裴文華 汪春明 易 華

太倉武港碼頭有限公司 太倉 215400

0 引言

帶式輸送機(jī)是鐵礦石中轉(zhuǎn)散貨碼頭物料輸送的核心設(shè)備，其料斗結(jié)構(gòu)是影響物料能否順暢輸送的重要因素。對(duì)傳統(tǒng)料斗進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化改造，提高碼頭作業(yè)效率具有重要的意義。某帶式輸送機(jī)BC3A尾部料斗的結(jié)構(gòu)存在一些不足，無法滿足鐵礦石運(yùn)輸工況的需求，為解決這一問題，文本設(shè)計(jì)了一種適曲線漏斗。

1 BC3A尾部料斗結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及問題分析

1）BC3A尾部原料斗上下垂直高差接近11 m，鐵礦石硬度較高，原有傳統(tǒng)的撞擊式轉(zhuǎn)運(yùn)方式會(huì)對(duì)料斗壁產(chǎn)生極大的沖擊力，經(jīng)常出現(xiàn)襯板嚴(yán)重磨損，料斗被擊穿的情況，轉(zhuǎn)運(yùn)站部件使用壽命極短，維護(hù)困難。同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)過程中，無法及時(shí)停機(jī)進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)及下級(jí)帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)性能造成極大的安全隱患。

2）隨著業(yè)務(wù)提升，作業(yè)量加大，有效停機(jī)時(shí)間較少，無法及時(shí)處理缺陷問題，造成傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)站積料點(diǎn)增加，粘性較高的物料流經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)站后黏附率較高，堵料風(fēng)險(xiǎn)無法掌控，嚴(yán)重的影響作業(yè)安全及生產(chǎn)運(yùn)行。

3）BC2A至BC3A轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，應(yīng)用的轉(zhuǎn)運(yùn)站部件均為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的漏斗、落料管及導(dǎo)料槽，撞擊式改向運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)易產(chǎn)生大量粉塵，空間內(nèi)產(chǎn)生的粉塵壓力較高，大量粉塵隨壓力溢出轉(zhuǎn)運(yùn)站，并逸散至相應(yīng)廊道。

4）傳統(tǒng)導(dǎo)料槽無氣壓緩沖，落料過程中沖擊壓力無處釋放，造成導(dǎo)料槽易噴灰漏粉。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及工作總結(jié)，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)出適用于該轉(zhuǎn)運(yùn)站工礦的曲線料斗。拆除原有的底部料斗，增加了帶曲線弧形格柵導(dǎo)料板料斗，將傳統(tǒng)的溜管更改為曲線+倒角結(jié)構(gòu)，有利于控制料流速度，匯聚物料；同時(shí)可切換式導(dǎo)料板可在粘料及塊料間切換，通過不同物料時(shí)可選擇不同的通路，達(dá)到降低損耗的作用[1]。

2.2 電氣控制

如圖1所示，電氣控制箱操作界面包含電源指示燈、故障指示燈、粘料到位指示燈、塊料到位指示燈、就地/停止/遠(yuǎn)程切換旋鈕、啟動(dòng)至粘料通路按鈕、啟動(dòng)至塊料通路按鈕組成，電壓380 V，總功率5.5 kW。

圖1 電控箱面板

當(dāng)需要就地手動(dòng)操作時(shí)，將就地/停止/遠(yuǎn)程切換旋鈕切換至就地選項(xiàng)，此時(shí)為就地控制。根據(jù)物料種類，點(diǎn)擊啟動(dòng)至粘料通路按鈕或啟動(dòng)至塊料通路按鈕，指示燈亮起表示翻板動(dòng)作已到位，相應(yīng)通路已經(jīng)打開。

2.3 方案優(yōu)勢(shì)

1）曲線式轉(zhuǎn)運(yùn)站物料與管壁滑動(dòng)的過程中，產(chǎn)生阻力可有效地降低物料流經(jīng)速度，降低沖擊壓力，平滑流動(dòng)可極大地提升轉(zhuǎn)運(yùn)站的使用壽命。

