王延高

倉(cāng)斗料位實(shí)施應(yīng)變檢測(cè)的選點(diǎn)及應(yīng)用

王延高

在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大容量固掛式鋼體倉(cāng)斗上，如何按性價(jià)比最優(yōu)化原則，采用盡可能少的應(yīng)力傳感測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確檢測(cè)整個(gè)斗內(nèi)固體物料流量的實(shí)時(shí)變化，其安裝部位至為關(guān)鍵。對(duì)此，根據(jù)靜力學(xué)原理進(jìn)行三維建模和有限元分析，在導(dǎo)入模型及材料屬性和模型網(wǎng)格劃分基礎(chǔ)上，模擬載荷添加和應(yīng)力應(yīng)變仿真計(jì)算得出結(jié)論，確定最佳安裝范圍。通過(guò)實(shí)地應(yīng)用，效果十分理想，達(dá)到安全、穩(wěn)定、節(jié)約和高效的預(yù)期目的。

煤炭裝船港；翻車(chē)機(jī)；料斗料位；檢測(cè)控制

一、引言

根據(jù)發(fā)展綠色港口的理念，秦皇島港快速進(jìn)入“后放射源”時(shí)代。原用于檢測(cè)翻車(chē)機(jī)料斗料位的伽馬射線裝置拆除后，先后通過(guò)對(duì)雷達(dá)、超聲波和激光等技術(shù)的比較，均無(wú)法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)工況要求，故替代方案的焦點(diǎn)逐步集中到應(yīng)變傳感技術(shù)上。

翻車(chē)機(jī)料倉(cāng)是直接倒懸固定在地坑混凝土圈梁上的金屬構(gòu)件體，當(dāng)其受到外力作用時(shí)會(huì)因承受力而發(fā)生形變，外力大小的不同引發(fā)金屬結(jié)構(gòu)件形變（應(yīng)變）的程度也會(huì)不同。據(jù)此原理可知：隨傾倒作業(yè)過(guò)程中倉(cāng)斗內(nèi)的料位變化，料斗壁承載力即應(yīng)變也隨之改變。通過(guò)測(cè)量這個(gè)應(yīng)變就可間接得知煤倉(cāng)料斗內(nèi)的料位高低。由于料倉(cāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各處受力不均，為正確反映料位狀態(tài)，在什么位置安裝多少應(yīng)變傳感器為宜，必須加以測(cè)算。

二、煤倉(cāng)料斗的靜力學(xué)分析

通過(guò)對(duì)煤倉(cāng)料斗體的靜力學(xué)分析，掌握煤倉(cāng)料斗體的各部分構(gòu)件所承受的應(yīng)力及應(yīng)變分布規(guī)律，可為尋找應(yīng)變傳感器的安裝位置提供指導(dǎo)，避免盲目性。

1.三維建模

參考煤倉(cāng)料斗體的二維設(shè)計(jì)圖，運(yùn)用solidworks三維建模軟件繪制其三維模型，煤倉(cāng)料斗體的主要部件之間都是通過(guò)螺栓連接，完成的三維模型如圖1所示。

2. 有限元分析

（1）導(dǎo)入模型及材料屬性定義

模型生成之后要對(duì)其進(jìn)行受力分析。為了更有效地計(jì)算煤倉(cāng)料斗體在工作過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，需將模型進(jìn)行整體化處理，在保證煤倉(cāng)料斗體結(jié)構(gòu)不變的前提下，將各個(gè)部件黏合到一起。處理完之后將煤倉(cāng)料斗體模型轉(zhuǎn)換成特定格式文件導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench。在有限元軟件中，選取煤倉(cāng)料斗體所用材質(zhì)為Q235-A，然后定義材料的具體屬性參數(shù)。

