秦 翥

(中國煤炭科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030)

帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽作為散料運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，在實際設(shè)計中，往往根據(jù)經(jīng)驗和對煤料特性的熟悉程度，直接套用公式或利用經(jīng)驗完成圖紙[1]。國內(nèi)外對轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化較多集中于如何通過增加部件實現(xiàn)煤料的最佳轉(zhuǎn)運(yùn)，如漏斗可調(diào)節(jié)擋料板、溜槽底部條篩及溜槽內(nèi)壁擋料架等[2]，較少通過優(yōu)化參數(shù)控制煤料轉(zhuǎn)運(yùn)時的卸運(yùn)軌跡。不合理的轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸條件設(shè)定將引發(fā)由于煤料運(yùn)行軌跡、落料角度引起的煤料堵塞、部件磨損、煤料粒度降低及粉塵污染等問題，造成生產(chǎn)安全隱患及作業(yè)環(huán)境惡劣[3]。

本文通過分析煤料在轉(zhuǎn)載溜槽中的運(yùn)行狀態(tài)與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，得出影響煤料卸運(yùn)軌跡的運(yùn)輸條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用基于離散單元法的EDEM軟件，利用Hertz-Mindlin無滑移模型及Moving Plane模型，對煤料在直線型轉(zhuǎn)載溜槽中的轉(zhuǎn)運(yùn)過程進(jìn)行可視化仿真，著重比較煤料在不同卸料輸送帶帶速及溜槽傾角下對轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的受力情況。研究結(jié)果旨在通過優(yōu)化轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)輸條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制煤料在轉(zhuǎn)運(yùn)時的運(yùn)行軌跡及能量損耗，為提高轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)輸性能及使用壽命提供新思路。

1 煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)的運(yùn)行軌跡

轉(zhuǎn)載溜槽具有約束煤料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中軌跡變化的作用，而轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)行條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)又與煤料的運(yùn)行軌跡密切聯(lián)系，如何通過優(yōu)化相關(guān)影響因素達(dá)到控制煤流的效果，是轉(zhuǎn)載溜槽在設(shè)計過程中必須考慮的重要因素。轉(zhuǎn)載溜槽的整體結(jié)構(gòu)一般包括：卸料輸送帶、卸料漏斗、落料溜槽與受料輸送帶四部分，煤料在卸運(yùn)過程中將經(jīng)歷勻速直線運(yùn)動、離心加速下落、擋板沖擊回彈、自由重力下落再到勻速直線運(yùn)動五個狀態(tài)，如圖1所示，從圖1中可以看出轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)直接決定了煤料的運(yùn)行狀態(tài)的變化。

圖1 煤料轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖

1.1 滾筒處煤料的卸運(yùn)轉(zhuǎn)載

煤料在到達(dá)卸料輸送帶與頭部滾筒相切點之前，將與卸料輸送帶以相同線速度共同運(yùn)動，當(dāng)?shù)竭_(dá)滾筒卸料點時，煤料卸運(yùn)將出現(xiàn)兩種情況，即：①煤料在卸料輸送帶與端部滾筒相切處卸載；②煤料隨卸料輸送帶運(yùn)行方向滑行一段距離后卸載[4]。以水平或向上運(yùn)輸?shù)男读陷斔蛶檠芯繉ο?，建立單元煤料在滾筒卸運(yùn)時的力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 單元煤料在滾筒處的卸運(yùn)受力圖

在忽略空氣阻力和煤料粘性的前提下，根據(jù)動力學(xué)原理，滾筒對煤料的作用力可以用式(1)進(jìn)行描述：

dF=dm·g·cosθ-dm·ν2/R

(1)

式中，dm表示煤料單元；θ表示輸送帶繞過卸料滾筒處與y軸的夾角；dFG表示單元煤料重力；δ表示卸料輸送帶傾角；v表示卸料輸送帶帶速(即煤料質(zhì)心沿運(yùn)輸方向的切向速度)；dF表示輸送帶對煤料的反作用力；R表示煤料單元運(yùn)動時的曲率半徑。當(dāng)物料離開滾筒時dF=0，則卸料輸送帶帶速可由式(2)進(jìn)行描述：

因此，當(dāng)卸料輸送帶帶速不同時，煤料離開滾筒的角度隨之變化，引起卸料運(yùn)行軌跡共同變化，從而影響煤料對卸料漏斗的沖擊力變化。

1.2 煤料在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換

煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)是由勢能向動能轉(zhuǎn)化的過程[5]，以直線型轉(zhuǎn)載溜槽為例，煤料從轉(zhuǎn)運(yùn)彎折處的自由落體運(yùn)動變?yōu)檠鼐哂幸欢▋A角的溜槽下滑運(yùn)動，其勢能可分解為沿溜槽方向的平行加速力及垂直于溜槽方向的摩擦阻力[6]。根據(jù)牛頓第二定律和能量守恒方程，煤料單元在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可用式(3)進(jìn)行描述：