2）曲線轉(zhuǎn)運(yùn)站管壁內(nèi)部采用埋弧堆焊耐磨襯板，耐磨襯板表面焊接后平滑無凹凸，可極大地降低粘料、堵料風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，料斗內(nèi)部增加曲線弧形帶格柵導(dǎo)流板，積料式結(jié)構(gòu)使輸送塊料過程中在格柵內(nèi)沉積物料，后下落物料與堆積物料形成料打料結(jié)構(gòu)，可大幅提升料斗的使用壽命。在運(yùn)輸粘料時(shí)，翻板翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，使粘料流經(jīng)料斗后部空間，進(jìn)一步降低堵料風(fēng)險(xiǎn)。

3）曲線式轉(zhuǎn)運(yùn)站將撞擊式改向轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)整為滑動(dòng)式轉(zhuǎn)運(yùn)，降低了物料在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中因沖擊而產(chǎn)生的揚(yáng)塵，避免由壓力過高產(chǎn)生噴粉噴塵。優(yōu)化后的新式沉降式導(dǎo)料槽采用聚氨酯防溢裙板結(jié)構(gòu)、雙層密封形式，可有效解決物料落下輸送帶后產(chǎn)生的飛濺、溢料及運(yùn)行中因速度發(fā)生的風(fēng)壓。兩者組合使用，最大限度減少運(yùn)行后的清理工作及轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)堆積死角的存在。

3 仿真模擬

3.1 項(xiàng)目模型及系統(tǒng)參數(shù)

建立仿真模型并進(jìn)行仿真，首先繪制傳統(tǒng)及優(yōu)化模型如圖2所示。輸入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況參數(shù)：系統(tǒng)落差為10 650 mm，頭尾滾筒為1 000/800 mm，上帶速度為4 m/s，下帶速度為4 m/s，上帶傾角為0°，下帶傾角為1°，輸送帶類型為EP300，鋼板厚度為20 mm，襯板類型為堆焊板，襯板厚度為20 mm。輸入物料特性參數(shù)：物料為鐵礦石，偏粘稠粒徑分布＜100 mm；輸送運(yùn)量為4 200 t/h，堆積密度為2 200 kg/m3，真實(shí)密度為2 500 kg/m3，堆積角為41°，鋼滑動(dòng)角為24°。

圖2 料斗仿真模型圖

3.3 仿真方案

根據(jù)該轉(zhuǎn)運(yùn)站的圖紙所創(chuàng)建三維模型，通過EDEM系列軟件進(jìn)行仿真模擬，傳統(tǒng)方案的仿真效果如圖3所示，優(yōu)化方案的仿真效果如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)方案的仿真效果圖

圖4 優(yōu)化方案的仿真效果圖

4 對(duì)比分析

通過對(duì)大量現(xiàn)有的轉(zhuǎn)運(yùn)站落料管的考察與分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)中普遍存在著磨損、輸送帶跑偏、掛料堵塞和揚(yáng)塵4種常見的問題，其主要與物料、材料和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)[2]。

4.1 幾何結(jié)構(gòu)分析

幾何結(jié)構(gòu)也可用沖擊點(diǎn)表示，傳統(tǒng)方案的沖擊點(diǎn)和沖擊角如圖5所示，優(yōu)化方案的沖擊點(diǎn)和沖擊角如圖6所示，主要對(duì)比分析沖擊角度和沖擊前后的速度如圖7及表1所示。

表1 沖擊點(diǎn)優(yōu)化前后的分析對(duì)比

圖5 傳統(tǒng)方案的沖擊點(diǎn)和沖擊角

圖6 優(yōu)化方案的沖擊點(diǎn)和沖擊角

圖7 整體速度曲線圖

根據(jù)傳統(tǒng)方案和優(yōu)化方案的整體料流情況對(duì)比，可可以直觀地看到優(yōu)化方案中物料速度趨于穩(wěn)定，且沖擊角度也得到較好地改善。

