謝振釗 陳 陽(yáng) 胡克磊 趙孝群 張洪言

（1.安徽華電六安發(fā)電廠有限公司，安徽 六安 237100；2.山東智信電力科技有限公司，山東 濟(jì)南 250099）

由于冬天天氣寒冷和煤中水分的作用，燃煤易產(chǎn)生凍塊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)凍結(jié)在車(chē)廂內(nèi)側(cè)，因此翻車(chē)后會(huì)在空車(chē)廂留有大量余煤。目前的翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)空車(chē)線火車(chē)車(chē)底采用人工方式清理余煤，存在清理不干凈、效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差且有安全隱患等問(wèn)題[1]。為降低工作人員安全風(fēng)險(xiǎn)，改善工作環(huán)境，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和卸煤生產(chǎn)線的自動(dòng)控制水平，降低故障發(fā)生率，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，研制出了火車(chē)車(chē)底余煤清掃裝置，為實(shí)現(xiàn)翻車(chē)機(jī)卸煤系統(tǒng)進(jìn)一步無(wú)人化和自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。為保證余煤清理裝置能達(dá)到預(yù)定的清掃效果，需要對(duì)其上面的毛刷進(jìn)行仿真分析，以明確其清掃效果。

該文以車(chē)廂內(nèi)的黏煤和凍煤為研究對(duì)象，用EDEM 離散元分析軟件研究毛刷在直線運(yùn)動(dòng)下對(duì)余煤顆粒的實(shí)際清掃效果，以此判斷其清掃功能。

1 模型構(gòu)建

余煤清掃裝置主要由2 個(gè)部分組成，分別是用于車(chē)廂壁底部清掃的盤(pán)刷和用于車(chē)廂中部清掃的螺旋毛刷。模型局部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 余煤清理裝置

清理裝置共有4 個(gè)盤(pán)刷，分布在清掃裝置四周，主要用于清掃車(chē)廂四周底部及車(chē)廂壁落下的余煤，并將余煤清掃至螺旋毛刷工作區(qū)域，由螺旋毛刷收集，并和車(chē)廂中部的余煤一并清掃至余煤收集系統(tǒng)，完成車(chē)廂余煤的清掃。螺旋毛刷上的刷毛呈螺旋線性分布在毛刷輥上，同時(shí)有左、右旋之分，2 種旋向的毛刷各占總長(zhǎng)度的一半。螺旋毛刷模型和盤(pán)刷模型的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 螺旋毛刷和盤(pán)刷模型參數(shù)表

2 毛刷參數(shù)選擇

2.1 滾刷刷絲排數(shù)的確定

滾刷的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，滾刷的清掃效果與滾刷轉(zhuǎn)速、清掃裝置移動(dòng)速度、滾筒直徑、刷絲長(zhǎng)度以及圖2 所示的θ角的大小有關(guān)[2-3]。

圖2 滾刷純滾動(dòng)時(shí)刷絲頂端運(yùn)動(dòng)軌跡與地面位置關(guān)系

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，該文預(yù)選結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核和改進(jìn)。初始選取的滾筒直徑為200mm，刷絲外露長(zhǎng)度為90mm。滾刷做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)刷絲頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2 所示。滾刷做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，刷絲下端與車(chē)廂接觸的寬度為AB。點(diǎn)A、B與滾筒圓心組成夾角θ。θ角越大，刷絲儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能也就越大，滾刷刷絲與地面剛好脫離接觸時(shí)，點(diǎn)A的線速度方向與地面的夾角也越大，滾刷對(duì)顆粒的上拋效果就越好。但會(huì)加劇刷絲的磨損，縮短滾刷的使用壽命。為了保證滾刷對(duì)垃圾顆粒的清掃效果并防止?jié)L刷刷絲過(guò)度磨損，θ角一般設(shè)定為60°～90°。

