馬倩，韓建斌，馬愛(ài)霞，周朝輝

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450046）

0 引言

筒倉(cāng)是散裝物料的貯存設(shè)施，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、空間利用率高、保護(hù)環(huán)境、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤炭、化工、電力等行業(yè)［1］。環(huán)式給煤機(jī)是現(xiàn)代火電廠圓筒儲(chǔ)煤倉(cāng)下部專(zhuān)用的大型給煤機(jī)，是配合圓筒儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行儲(chǔ)、混、配煤的高效設(shè)備［2］，可均勻定量給煤，實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣煤的配用，提高電廠的整體經(jīng)濟(jì)效益［3］。

環(huán)式給煤機(jī)采用銷(xiāo)齒傳動(dòng)方式，適用于潤(rùn)滑條件差、粉塵多等惡劣的工作環(huán)境，具有承載能力大、加工制造簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)，大大降低了設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本；同時(shí)，環(huán)式給煤機(jī)采用了合理的密封裝置，做到了有效防塵、抑塵，改善了筒倉(cāng)內(nèi)部的工作環(huán)境；犁煤車(chē)體內(nèi)的犁煤爪設(shè)計(jì)為角度可調(diào)，更大限度滿(mǎn)足了不同卸煤出力的需求［4］。

但是，國(guó)內(nèi)多個(gè)環(huán)式給煤機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況表明，設(shè)備實(shí)際使用過(guò)程中存在撒煤、積煤、設(shè)備出力不足［5-7］等現(xiàn)象。卸煤車(chē)撒煤不僅影響了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且增加了車(chē)輪、軌道、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)齒條等機(jī)構(gòu)的磨損，同時(shí)造成了環(huán)境污染，清理工作需要耗費(fèi)大量的人力，增加了運(yùn)行成本。卸煤車(chē)積煤不僅會(huì)影響卸煤的出力，同時(shí)還增加了承煤盤(pán)的結(jié)構(gòu)受力，嚴(yán)重磨損承煤盤(pán)的耐磨面。影響卸煤出力的原因更多，例如選用了不合適的卸煤角度、卸煤開(kāi)口寬度、卸煤車(chē)運(yùn)行速度等。不同的卸煤角度和卸煤車(chē)運(yùn)行速度可以改變物料對(duì)卸煤板的沖擊位置和沖擊速度，從而影響卸煤板對(duì)承煤盤(pán)的阻轉(zhuǎn)作用和進(jìn)入落料斗的進(jìn)煤量；不合適的卸煤開(kāi)口寬度也會(huì)造成積煤和撒煤?jiǎn)栴}。因此，合理地設(shè)計(jì)與選用環(huán)式給煤機(jī)主要參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能、滿(mǎn)足使用要求至關(guān)重要。然而，環(huán)式給煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不可控因素較多，而目前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法大多采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，缺乏理論支持，因此很難掌握卸煤特性。數(shù)值模擬是一種反映客觀規(guī)律和進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的重要研究手段，目前有關(guān)環(huán)式給煤機(jī)卸煤過(guò)程的模擬研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文基于離散元法［8-9］（Discrete Element Method，DEM），應(yīng)用離散元分析軟件EDEM［10］對(duì)不同卸煤角度、卸煤開(kāi)口寬度、卸煤運(yùn)行速度下的卸煤車(chē)卸料過(guò)程進(jìn)行仿真分析，探究環(huán)式給煤機(jī)卸煤機(jī)理，為環(huán)式給煤機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、工作參數(shù)選取和工作性能預(yù)測(cè)提供一種新的研究途徑。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由犁煤車(chē)、卸煤車(chē)、驅(qū)動(dòng)裝置、行走軌道、落料斗、防除塵裝置及電氣控制系統(tǒng)組成［11］。卸煤車(chē)、犁煤車(chē)分別由不同數(shù)量的銷(xiāo)齒傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，繞瞬心做圓周運(yùn)動(dòng)，兩車(chē)運(yùn)行方向相反，速度不同。犁煤車(chē)運(yùn)行時(shí)，犁煤爪將犁煤車(chē)上的煤犁到卸煤車(chē)上，然后由卸料器的卸料擋板把卸煤車(chē)上的煤犁到車(chē)體旁的落煤斗中，最后落到下層皮帶輸送機(jī)上。圖1為環(huán)式給煤機(jī)卸煤裝置結(jié)構(gòu)。