4.2 磨損分析

4.2.1 影響因素及原因

1）物料 密度大、體積大的塊狀物料對(duì)耐磨材料沖擊動(dòng)能大。

2）襯板 設(shè)備的耐沖擊性和耐磨性直接與襯板的使用壽命相關(guān)。

3）結(jié)構(gòu) 沖擊角度和沖擊速度影響了動(dòng)能損失量、法向沖擊和切向磨損轉(zhuǎn)化量。

當(dāng)沖擊角度越大，法向沖擊轉(zhuǎn)化量大，切向磨損轉(zhuǎn)化量小，因法向沖擊對(duì)襯板使用壽命的影響大于切向磨損，會(huì)導(dǎo)致襯板的磨損量大，進(jìn)而縮短了襯板使用壽命[3]。當(dāng)法向沖擊大于襯板承受力時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)損壞情況。

4.2.2 補(bǔ)充說明

根據(jù)能量守恒定律，在沖擊瞬間伴有快速能量轉(zhuǎn)換。從能量角度看，沖擊動(dòng)能Ed可能轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃文蹺s、彈性波動(dòng)能Eb、沖擊磨損所消耗的能Ek、熱能Er、其他能Eo(如聲能)等。

沖擊磨損所消耗的能量又可以分成法向沖擊（見圖8、圖9）和切向磨損（見圖10、圖11）2種。

圖8 傳統(tǒng)方案法向摩擦磨損（1 000 J）

圖9 優(yōu)化方案法向摩擦磨損（1 000 J）

圖10 傳統(tǒng)方案切向摩擦磨損（500 J）

圖11 優(yōu)化方案切向摩擦磨損（500 J）

4.2.3 分析說明

圖8～圖11分別為傳統(tǒng)方案和優(yōu)化方案圖例為1 000 J的法向摩擦和圖例為500 J的切向摩擦，根據(jù)2個(gè)方案的受料輸送帶和轉(zhuǎn)運(yùn)站的圖表參數(shù)對(duì)比（見圖12）可以得到以下結(jié)論：

圖12 設(shè)備摩擦磨損對(duì)比分析

1）從磨損著色分析，優(yōu)化前后的方案采用相同大小的著色圖例，然而從著色情況可以明顯地看出傳統(tǒng)方案比優(yōu)化方案的磨損情況更為嚴(yán)重；

2）從優(yōu)化方案與傳統(tǒng)方案中受料輸送帶和轉(zhuǎn)運(yùn)站（整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備）磨損對(duì)比可知，相對(duì)于傳統(tǒng)方案，優(yōu)化方案對(duì)受料輸送帶的磨損量減少近2/3，設(shè)備法向摩擦磨損也較大幅度減少，切向摩擦磨損有小幅度增加；

3）傳統(tǒng)方案中法向沖擊磨損比優(yōu)化方案嚴(yán)重，而優(yōu)化方案中切向摩擦磨損略微嚴(yán)重，優(yōu)化方案盡可能將沖擊磨損轉(zhuǎn)化成摩擦磨損，從而總體上減少磨損；

4）相對(duì)于傳統(tǒng)方案，優(yōu)化后方案出口處物料對(duì)受料輸送帶的沖擊角度和速度均降低，輸送帶的法向沖擊磨損和切向摩擦磨損均減少了一半以上，理論上優(yōu)化后可提高帶式輸送機(jī)一倍的使用壽命；

5）相對(duì)而言，傳統(tǒng)方案中物料對(duì)設(shè)備的沖擊點(diǎn)少，從斜管拋撒至受料輸送帶上幾乎沒有與設(shè)備發(fā)生碰撞。優(yōu)化方案則相反，物料從斜管拋撒后通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)添加了2處沖擊點(diǎn)，有效地緩解了對(duì)輸送帶的沖擊。

4.2.4 分析結(jié)論

在傳統(tǒng)方案中，物料對(duì)輸送帶的磨損較嚴(yán)重，對(duì)設(shè)備磨損較少。通過優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)之后，大幅減少了對(duì)輸送帶的磨損，略微增加了對(duì)設(shè)備的磨損。