（2）模型網(wǎng)格劃分

所分析模型外觀尺寸比較龐大，外形結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，這些都為網(wǎng)格的劃分帶來(lái)很大的難度。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中要選擇合適的方法，對(duì)于不同部分還需進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置。最終劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 煤倉(cāng)料斗體網(wǎng)格劃分

（3）模型載荷添加

根據(jù)實(shí)際安裝情況，在煤倉(cāng)料斗體模型頂部外側(cè)面添加固定約束。

依據(jù)朗肯與庫(kù)侖土壓力理論，物料對(duì)煤倉(cāng)料斗體內(nèi)側(cè)鋼板的壓應(yīng)力的水平和豎直分力分別為

其中：γ為重度；ψ為物料與鋼板的內(nèi)摩擦角；ε為煤倉(cāng)料斗體各側(cè)面與垂直面夾角；h為煤倉(cāng)料斗體所盛物料深度。在添加壓應(yīng)力時(shí)，取，方向?yàn)榇怪庇阡摪鍍?nèi)側(cè)。

將煤倉(cāng)料斗體具體結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)摩擦角系數(shù)代入上述公式，分別計(jì)算煤倉(cāng)料斗體在高、中、低位時(shí)的內(nèi)壁壓強(qiáng)，并在有限元軟件中輸入相應(yīng)載荷系數(shù)。

對(duì)于不同的料位，通過(guò)增加或減少載荷施加面來(lái)完成相應(yīng)的載荷加載。圖3表示高料位時(shí)大傾角斜面的載荷添加情況，其他情況采用相同的辦法依次添加相應(yīng)載荷。

圖3 高料位時(shí)大傾角斜面的載荷分布

（4）應(yīng)力應(yīng)變仿真計(jì)算及結(jié)論

設(shè)定約束和添加載荷之后，即可進(jìn)行仿真計(jì)算，得到相應(yīng)的應(yīng)力圖、應(yīng)變圖及總變形云圖。從圖4和圖5可以看出：隨著料位的增高，煤倉(cāng)料斗體的應(yīng)力與應(yīng)變相應(yīng)增加；煤倉(cāng)料斗體在靠近底端部分的變形要大于靠近頂端部分的變形；在相同料位條件下，大傾角斜面的應(yīng)力、應(yīng)變及總體形變明顯大于其他三個(gè)斜面，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；兩個(gè)小傾角斜面的應(yīng)力、應(yīng)變及總體變形基本上呈對(duì)稱(chēng)分布。

三、應(yīng)變傳感器安裝位置的選擇

依據(jù)對(duì)煤倉(cāng)料斗體的靜力學(xué)仿真分析的結(jié)果，應(yīng)變傳感器的安裝位置應(yīng)在料斗壁的應(yīng)變隨載荷變化最大的區(qū)域，即煤倉(cāng)料斗體的大傾角斜面的底部，該部位料斗體構(gòu)件的應(yīng)變隨料位的變化最明顯。

圖4 高料位總變形云圖

圖5 低料位總變形云圖

考慮到現(xiàn)場(chǎng)狀況和便于安裝人員操作，在煤倉(cāng)料斗體的大傾角斜面底部的壁板和工字鋼上分別在不同方向上選擇了四個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)試點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 應(yīng)變傳感器安裝位置示意圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)安裝傳感器編號(hào)為1、2位置的信號(hào)較3、4號(hào)位置的要強(qiáng)，但受倉(cāng)內(nèi)襯板的影響很大，不是最佳安裝點(diǎn)；4號(hào)位置輸出應(yīng)變信號(hào)較3號(hào)位置的要大，因此，確定4號(hào)位置是最佳安裝位置。

四、測(cè)試實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

煤倉(cāng)料斗內(nèi)料位的高低、煤料在料斗內(nèi)的不均勻分布、震動(dòng)篩排料引起的震動(dòng)、煤料與料斗壁的黏滯和固態(tài)的煤料在料斗內(nèi)的流動(dòng)變化等因素都會(huì)使加載到安裝應(yīng)變傳感器部位的載荷發(fā)生變化，從而影響該部位的應(yīng)力和應(yīng)變。通過(guò)應(yīng)變傳感器采集到的數(shù)據(jù)反映了這些變化。