要使?jié)L刷能夠充分清掃車(chē)箱、不出現(xiàn)漏掃的情況，即滾刷在旋轉(zhuǎn)一周后，所有刷絲的清掃寬度和清理裝置的前進(jìn)距離滿足公式（1）。

整理后可得公式（2）。

將初選數(shù)據(jù)帶入公式（2），可得當(dāng)θ角取60°時(shí)，滾刷刷絲排數(shù)N≥8，無(wú)論清掃車(chē)行進(jìn)速度v0與滾刷轉(zhuǎn)速n1如何變化，滾刷刷絲對(duì)地面的清掃都不會(huì)出現(xiàn)漏掃的情況。選取滾刷刷絲的排數(shù)為10 排。雖然滾刷對(duì)地面的清掃不會(huì)出現(xiàn)漏掃，但是滾刷轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，滾刷對(duì)垃圾顆粒的上拋效果較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)清掃功能。當(dāng)刷絲排數(shù)增至16排時(shí)，清掃毛刷對(duì)余煤顆粒的清掃與拋射效果均較好，下文將會(huì)對(duì)建立的初始參數(shù)模型進(jìn)行Edem 仿真分析并觀察其清掃效果。

2.2 滾刷刷絲運(yùn)動(dòng)軌跡分析

滾刷刷絲頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡由滾刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與清掃車(chē)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)組成。刷絲端點(diǎn)的位移方程組如公式（3）所示。

根據(jù)公式（3）及運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知：1）當(dāng)清掃車(chē)行進(jìn)速度確定時(shí)，提高滾刷轉(zhuǎn)速會(huì)減少單排滾刷刷絲對(duì)地面的清掃寬度，提高與地面的接觸頻率。清掃車(chē)行進(jìn)距離確定時(shí)，滾刷轉(zhuǎn)速越大，單排刷絲對(duì)地面的清掃寬度越大。2）由于滾刷布置有多排刷絲，因此在結(jié)構(gòu)允許的情況下，布置的刷絲排數(shù)越多、滾刷轉(zhuǎn)速越快時(shí)，滾刷刷絲對(duì)同一地面進(jìn)行重復(fù)清掃的次數(shù)就越多，清掃效果也就越好。但滾刷轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)加速刷絲的磨損，減短滾刷的使用壽命。

2.3 盤(pán)刷傾斜角度的選擇

盤(pán)刷的主要作用是將接觸刷絲的垃圾顆粒定向拋射到收集裝置可以收集到的區(qū)域。盤(pán)刷刷絲與地面整體接觸如圖3 所示。為了降低磨損并達(dá)到清掃目的，盤(pán)刷刷絲與地面宜采用部分接觸的形式，如圖4 所示。

圖3 盤(pán)刷刷絲整體與地面接觸

圖4 盤(pán)刷刷絲與地面部分接觸

盤(pán)刷與地面部分接觸時(shí)，盤(pán)刷需要具有一定的傾斜角度。盤(pán)刷的傾斜角度是決定盤(pán)刷刷絲與地面接地點(diǎn)位置的關(guān)鍵因素，會(huì)影響盤(pán)刷旋轉(zhuǎn)時(shí)垃圾顆粒的拋射方向。該文對(duì)與車(chē)廂底部增提接觸的盤(pán)刷進(jìn)行仿真，并觀察其效果，如清掃效果不理想，后續(xù)再對(duì)其傾角進(jìn)行修改。

3 EDEM 仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)際余煤形態(tài)，在EDEM 中建立余煤模型輪廓，在Bulk Material 中建立余煤顆粒模型，其輪廓如圖5 所示。

圖5 余煤顆粒模型

余煤顆粒的體積為125mm3，設(shè)置余煤顆粒屬性，在仿真過(guò)程中以固定模式生成顆粒，位置隨機(jī)。在Equipment Material 中建立毛刷材料，并設(shè)置毛刷材料屬性[4]，材料屬性見(jiàn)表2。