4.3 跑偏分析

如圖13、圖14所示，通過EDEM軟件查看出料口截面并運(yùn)用軟件質(zhì)量分布傳感器分析物料在輸送帶上分布情況等方法來分析跑偏問題，具體可得出以下結(jié)論：

圖13 傳統(tǒng)料斗質(zhì)量分布傳感器分析情況

圖14 優(yōu)化料斗質(zhì)量分布傳感器分析情況

1）從料流截面來分析 以右側(cè)出料口為例，在傳統(tǒng)方案中，物料主要沖擊到緩沖鎖氣器的右側(cè)擋板，而幾乎不沖擊左側(cè)擋板，即右側(cè)擋板開口大小決定了物料落至輸送帶的位置。由于料流的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致緩沖鎖氣器的擋板變動(dòng)頻繁，以此時(shí)刻為例，該物料主要落至受料點(diǎn)右側(cè)[4]；

2）從輸送帶受力來分析 如料流截面的分析所述，物料沖擊帶式輸送機(jī)的方向與輸送帶的沖擊角隨著緩沖鎖氣器擋板的開口變化而變化，其速度約為7 m/s，物料具有較大的動(dòng)能，對(duì)輸送帶沖擊的不均勻性更嚴(yán)重；

3）從質(zhì)量分布的圖表來分析 如圖13、圖14所示，優(yōu)化方案的質(zhì)量分布更為居中，且優(yōu)化方案的沖擊點(diǎn)和角度均較小，有利于降低物料對(duì)輸送帶的磨損。

優(yōu)化方案較傳統(tǒng)方案物料落點(diǎn)更加居中，沖擊更加穩(wěn)定，有效減少輸送帶跑偏的情況發(fā)生。

4.4 掛料分析

4.4.1 影響因素及原因

1)物料 含水率較高、且粘性較大的粉末狀物料對(duì)耐磨材料黏著性大。

2)襯板 由于襯板的表面摩擦力，沖擊處后物料動(dòng)能較小，導(dǎo)致掛料。

3)結(jié)構(gòu) 沖擊角度和沖擊速度導(dǎo)致物料運(yùn)動(dòng)到非沖刷區(qū)（沖擊點(diǎn)上方及下方兩邊）。

若輸送含水率高且粘性大的粉末狀物料，由于沖擊角過大容易造成物料過于分散、部分物料飛濺到非沖刷區(qū)，且能量損失嚴(yán)重，沖擊后速度較小，當(dāng)非沖刷區(qū)物料動(dòng)能無法擺脫襯板的表面摩擦力時(shí)該區(qū)域就容易出現(xiàn)掛料、板結(jié)。隨著時(shí)間增長(zhǎng)，落料管徑逐步縮小，當(dāng)出現(xiàn)輸送物料截面大于可通過管徑時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[5]。

4.4.2 掛料數(shù)據(jù)

圖15、圖16分別為傳統(tǒng)方案及優(yōu)化方案中第2處沖擊點(diǎn)局部放大圖，2方案第1處沖擊角及結(jié)構(gòu)相同，第3處為料斗底部與輸送帶承接，基本無掛料。

圖15 傳統(tǒng)方案沖擊點(diǎn)

圖16 優(yōu)化方案沖擊點(diǎn)

4.4.3 分析說明

1）在傳統(tǒng)方案中，第1處沖擊點(diǎn)在傾斜的落料管處，物料經(jīng)過振動(dòng)沖擊較為分散，且沖擊位置為四方管死角位置，易形成物料堆積的狀況；

2）在傳統(tǒng)方案中，第2處沖擊點(diǎn)在第2段傾斜落料管處物料對(duì)落料管沖擊角度大，沖擊位置位于管道死角處，形成掛料；

3）在優(yōu)化方案中，通過將四方管優(yōu)化為六方管，使物料更加匯聚，保證了物料良好的流動(dòng)性；將下部導(dǎo)料管優(yōu)化，使用曲線給料匙結(jié)構(gòu)，減緩物料對(duì)設(shè)備的沖擊角度。同時(shí)通過倒角有效地解決了落料管掛料的問題。