式中，h表示轉(zhuǎn)載點到溜槽入口處的垂直距離；Vo表示溜槽內(nèi)煤料的出口速度；H表示溜槽卸料高度；γ表示溜槽傾角；WR表示功率損耗。

因此，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽卸料高度一定時，煤料下落時的能量轉(zhuǎn)換與卸料帶式輸送帶速度及溜槽傾角有關(guān)，當(dāng)傾角越大時，煤料的切向下滑作用力越大，而法向壓力越小，造成煤料對受料輸送帶的沖擊力變化。

從上述分析可知，通過設(shè)置合理的卸料輸送帶帶速及溜槽傾角，能夠有效控制煤料在卸料過程中的運(yùn)行軌跡，使煤料緊貼溜槽管壁滑行，減小煤料對轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)部件的沖擊力，有效控制煤料在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換。

2 轉(zhuǎn)載溜槽仿真模型建立

根據(jù)工程實例，利用三維建模軟件SOLIDWORKS建立直線型轉(zhuǎn)載溜槽的幾何模型，如圖3所示，模型相關(guān)參數(shù)詳見表1。

圖3 直線型轉(zhuǎn)載溜槽幾何模型示意圖

表1 帶式輸送機(jī)直線型轉(zhuǎn)載溜槽模型參數(shù)表

建模完成后以igs格式保存并導(dǎo)入EDEM軟件中，實現(xiàn)煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)的力學(xué)行為及其對部件性能影響程度的模擬與分析。

本文將使用單一參數(shù)變量法討論不同卸料輸送帶帶速及溜槽傾角下，煤料在卸運(yùn)過程中對關(guān)鍵部件的沖擊力變化。為簡化模擬過程，本次仿真作出如下假設(shè)：①忽略煤料顆粒間的黏粘性對流動特性的影響；②不考慮卸料過程中氣壓梯度對煤料流動特性的作用。

3 仿真參數(shù)設(shè)置

EDEM軟件的仿真結(jié)果受多方面因素影響，如：物料的硬度和密度等物理屬性、 物料間的摩擦屬性、 仿真顆粒的大小、導(dǎo)入模型的材料和運(yùn)動狀態(tài)、粒子工廠相關(guān)參數(shù)以及時間步長設(shè)置等[7]。EDEM可以通過導(dǎo)入顆粒模型再填充的方式實現(xiàn)不規(guī)則顆粒定義[8]，但是由于煤料顆粒形態(tài)具有復(fù)雜、多樣等特性，本次模型中均采用直徑為150mm的圓球形顆粒實現(xiàn)煤料單元的幾何外觀，通過方差為0.25的正態(tài)粒徑分布模型控制煤料顆粒大小及分布特征，生成粒子下落的初始速度為1m/s，做自由落體運(yùn)動，且卸料輸送帶帶速與受料輸送帶帶速相同。

本文運(yùn)用控制變量法，著重討論不同卸料輸送帶帶速及溜槽傾角下煤料對直線型轉(zhuǎn)載溜槽關(guān)鍵部件的作用力變化。構(gòu)成待仿真的直線型轉(zhuǎn)載溜槽及輸送帶材料主要包括鋼和橡膠，轉(zhuǎn)運(yùn)物料為煤，仿真時定義的煤炭、橡膠及鋼材屬性參數(shù)詳見表2。

表2 材料屬性參數(shù)表

仿真中的接觸關(guān)系主要包括三種：煤與煤接觸、煤與鋼接觸、煤與橡膠接觸。材料間的接觸屬性參數(shù)詳見表3。

表3 材料間的接觸屬性參數(shù)表

4 仿真結(jié)果分析

4.1 輸送機(jī)帶速對漏斗受力變化的影響

根據(jù)《DTII(A)帶式輸送機(jī)設(shè)計手冊》要求，轉(zhuǎn)載溜槽的卸料輸送帶帶速與卸料輸送帶帶寬相關(guān)，但在手冊上只明確規(guī)定了可設(shè)置的最大帶速，由前面分析可知，不同卸料輸送帶帶速影響煤料在卸運(yùn)過程中的運(yùn)行軌跡。將通過EDEM設(shè)置不同卸料輸送帶帶速，定量分析煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后對漏斗的沖擊力。

