余 浩，劉紅梅,2，田俊杰，張 健，艾聞博，姚 慶

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

散裝物料裝載與運(yùn)輸普遍存在于建材、煤炭、冶金、礦業(yè)、化工和糧食等領(lǐng)域中，帶式輸送機(jī)在散料運(yùn)輸過程中具有重要地位[1]。帶式輸送機(jī)作為主要運(yùn)輸設(shè)備，常因輸送過程中物料分布不均勻而引起輸送帶的跑偏，進(jìn)而使輸送帶邊緣產(chǎn)生撕裂，導(dǎo)致物料灑落[2]，造成嚴(yán)重?fù)p失。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)帶式輸送機(jī)更大輸送量的需求，以及對(duì)不同物料混合輸送的要求，對(duì)輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。由于目前帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中存在輸送帶磨損及跑偏問題，因此，不得不減少輸送帶上物料輸送量來確保輸送過程中的安全性和連續(xù)性，影響了企業(yè)生產(chǎn)效益。

本文針對(duì)某建筑固廢處理企業(yè)骨料運(yùn)輸過程中，輸送帶的跑偏問題展開研究，通過三維軟件SolidWorks建立系統(tǒng)模型，應(yīng)用EDEM軟件對(duì)骨料輸送過程中輸送帶跑偏過程進(jìn)行仿真研究，給出評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 離散單元法理論

離散單元法(DEM)自1971年提出以來，其模型和算法都在不斷的改進(jìn)和發(fā)展，在散體分析領(lǐng)域具有很大的優(yōu)越性，已成為研究散體物料與邊界相互作用和顆粒群體動(dòng)力學(xué)問題的通用方法[3]。離散單元法[4]用于計(jì)算帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中骨料運(yùn)行情況，可仿真每個(gè)骨料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，顆粒與顆粒相互作用，顆粒與邊界的相互作用，通過求解和后處理，可得到具有高參考價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，用于優(yōu)化皮帶機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5-7]。

1.1 離散單元計(jì)算模型

離散單元基本運(yùn)動(dòng)方程[8]為

(1)

m為顆粒質(zhì)量；Χ為顆粒位移；t為分析時(shí)間；c為顆粒間黏性阻尼系數(shù)；k為顆粒剛度；F為施加載荷。

(2)

Δt為計(jì)算時(shí)步。

則單元在t時(shí)刻的速度與加速度為：

(3)

(4)

可以運(yùn)用循環(huán)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。循環(huán)計(jì)算滿足2組方程即可，這些方程是動(dòng)力學(xué)方程：牛頓第二定律運(yùn)動(dòng)方程和力學(xué)位移方程。圖1為離散元法計(jì)算模型。

圖1 離散元法計(jì)算模型

1.2 離散元法單元模型

接觸模型是離散元法的基礎(chǔ)，離散元法接觸模型依據(jù)接觸方式分為2種，分別為硬球模型和軟球模型[9]。硬球模型[10]是完全忽略顆粒形變，通過顆粒間相對(duì)位置與動(dòng)量和角動(dòng)量守恒求解碰撞動(dòng)力過程，其中非完全彈性碰撞特性和摩擦通過恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)引入，多應(yīng)用于求解二體碰撞動(dòng)力學(xué)，故只能適用稀疏快速顆粒流。軟球模型[11-12]通過計(jì)算顆粒間受力、形變及求解過程，可適用于多體動(dòng)力學(xué)。由于輸送帶運(yùn)輸?shù)氖窃偕橇?主要成分是石、砂)，考慮到運(yùn)輸過程中骨料顆粒之間、骨料與輸送帶，及骨料與導(dǎo)料槽接觸碰撞，采用Hertz-mindlin (no slip)軟球模型。在軟硬球模型基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出針對(duì)非球形顆粒碰撞過程的硬顆粒模型(GHPM)[13]和軟顆粒模型(SIPHPM)[14]。

EDEM軟件可以為固體顆粒系統(tǒng)建立參數(shù)化模型，通過導(dǎo)入真實(shí)顆粒的CAD模型來準(zhǔn)確描述顆粒的形狀，通過添加力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)來建立顆粒模型，并且在模擬過程中把生成的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