圖1 環(huán)式給煤機(jī)卸煤裝置Fig.1 Coal unloading device of a ring-type coal feeder

2 數(shù)值模擬

2.1 離散元控制方程

離散元法把顆粒體系劃分為彼此獨(dú)立的對(duì)象，根據(jù)顆粒間的接觸模型和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，利用迭代算法計(jì)算固定時(shí)間間隔內(nèi)任一顆粒的受力與位移，然后更新全部顆粒的狀態(tài)，最后求得體系的宏觀運(yùn)動(dòng)特性，其在處理顆粒體系內(nèi)力的作用時(shí)遵循瞬態(tài)平衡原則［12］。離散元法的基本假設(shè)是：迭代計(jì)算的時(shí)間間隔選得足夠短，除了與顆粒接觸的對(duì)象，其他任何對(duì)象的作用都不考慮；同時(shí)，速度和加速度在該時(shí)間間隔內(nèi)恒定。離散元法的計(jì)算核心包含2個(gè)方面：一是接觸模型，即力與形變的關(guān)系；二是牛頓第二定律［13］。

基于接觸模型，根據(jù)位移計(jì)算作用于顆粒的力。根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算位移，顆粒i 的運(yùn)動(dòng)方程為

采用中心差分法對(duì)式（1）積分，以迭代時(shí)間步長(zhǎng)的中點(diǎn)表征更新速度

式中：Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；N為對(duì)應(yīng)的迭代開(kāi)始時(shí)間。

對(duì)式（2）積分，可計(jì)算更新后的位移

將更新的位移代入接觸模型求此時(shí)的接觸力，經(jīng)過(guò)不斷迭代，就可求得任何時(shí)間點(diǎn)顆粒的運(yùn)動(dòng)。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在利用EDEM 軟件進(jìn)行仿真之前，需要在其前處理器模塊設(shè)置相應(yīng)的仿真模型與參數(shù)，包括顆粒與幾何體的材料屬性，顆粒之間、顆粒與幾何體之問(wèn)的接觸屬性，顆粒粒徑分布，顆粒工廠生成條件等。

本仿真中的顆粒是經(jīng)過(guò)處理的煤塊，呈球形，環(huán)式給煤機(jī)的材質(zhì)為鋼，材料屬性見(jiàn)表1［14］。顆粒之間、顆粒與幾何體之間的接觸屬性見(jiàn)表2。

表1 材料屬性Tab.1 Characteristic of materials

表2 接觸屬性Tab.2 Contact characteristics

本文研究的環(huán)式給煤機(jī)為2 200 t∕h的雙環(huán)環(huán)式給煤機(jī)，內(nèi)環(huán)出力為900 t∕h，外環(huán)出力為1 300 t∕h，內(nèi)環(huán)犁煤車(chē)有3 個(gè)犁煤爪，外環(huán)犁煤車(chē)有5 個(gè)犁煤爪。仿真建模過(guò)程中，在內(nèi)環(huán)設(shè)置3 個(gè)均勻分布的1 000 mm×2 400 mm×500 mm 的顆粒工廠來(lái)模擬內(nèi)環(huán)犁煤爪的作業(yè)，在外環(huán)設(shè)置5 個(gè)均勻分布的1 000 mm×2 400 mm× 500 mm 的顆粒工廠來(lái)模擬外環(huán)犁煤爪的作業(yè)。環(huán)式給煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，犁煤車(chē)順時(shí)針運(yùn)行，卸煤車(chē)逆時(shí)針運(yùn)行，但本次模擬分析主要針對(duì)卸煤車(chē)的卸煤參數(shù)進(jìn)行研究，為了縮短計(jì)算時(shí)間及保證效率，設(shè)置顆粒工廠保持靜止，卸煤車(chē)相對(duì)其進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