為了提高仿真的真實性和準(zhǔn)確性，在滿足帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽運(yùn)行功率的前提下，根據(jù)仿真模型卸料輸送帶帶寬為800mm，結(jié)合設(shè)計手冊要求，額定的卸料輸送帶帶速最高不能超過3.15m/s，分析中將分別選取低于或高于最高輸送帶帶速25%及50%的特殊數(shù)值進(jìn)行仿真，即：1.575m/s、2.3625m/s、3.15m/s、3.9375m/s、4.725m/s 五組卸料輸送帶帶速。仿真運(yùn)行結(jié)束，通過后處理并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中，分析煤料對漏斗受力變化趨勢，如圖4所示。

圖4 受力變化-時間圖

利用仿真數(shù)據(jù)得出不同卸料輸送帶帶速下煤料對漏斗的受力平均值及受力持續(xù)時間，結(jié)果詳見表4。

表4 不同卸料輸送帶帶速下煤料對漏斗的受力平均值及受力持續(xù)時間

由表4可知，當(dāng)卸料輸送帶帶速低于額定帶速時，漏斗的受力平均值較低且受力持續(xù)時間較短，通過五組數(shù)據(jù)的比對分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶速低于額定帶速25%的時候，漏斗的受力平均值最小且持續(xù)時間最短，而當(dāng)帶速高于設(shè)計額定帶速時，漏斗的受力平均值增漲量較為明顯。

4.2 溜槽傾角對受料輸送帶受力變化的影響

溜槽傾角的大小是溜槽設(shè)計的關(guān)鍵[9]，關(guān)系到物料能否在溜槽中的平穩(wěn)流動，最優(yōu)溜槽結(jié)構(gòu)應(yīng)保持煤料離開溜槽后加載到受料輸送帶中心，且煤料出口的水平速度應(yīng)盡可能接近受料輸送帶的水平速度[10]。在保持卸料高度相同的情況下，通過設(shè)置不同溜槽傾角，比對煤料經(jīng)過溜槽后對受料輸送帶的受力變化關(guān)系。在 EDEM仿真過程中，分別設(shè)置溜槽傾角為30°、45°及60°進(jìn)行仿真，通過后處理并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件分析煤料對受料輸送帶的受力變化趨勢，如圖5所示。

圖5 不同溜槽傾角下煤料對受料輸送帶的合力變化圖

利用仿真數(shù)據(jù)得出不同轉(zhuǎn)載溜槽傾角下煤料對受料輸送帶的受力平均值及受力持續(xù)時間，結(jié)果詳見表5。

由表5可知，通過三組數(shù)據(jù)的比對分析，在其他參數(shù)相同的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽傾角角度越大時，受料輸送帶的受力平均值越高、持續(xù)時間越長，但傾角過小將存在堵料的風(fēng)險；不同溜槽傾角下煤料運(yùn)量變化趨勢如圖6所示，當(dāng)傾角越大時，漏料問題較為明顯。因此，在轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)落差高度一定時，應(yīng)在保證不堵料的情況下，盡量減小溜槽傾角，減緩物料在輸送帶法向上的作用力。

表5 不同轉(zhuǎn)載溜槽傾角角度下煤料對受料輸送帶的受力平均值及受力持續(xù)時間

圖6 不同溜槽傾角下煤料運(yùn)量變化趨勢圖

5 結(jié) 論

1)分析了煤料運(yùn)行軌跡與直線型轉(zhuǎn)載溜槽運(yùn)行設(shè)定參數(shù)及結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，得出卸料輸送帶帶速及溜槽傾角對煤料在卸運(yùn)時的下落軌跡及能量轉(zhuǎn)換影響較大。

2)采用基于離散單元法，分析了5組不同卸料輸送帶帶速下，煤料對卸料漏斗的受力變化趨勢、受力平均值及受力持續(xù)時間。結(jié)果表明，當(dāng)卸料輸送帶帶速低于額定帶速時，漏斗的受力平均值較低且受力持續(xù)時間較短，當(dāng)帶速低于額定帶速25%的時候，漏斗受力平均值最小且受力持續(xù)時間最短，而當(dāng)帶速高于額定帶速時，漏斗的受力平均值增漲量較為明顯。

3)在保持卸料高度相同的情況下，在EDEM中設(shè)置3組不同溜槽傾角數(shù)值，研究煤料對受料輸送帶的受力變化趨勢、受力平均值及受力持續(xù)時間。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽傾角角度越大時，受料輸送帶的受力平均值越高、受力持續(xù)時間越長。

4)利用仿真結(jié)果可以驗證，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)載溜槽的運(yùn)輸條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠控制煤料在卸運(yùn)時的運(yùn)行軌跡，使煤料緊貼溜槽管壁滑行，減小煤料對轉(zhuǎn)載溜槽關(guān)鍵部件的磨損，為礦用設(shè)備節(jié)能、降耗的綠色發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。