圖7是翻車(chē)卸料過(guò)程中兩個(gè)煤倉(cāng)料斗1和2的測(cè)量點(diǎn)處料斗壁的應(yīng)變變化曲線。

圖7 翻車(chē)線1、2號(hào)煤倉(cāng)料斗上測(cè)量點(diǎn)的料斗壁的應(yīng)變變化曲線

由圖7可知，當(dāng)翻車(chē)卸料時(shí)，隨著煤料的傾倒使得測(cè)量點(diǎn)處料斗壁的應(yīng)力突然加大，該處的應(yīng)變也隨之變大，兩個(gè)料斗的應(yīng)變曲線都同時(shí)呈現(xiàn)階躍式上升。而后，隨著料位的降低應(yīng)變曲線逐漸下降。由應(yīng)變曲線可獲知煤倉(cāng)料斗內(nèi)料位的變化狀況。因?yàn)樵诿簜}(cāng)料斗內(nèi)堆積和流動(dòng)的是固態(tài)的煤塊和煤粉的混合物，因此它們由上而下最后經(jīng)過(guò)收窄的料斗底部流動(dòng)出去的過(guò)程是比液態(tài)流體更復(fù)雜的固體流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。顆粒大小、塊粉混合比例、濕度、局部壓縮、局部黏滯、堆積料位高度、層流流動(dòng)界面的相互作用、塌陷等因素都有可能影響它們?cè)诹隙穬?nèi)的流動(dòng)速度或路徑，因而它們對(duì)料斗壁的作用力也會(huì)變化。料斗壁應(yīng)變的變化間接地反映出這種復(fù)雜的變化過(guò)程。有時(shí)煤倉(cāng)料斗內(nèi)的煤在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煤層內(nèi)部的局部空洞，隨著空洞的塌陷而產(chǎn)生對(duì)料斗壁的應(yīng)力沖擊，即如圖7中所示的“塌陷沖擊”現(xiàn)象。這種“塌陷沖擊”有時(shí)是由煤層上部的四壁掛煤塌陷產(chǎn)生的。煤層間的滑動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變化。通過(guò)增加應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)可以更全面地探知料斗內(nèi)部的煤料變化狀況。

不過(guò)需要特別指出的是，實(shí)踐中時(shí)而也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變曲線平臺(tái)現(xiàn)象（如圖8中圓圈內(nèi)的局部曲線）。它給人的錯(cuò)覺(jué)似乎這段期間停止排料，煤倉(cāng)料斗內(nèi)的料位沒(méi)有發(fā)生變化，但實(shí)際震動(dòng)篩出口仍在持續(xù)排料（流動(dòng)速度可能變慢），如圖9所示。這是由于傳感器安裝的部位位于傾斜度較緩的斜面之上，煤料在流動(dòng)中受到這個(gè)斜面的阻力最大，在這個(gè)斜面上最容易發(fā)生黏結(jié)、黏滯，其附近部位的煤料流速受其影響相對(duì)較慢，密度較大。當(dāng)形成如圖9所示的黏滯區(qū)和快速流動(dòng)區(qū)的局面時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)處的應(yīng)力和應(yīng)變暫時(shí)“凝固”而煤料仍在持續(xù)流出的情況。不過(guò)，隨著快速流動(dòng)區(qū)料位的下降，黏滯區(qū)的邊緣會(huì)發(fā)生脫落，應(yīng)變曲線也隨之快速下降，曲線恢復(fù)正常。