3 模擬結(jié)果與分析

環(huán)式給煤機(jī)的運(yùn)行過(guò)程非常復(fù)雜，受多種因素的影響，本節(jié)結(jié)合建立的有限元模型和設(shè)置的顆粒工廠，對(duì)其卸料過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以探究卸料行為并揭示卸煤角度、卸煤開(kāi)口寬度以及卸煤車(chē)運(yùn)行速度等對(duì)卸料的影響。

3.1 卸煤角度對(duì)卸煤板受力及出力的影響

圖2 為內(nèi)環(huán)的卸煤板受力情況，從圖2 可以看出，卸煤板角度分別為30°，75°，90°時(shí)，卸煤板受力較大，角度為45°，60°時(shí)，卸煤板受力較小，45°時(shí)平均受力最小。圖3為內(nèi)環(huán)的承煤盤(pán)積煤情況，從圖3可以看出，卸煤板角度分別為75°，90°時(shí)，承煤盤(pán)上的積煤較多，角度為30°，45°，60°時(shí)，承煤盤(pán)上的積煤較少，45°時(shí)最少。換言之，承煤盤(pán)上的積煤越少，模擬過(guò)程中卸到落料斗中的積煤越多，出力越好。

模擬結(jié)果表明，環(huán)式給煤機(jī)卸料過(guò)程中，當(dāng)卸煤板角度為45°時(shí)，卸煤板平均受力最小，卸料出力最好。

3.2 卸煤開(kāi)口寬度對(duì)卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的影響

3.2.1 內(nèi)環(huán)卸煤開(kāi)口寬度的影響

為研究卸煤開(kāi)口寬度對(duì)卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的影響，根據(jù)該項(xiàng)目多年運(yùn)行情況，分別設(shè)置1 000，1 200，1 400，1 600，1 800，2 000 mm等5擋開(kāi)口寬度進(jìn)行仿真分析，如圖4—6所示。

圖2 卸煤板受力情況Fig.2 Force of the unloading plate

圖3 承煤盤(pán)積煤情況Fig.3 Coal accumulation of the bearing plate

圖4 內(nèi)環(huán)卸煤開(kāi)口寬度對(duì)卸煤板受力的影響Fig.4 Influence of the unloading openness width of the inner ring on the force of the unloading plate

從圖4 可以看出：開(kāi)口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時(shí)，卸煤板受力較大；開(kāi)口寬度為1 600，1 800 mm 時(shí)，卸煤板受力相對(duì)前者至少減少38%；開(kāi)口寬度為2 000 mm 時(shí)，卸煤板受力最小。開(kāi)口寬度為1 000，1 200，1 400，1 600 mm時(shí)，密封罩受力較大，開(kāi)口寬度為1 800，2 000 mm時(shí)，密封罩受力相對(duì)前者至少減少23%，如圖5 所示。圖6 可以看出：開(kāi)口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時(shí)，卸煤車(chē)出力有明顯增大趨勢(shì)，開(kāi)口寬度為1 600，1 800，12 000 mm時(shí)，卸煤車(chē)出力變化不大，表明當(dāng)開(kāi)口寬度大于等于1 600 mm時(shí)，對(duì)卸煤車(chē)出力影響不大。

圖5 內(nèi)環(huán)卸煤開(kāi)口寬度對(duì)密封罩受力的影響Fig.5 Influence of the unloading openness width of the inner ring on the force of the seal over

圖6 內(nèi)環(huán)卸煤開(kāi)口寬度對(duì)卸料出力的影響Fig.6 Influence of the unloading openness width of the inner ring on the unloading output

模擬結(jié)果表明，對(duì)于所設(shè)置的5擋參數(shù)，當(dāng)內(nèi)環(huán)卸煤開(kāi)口寬度為1 600 mm 時(shí)，對(duì)卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的綜合影響最小，開(kāi)口寬度最合適。