4.4.4 分析結(jié)論

在傳統(tǒng)方案中，整體料流速度較快，存在短期大幅掛料的可能性較小。但是傳統(tǒng)落料管采用方形管，對(duì)于較粘的物料時(shí)，直角邊處可能存在掛料現(xiàn)象。

4.5 揚(yáng)塵分析

4.5.1 影響因素及原因

1）物料 含水率較低的粉末狀物料，物料粒徑越小，誘導(dǎo)風(fēng)對(duì)其影響越大；

2）結(jié)構(gòu) 沖擊角、沖擊速度、管徑和密封性，料流過于分散，不匯聚，影響了誘導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)速情況。

輸送物料中含水率較低的粉末狀物料在沖擊過程中沖擊角大、沖擊速度大、物料碰撞劇烈，導(dǎo)致物料分散程度大，進(jìn)而造成料流不穩(wěn)定且不均勻，產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)大，并影響到了后期除塵處理量。此外管徑越小，風(fēng)速越大，揚(yáng)塵越劇烈，且捕捉難度系數(shù)大。而輸送系統(tǒng)中密封性不好時(shí)，導(dǎo)致粉塵外溢，進(jìn)而影響了設(shè)備周圍的工作環(huán)境，甚至還有一定的粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

4.5.2 補(bǔ)充說明

揚(yáng)塵產(chǎn)生主要有2個(gè)方面的原因：其一是物料在運(yùn)動(dòng)過程中互相碰撞以及物料與管壁的碰撞引起粉塵；其二是物料在落料管中由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，不能產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻的料流。物料之間的空隙較大，氣流在物料的沖擊下，迅速進(jìn)入物料之間，形成了有效的誘導(dǎo)風(fēng)，使粉塵從料流中脫離出來。

4.5.3 分析說明

通過EDEM與CFD軟件進(jìn)行揚(yáng)塵的耦合分析最為準(zhǔn)確，而當(dāng)前通過物料分散性、速度（見圖17、圖18）、沖擊情況做簡(jiǎn)單分析可得出結(jié)論：由上述分析數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)方案的物料較為分散、沖擊角度較大、且速度較快，是造成揚(yáng)塵的主要原因，優(yōu)化方案對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)揚(yáng)塵問題有所改善。

圖17 傳統(tǒng)方案物料速度

圖18 優(yōu)化方案物料速度

4.5.4 分析結(jié)論

對(duì)比方案優(yōu)化前后情況，傳統(tǒng)方案揚(yáng)塵較為嚴(yán)重，且生成了較大的誘導(dǎo)風(fēng)。在優(yōu)化方案中，通過降低了各個(gè)沖擊點(diǎn)的劇烈碰撞，并改善的物料流動(dòng)性，有效地從源頭上達(dá)到治理揚(yáng)塵。

本優(yōu)化方案主要是通過采用EDEM軟件來對(duì)原始方案和優(yōu)化方案進(jìn)行仿真模擬，并從掛料、跑偏、磨損和揚(yáng)塵4個(gè)方面來進(jìn)行分析對(duì)比說明。通過優(yōu)化沖擊角度和控制料流速度的方法，讓物料在優(yōu)化方案中呈現(xiàn)近似勻速的下落，有效地改善了優(yōu)化方案內(nèi)磨損、跑偏、揚(yáng)塵等問題，提供了設(shè)備的運(yùn)行效率，也保證整個(gè)輸送系統(tǒng)的安全性和使用壽命。

5 結(jié)論

本文從傳統(tǒng)料斗優(yōu)化設(shè)計(jì)著手，主要通過模擬仿真，對(duì)比分析2種料斗在幾何機(jī)構(gòu)、磨損、輸送帶跑偏、掛料、揚(yáng)塵等方面的差異，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)料斗可有效改善物料通過轉(zhuǎn)運(yùn)站時(shí)原有的問題，提高設(shè)備運(yùn)行的效率、安全性和環(huán)保能力，極大地延長(zhǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的使用壽命，降低人工維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。