圖8 物料流動(dòng)狀況不同時(shí)的應(yīng)變曲線

圖9 煤料的黏滯和層流

五、測(cè)試結(jié)果和實(shí)施方案

通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)煤倉(cāng)料斗壁的應(yīng)變測(cè)量可以在一定程度上獲知料斗內(nèi)的煤料的運(yùn)動(dòng)變化情況，已測(cè)得的兩個(gè)煤倉(cāng)料斗的應(yīng)變信號(hào)變化規(guī)律具有代表性。

（2）進(jìn)一步通過(guò)對(duì)翻車(chē)線工作過(guò)程中煤倉(cāng)料斗壁應(yīng)變數(shù)據(jù)的特征分析，結(jié)合翻車(chē)線的控制信號(hào)可以構(gòu)造煤倉(cāng)料斗料位的測(cè)量系統(tǒng)。

所采用的實(shí)施方案和主要判斷方法如下：

（1）按應(yīng)變傳感器安裝要求在所選煤倉(cāng)料斗壁的位置進(jìn)行安裝，保證牢固可靠，定期準(zhǔn)確標(biāo)定，根據(jù)允許誤差合理設(shè)置高低料位閾值。

（2）將翻車(chē)線控制系統(tǒng)的準(zhǔn)備翻車(chē)控制信號(hào)、震動(dòng)篩工作信號(hào)和震動(dòng)篩空料檢測(cè)信號(hào)（震動(dòng)篩出口的接近開(kāi)關(guān)信號(hào)）提供給料位檢測(cè)系統(tǒng)。

（3）料位檢測(cè)系統(tǒng)在接到翻車(chē)控制系統(tǒng)準(zhǔn)備翻車(chē)信號(hào)時(shí)根據(jù)應(yīng)力信號(hào)判斷是否為高料位，并將判斷結(jié)果告知翻車(chē)控制系統(tǒng)。

（4）在震動(dòng)篩工作時(shí)根據(jù)應(yīng)變信號(hào)判斷是否到達(dá)低料位，達(dá)到低料位時(shí)告知翻車(chē)控制系統(tǒng)。

（5）在震動(dòng)篩工作時(shí)根據(jù)應(yīng)變信號(hào)在一定時(shí)間段內(nèi)是否變化（除排空時(shí)）判斷料斗出口是否堵塞。

（6）總結(jié)在不同料位下翻車(chē)時(shí)應(yīng)變的階躍變化規(guī)律，據(jù)此判斷是否出現(xiàn)大塊結(jié)狀煤料堵塞煤倉(cāng)入口處篦子的情況。翻車(chē)后應(yīng)變信號(hào)變化小且在未達(dá)到正常工作時(shí)的預(yù)期低料位時(shí)應(yīng)變信號(hào)突然下降過(guò)快則可能發(fā)生篦子堵塞。

（7）當(dāng)應(yīng)變信號(hào)未達(dá)到低料位值而震動(dòng)篩空料檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)，則可能是在檢測(cè)點(diǎn)上方出現(xiàn)空洞。

（8）在操作室顯示各個(gè)料斗的應(yīng)變信號(hào)曲線，有助于操作人員了解煤倉(cāng)料斗內(nèi)料位下降和煤層流動(dòng)是否順利。

六、結(jié)論

通過(guò)不斷實(shí)踐摸索，可以獲知應(yīng)變數(shù)據(jù)與煤倉(cāng)料斗內(nèi)煤料運(yùn)動(dòng)變化之間的更詳盡關(guān)系。采用應(yīng)變技術(shù)測(cè)量煤倉(cāng)料斗內(nèi)的料位，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，既消除了射線料位計(jì)的輻射安全隱患，又沒(méi)有激光、雷達(dá)、超聲波料位計(jì)受濃粉塵干擾之慮。煤料的密度和濕度雖然會(huì)影響料位的判斷精度，但差異過(guò)大時(shí)可通過(guò)調(diào)整判斷閾值予以補(bǔ)償修正。

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.10.007

王延高（1973—），男，秦皇島港股份有限公司第七港務(wù)分公司技術(shù)副經(jīng)理，高級(jí)工程師。