在不同帶速下物料通過的變異系數(shù)。

由圖7可知，入料皮帶機(jī)帶速的改變對(duì)物料通過入料斗的均勻性產(chǎn)生了較大影響，波動(dòng)范圍大，說明入料斗對(duì)物料的調(diào)整效率不高，改進(jìn)后的入料斗整體的均勻性偏差會(huì)明顯降低50%左右，但是當(dāng)入料位置不一時(shí)，還是會(huì)存在較大的均勻性波動(dòng)。這是由料斗本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。

圖7 不同帶速與結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻性統(tǒng)計(jì)圖

5 結(jié)論

該文通過研究圓錐破進(jìn)料斗仿真優(yōu)化，得出如下結(jié)論：1）基于離散單元法對(duì)圓錐破碎主機(jī)進(jìn)料斗偏載情況進(jìn)行驗(yàn)證，確定了原結(jié)構(gòu)在正常工作工況下料流偏載；2）根據(jù)物料在出料斗位置的偏載情況，對(duì)進(jìn)料斗結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化措施；3）將內(nèi)部的內(nèi)圓環(huán)適當(dāng)縮小，內(nèi)部圓環(huán)下部的襯環(huán)適當(dāng)加長(zhǎng)，這時(shí)須考慮堵料的情況；4）對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同工況下的仿真分析，驗(yàn)證改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，新結(jié)構(gòu)圓錐入料斗對(duì)骨料落料均勻性有積極作用，但進(jìn)料皮帶給料速度仍是入料是否會(huì)產(chǎn)生偏載的主要影響因素；5）僅進(jìn)行物料偏載、離析以及結(jié)構(gòu)磨損的分析，沒有考慮腐蝕余量、焊接缺陷以及制作誤差等的影響，當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)具體情況作相應(yīng)處理。