3.2.2 外環(huán)卸煤開(kāi)口寬度的影響

從圖7 可以看出：開(kāi)口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時(shí)，卸煤板受力較大；開(kāi)口寬度為1 600，1 800 mm 時(shí)，卸煤板受力相對(duì)前者至少減少22%；開(kāi)口寬度為2 000 mm 時(shí)，卸煤板受力最小。開(kāi)口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時(shí)，密封罩受力較大；開(kāi)口寬度為1 600，1 800，2 000 mm 時(shí)，密封罩受力相對(duì)前者至少減少16%，如圖8 所示。圖9 可以看出：開(kāi)口寬度為1 000，1 200，1 400 mm 時(shí)，卸煤車(chē)出力有明顯增大趨勢(shì)；開(kāi)口寬度為1 600，1 800，2 000 mm 時(shí)，卸煤車(chē)出力變化不大，說(shuō)明當(dāng)開(kāi)口寬度大于等于1 600 mm時(shí)，對(duì)卸煤車(chē)出力影響不大。

模擬結(jié)果表明，對(duì)于所設(shè)置的5擋參數(shù)，當(dāng)外環(huán)卸煤開(kāi)口寬度為1 600 mm 時(shí)，對(duì)卸煤板受力、密封罩受力及卸料出力的綜合影響最小。

圖7 外環(huán)卸煤開(kāi)口寬度對(duì)卸煤板受力的影響Fig.7 Influence of the unloading openness width of the outer ring on the force of the bearing plate

圖8 外環(huán)卸煤開(kāi)口寬度對(duì)密封罩受力的影響Fig.8 Influence of the unloading openness width of the outer ring on the force of the seal over

圖9 外環(huán)卸煤開(kāi)口寬度對(duì)卸料出力的影響Fig.9 Influence of the unloading openness width of the outer ring on the unloading output

3.3 卸煤車(chē)運(yùn)行速度對(duì)卸料出力的影響

為研究卸煤車(chē)運(yùn)行速度對(duì)卸料出力的影響，分別設(shè)置1.0，1.1，1.2 的卸煤車(chē)運(yùn)行速度倍數(shù)，仿真分析結(jié)果如圖10 所示。從圖10 可以看出：當(dāng)卸煤車(chē)運(yùn)行速度倍數(shù)為1.0，1.1，1.2 時(shí)，內(nèi)外環(huán)的卸煤出力并沒(méi)有明顯增加趨勢(shì)；隨著卸煤車(chē)運(yùn)行速度的增加，卸煤出力以更快的速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 卸煤車(chē)運(yùn)行速度和卸料出力的關(guān)系Fig.10 Relationship with the unloading vehicle velocity and the unloading output

模擬結(jié)果表明，卸煤車(chē)運(yùn)行速度的改變，并不能改變卸煤的最大出力，只能改變卸煤出力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度。

4 結(jié)論

（1）建立了基于離散元控制方程的環(huán)式給煤機(jī)有限元模型，模擬了環(huán)式給煤機(jī)卸煤運(yùn)行過(guò)程。模擬結(jié)果表明，環(huán)式給煤機(jī)卸料過(guò)程中，卸煤板角度為45°時(shí)，卸煤板受力最小，卸料出力最好。

（2）對(duì)于內(nèi)環(huán)出力為900 t∕h，外環(huán)出力為1 300 t∕h 的雙環(huán)環(huán)式給煤機(jī)，當(dāng)內(nèi)、外環(huán)卸煤開(kāi)口寬度為1 600 mm 時(shí)，對(duì)內(nèi)、外環(huán)卸煤板受力，密封罩受力及卸料出力的綜合影響最小，開(kāi)口寬度最合適。

（3）卸煤車(chē)運(yùn)行速度不能改變卸煤的最大出力，只能改變卸煤出力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度。

通過(guò)對(duì)環(huán)式給煤機(jī)卸煤參數(shù)的研究，不僅為實(shí)現(xiàn)環(huán)式給煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為解決環(huán)式給煤機(jī)積煤、撒煤、出力不足等問(wèn)題提供了理論支持。