EDEM軟件處理模型時(shí)，對(duì)于顆粒間的接觸作用力體現(xiàn)形式用彈性阻尼器和滑動(dòng)摩擦元件呈現(xiàn)[15]。通過局部坐標(biāo)系對(duì)摩擦元件和彈性阻尼器分別用切線方向和法線方向來設(shè)定。當(dāng)摩擦力小于切向力時(shí)，模型單元間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)位移，摩擦元件產(chǎn)生摩擦阻力；當(dāng)摩擦力較大時(shí)不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，此時(shí)只有彈性阻尼器產(chǎn)生作用，此模型可視為剛性，顆粒間接觸模型如圖2所示。其中，kt、kn為剛度系數(shù)；ct、cn為阻尼系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)。

圖2 顆粒間接觸模型

2 仿真模型創(chuàng)建及數(shù)據(jù)分析

2.1 研究對(duì)象

本文主要關(guān)注帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸物料過程中因?yàn)槁淞蠁栴}而導(dǎo)致輸送帶產(chǎn)生跑偏的問題，在對(duì)企業(yè)調(diào)研過程中分析其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線上帶式輸送機(jī)輸送帶出現(xiàn)跑偏問題主要在其導(dǎo)料過程(即落料過程)。在生產(chǎn)中需要將物料分別送入不同料庫中，而因?yàn)樯a(chǎn)空間布局等多因素問題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)站高度也存在差異，這造成了生產(chǎn)線上不同高度轉(zhuǎn)運(yùn)站下段的受料輸送帶出現(xiàn)程度不一的跑偏現(xiàn)象。同時(shí)，在生產(chǎn)調(diào)整過程中，會(huì)對(duì)帶式輸送機(jī)帶速進(jìn)行改變以維持生產(chǎn)線運(yùn)行，這有時(shí)也會(huì)造成輸送帶出現(xiàn)跑偏問題。再者，對(duì)于建筑固廢生產(chǎn)企業(yè)來說，需要維持企業(yè)生產(chǎn)線上粉塵污染不超標(biāo)，因此，為達(dá)到降塵標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)運(yùn)輸?shù)奈锪项w粒進(jìn)行降水除塵處理，這也使得物料流在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中出現(xiàn)偏移引起輸送帶跑偏現(xiàn)象。因此，針對(duì)這些問題，對(duì)物料顆粒以不同落料高度、不同落料速度及不同顆粒濕度等條件探究其在導(dǎo)料過程中運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用單因素變量法分析各變量對(duì)下段受料輸送帶跑偏情況的影響。

以生產(chǎn)線上帶式輸送機(jī)輸送物料(石、砂混合物為主)作為運(yùn)輸材料。其顆粒模型如圖3所示，顆粒與材料屬性如表1所示，接觸參數(shù)如表2所示。

圖3 顆粒模型

表1 顆粒與材料屬性

表2 接觸參數(shù)設(shè)置

對(duì)于下段輸送帶因受料不均而引起的跑偏問題，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為輸送帶左右兩側(cè)物料質(zhì)量比與導(dǎo)料槽出口處物料顆粒的Z方向速度，其質(zhì)量比值與1的差距越小說明輸送帶兩側(cè)質(zhì)量越均勻，輸送帶跑偏趨勢(shì)較??；反之，越不均勻，輸送帶易跑偏，趨勢(shì)較大。其在下段輸送帶中的位置如圖4所示。圖4是投影水平垂直的2條輸送機(jī)在進(jìn)行物料輸送，上段輸送帶通過導(dǎo)料槽將物料運(yùn)輸?shù)较露屋斔蜋C(jī)上進(jìn)行輸送，輸送機(jī)運(yùn)輸量為70 kg/s，輸送帶帶寬為800 mm，帶速為1.5 m/s。

圖4 各監(jiān)測(cè)域位置設(shè)置

2.2 不同高度下物料顆粒對(duì)輸送帶跑偏仿真

在實(shí)際生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)，不同高度轉(zhuǎn)運(yùn)站下段輸送帶跑偏程度不一，因此將落料高度設(shè)置為單一變量，通過落料高度變化觀察其對(duì)下段輸送帶跑偏程度影響。

本文對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置不同高度以驗(yàn)證其對(duì)物料流的導(dǎo)向作用，高度差以0.4 m為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)運(yùn)站高度分別為2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m。并對(duì)其不同高度下物料顆粒落料口處速度與下段輸送帶上左右物料質(zhì)量比進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 不同高度下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比