表2 材料屬性

在Geometries 中創(chuàng)建Box，并設(shè)置其屬性為虛擬，在Box中添加Add Factory顆粒工廠。為節(jié)約顆粒生成的時(shí)間，使單位時(shí)間生成顆粒盡量多，在Target Number 中設(shè)置50000，并在重力加速度的情況下額外施加一個(gè)0.5m/s 的向下的速度，計(jì)算并觀察顆粒生成情況，當(dāng)顆粒鋪滿毛刷的前進(jìn)軌跡時(shí)，終止計(jì)算過(guò)程，如圖6 所示。

圖6 生成顆粒圖

3.2 接觸模型設(shè)置

離散元方法可以用于模擬與實(shí)際顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡相似的情況。在實(shí)際工況中各余煤顆粒間會(huì)存在黏性力和碰撞力，并在受力后發(fā)生滾動(dòng)。根據(jù)顆粒不連續(xù)、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)方式，在顆粒與顆粒、顆粒與幾何體間采用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型[5-6]。在該模型中，法向力Fn是法向重疊量σn的函數(shù)，兩者函數(shù)關(guān)系如公式（4）所示。

式中：E*為當(dāng)量楊氏模量；R*為當(dāng)量半徑；σn為法向重疊量。

其中，當(dāng)量楊氏模量E*可通過(guò)公式（4）求得，當(dāng)量半徑R*可通過(guò)公式（5）求得。

式中：Ei為第i個(gè)球體的楊氏模量；Ej為第j個(gè)球體的楊氏模量；vi為第i個(gè)球體的泊松比；vj為第j個(gè)球體的泊松比。

式中：Ri為第i個(gè)球體的半徑；Rj為第j個(gè)球體的半徑。

切向力Ft可通過(guò)公式（7）求得。

式中：σn為切向重疊量。

對(duì)滾動(dòng)摩擦而言，采用Standard Rolling Friction 模型進(jìn)行計(jì)算，滾動(dòng)摩擦力矩τi可通過(guò)公式（8）求得。

式中：ur為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；di為接觸點(diǎn)到質(zhì)心的距離；wi為接觸點(diǎn)處的單位角速度矢量。

接觸參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 接觸參數(shù)設(shè)置

3.3 運(yùn)動(dòng)條件設(shè)置

在Geometries 中，將螺旋毛刷與盤(pán)刷分別導(dǎo)入EDEM 軟件中，并分別設(shè)置螺旋毛刷與盤(pán)刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，確定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的中心軸。使螺旋毛刷與盤(pán)刷在前進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行自傳運(yùn)動(dòng)，螺旋毛刷與盤(pán)刷的運(yùn)動(dòng)從顆粒生成結(jié)束后開(kāi)始。螺旋毛刷與盤(pán)刷的運(yùn)動(dòng)設(shè)置如圖7 所示。

圖7 螺旋毛刷與盤(pán)刷的運(yùn)動(dòng)設(shè)置

3.4 仿真結(jié)果分析

設(shè)置總仿真時(shí)間為5s，固定時(shí)間步為20%，保存步數(shù)為1s，保存設(shè)置并開(kāi)始仿真，得到如圖8 所示的仿真效果。觀察螺旋毛刷與盤(pán)刷的清掃效果可以看到，螺旋毛刷與盤(pán)刷經(jīng)過(guò)余煤顆粒時(shí)余煤顆粒被清掃到一邊，說(shuō)明清掃裝置的毛刷組件對(duì)余煤有良好的清掃效果。

圖8 螺旋毛刷與盤(pán)刷的清掃效果

4 結(jié)論

該文主要對(duì)余煤清掃裝置的清掃效果進(jìn)行了研究和評(píng)估，針對(duì)清掃裝置毛刷組件對(duì)余煤顆粒的清掃效果，采用EDEM 離散元分析軟件對(duì)毛刷組件的清掃能力進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)余煤清理裝置沿車(chē)廂的直線行進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，毛刷對(duì)余煤顆粒具有良好的清掃效果，能夠較好地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。