由表3可知，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)站高度分別為2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m時(shí)，物料流在導(dǎo)料槽落料口處合速度依次為1.342 m/s、1.438 m/s、1.512 m/s、1.596 m/s、1.623 m/s，隨著帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站高度的增加，物料顆粒下落到導(dǎo)料槽落料口處合速度也在增加，沿著X、Y、Z方向的各速度也處于上升趨勢(shì)。在實(shí)際的轉(zhuǎn)運(yùn)站中，物料顆粒在轉(zhuǎn)運(yùn)中與導(dǎo)料槽底部進(jìn)行碰撞轉(zhuǎn)彎主要轉(zhuǎn)為X方向速度，與輸送帶運(yùn)輸方向相一致，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖5所示。

圖5 物料顆粒流在導(dǎo)料槽底部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

隨著轉(zhuǎn)運(yùn)站高度的增加，則物料顆粒的合速度在導(dǎo)料槽底部產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，主要轉(zhuǎn)為X方向速度，這是轉(zhuǎn)料站高度增加時(shí)，物料流動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)為下段沿輸送帶運(yùn)輸方向，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)站2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m的高度，其物料流X方向速度分別為1.305 m/s、1.410 m/s、1.495 m/s、1.591 m/s、1.608 m/s。說明轉(zhuǎn)運(yùn)站高度越大，X方向速度(沿著輸送帶速度方向、負(fù)號(hào)為物料顆粒流方向)越大。對(duì)比物料顆粒流在導(dǎo)料槽出料口處Y方向速度(垂直于輸送帶方向)，不同高度轉(zhuǎn)運(yùn)站下Y方向速度分別為0.018 m/s、0.034 m/s、0.060 m/s、0.106 m/s、0.124 m/s，隨著物料落料高度的增加，物料流的Y方向速度(負(fù)號(hào)為物料顆粒流方向)也在增加，說明勢(shì)能一部分轉(zhuǎn)為與轉(zhuǎn)彎處接觸磨損消耗，另一部分轉(zhuǎn)為物料流顆粒動(dòng)能。對(duì)于物料流Z方向速度即沿輸送帶側(cè)向速度，其關(guān)乎在下段輸送帶左右兩側(cè)的物料分布情況。對(duì)于5種不同高度的轉(zhuǎn)運(yùn)站，其對(duì)應(yīng)Z方向速度分別為0.007 m/s、0.019 m/s、0.064 m/s、0.071 m/s、0.099 m/s。說明隨著轉(zhuǎn)運(yùn)站高度增加，物料顆粒流Z方向速度增大，物料顆粒流逐漸向輸送帶右側(cè)堆積，導(dǎo)致輸送帶左右兩側(cè)質(zhì)量差增大，其質(zhì)量比與均衡值1之間差值增大，輸送帶跑偏趨勢(shì)變大。

2.3 不同落料速度下物料顆粒對(duì)輸送帶跑偏仿真

在分析輸送帶落料不均引起的輸送帶跑偏問題，需要關(guān)注落料速度對(duì)其落料分布的影響。物料顆粒的初始速度(落料速度)是由上段輸送帶輸送速度直接決定的，在生產(chǎn)實(shí)際中隨著輸送量與生產(chǎn)工況的不同，輸送帶帶速也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，故對(duì)物料顆粒的落料速度進(jìn)行研究，分析不同落料速度下物料顆粒對(duì)輸送帶跑偏的影響。對(duì)物料顆粒落料速度以0.5 m/s為速度差，分別施加0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s落料速度。不同落料速度下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

表4 不同落料速度下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比

由表4可知，隨著物料顆粒落料速度的增加，則物料流顆粒下落到導(dǎo)料槽底部出料口的合速度也在上升，X方向速度、Y方向速度和Z方向速度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在實(shí)際物料輸送系統(tǒng)中，上段輸送帶帶速增加，則物料流顆粒初速度增加，在經(jīng)過導(dǎo)料槽上部的擋板與導(dǎo)料槽底部的轉(zhuǎn)彎處使物料顆粒流產(chǎn)生二次變向，由于物料顆粒流與轉(zhuǎn)運(yùn)站接觸、物料顆粒與物料顆粒接觸而損失一部分動(dòng)能，但整體趨勢(shì)是相一致的，隨著上段輸送帶速度(即物料流顆粒初始落料速度)增加，其在導(dǎo)料槽底部合速度及其各方向速度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，對(duì)于Z方向速度，其增加意味著輸送帶左右兩側(cè)物料質(zhì)量差呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)，即輸送帶兩側(cè)質(zhì)量比與均衡值1差距越發(fā)拉大，說明隨著物料流初始速度增加，其達(dá)到導(dǎo)料槽底部各項(xiàng)分速度也呈增加趨勢(shì)，輸送帶左右兩側(cè)質(zhì)量差增大，輸送帶側(cè)向跑偏趨勢(shì)加大。

2.4 不同物料濕度對(duì)輸送帶跑偏仿真

在物料顆粒輸送過程中，生產(chǎn)線上出于降低粉塵需要會(huì)在上段輸送帶前端設(shè)置噴水壓塵裝置，因此會(huì)使物料濕度產(chǎn)生變化引起其落料在下段輸送帶的分布不均造成輸送帶跑偏現(xiàn)象，故對(duì)物料設(shè)置不同濕度以分析其對(duì)輸送帶跑偏的影響。在EDEM中，由于物料顆粒的含水量不同，物料顆粒表面能也不同，且物料濕度與物料顆粒表面能呈正相關(guān)關(guān)系，故用表面能表示物料顆粒濕度。對(duì)物料顆粒表面能分別設(shè)置為0、100 J/m3、200 J/m3、300 J/m3、400 J/m3。不同物料顆粒表面能下物料出料口速度與下段輸送帶上左右物料質(zhì)量比進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同物料顆粒表面能下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比

由表5可以知道，隨著物料顆粒的濕度增大，其在導(dǎo)料槽底部出料口的合速度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，X方向速度、Y方向速度和Z方向速度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在實(shí)際物料輸送系統(tǒng)中，隨著物料間濕度加大，會(huì)增加物料顆粒與顆粒之間的粘結(jié)力，造成能量損失，同時(shí)物料顆粒還存在與導(dǎo)料槽之間接觸碰撞而引起能量損失，進(jìn)一步減小了物料顆粒流在出料口的合速度以及各項(xiàng)分速度，因此對(duì)于Z方向速度越發(fā)減小，而造成物料流顆粒在下段輸送帶上越發(fā)居中，輸送帶兩側(cè)質(zhì)量比與均衡值1越來越接近，也就是輸送帶上物料分布均勻，輸送帶跑偏趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。

不同物料顆粒表面能下輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和如圖6所示。

圖6 不同物料顆粒表面能下輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和

由圖6可知，物料顆粒表面能為0時(shí)輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為140.64 kg，物料顆粒表面能為100 J/m3時(shí)輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為139.32 kg，物料顆粒表面能為200 J/m3時(shí)輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為139.02 kg，物料顆粒表面能為300 J/m3時(shí)輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為138.38 kg，物料顆粒表面能為400 J/m3時(shí)輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為137.43 kg。說明隨著物料顆粒濕度加大，其易粘聚成團(tuán)，且容易附著導(dǎo)料槽，造成導(dǎo)料槽產(chǎn)生堵塞，減少物料輸出量。因此，在建筑固廢處理過程中使用澆水降塵時(shí)對(duì)用水量需要進(jìn)行注意，防止用水量過大導(dǎo)致物料顆粒粘稠堵塞導(dǎo)料槽。

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用單因素控制變量法，通過EDEM仿真計(jì)算，分析了不同落料高度、不同落料速度及不同濕度狀態(tài)下對(duì)物料流在導(dǎo)料槽出料口處速度與輸送帶跑偏的影響。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，物料落料高度、落料速度及物料顆粒濕度對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生影響，在此情況下單一改變某一參數(shù)會(huì)降低輸送帶跑偏趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)：在一定條件下輸送帶跑偏趨勢(shì)隨落料高度增加而增加，也隨落料速度增加而增加，但是與物料濕度成相反趨勢(shì)，即物料濕度增大，輸送帶跑偏趨勢(shì)減小，但需注意物料濕度增加，物料附著導(dǎo)料槽影響下段輸送帶受料。本文的研究對(duì)后期帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站系統(tǒng)研究、降低輸送帶跑偏頻率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性起到促進(jìn)作用。