基于EDEM仿真技术分析物料特性对落料管结构的影响

胡 斌 ，陈长健

(1.华润电力控股有限公司，广东 深圳 518001；2.华润电力(仙桃) 有限公司，湖北 仙桃 433000)

落料管是转运站设备的重要部分，在输送、密封、调节工艺流程以及合理物料分布等方面起着重要的作用；散料在运输过程中，落料管的结构设计不当易造成堵料、粉尘污染、设备严重磨损等问题[1-10]。散料的各种特性对落料管的影响有所不同，需要设计转运站的结构也有所差异。在设计之初，只有正确、全面地考虑散料的特性，才能保证设备正常运行。

1 散状物料的特性与种类

散状物料的特性于1977年已有统一的解释与定义，在国际标准ISO 3435《输送机运输散状物料分类和代号》中建立散装材料的分类和符号化，确保输送机设计者在设计输送机时获得最详尽和唯一标准规定的描述。

散料种类繁多，如煤炭、矿石、谷物、土壤、砾石等，大小和形状差异很大，在落料管中的流动行为具有复杂性。如大型采石场岩石会产生强力冲击，沙子精细高度磨蚀流动性强，黏土类的黏性物料易板结在设备上等。各种物料颗粒的粒径、密度及黏性等参数对落料管的正常工作具有很大的影响。

由于物料本身具有复杂特性，因而运用传统的运算难以得到清晰的分析结论。以下将借助EDEM系列软件并结合DEM离散单元法的仿真模拟技术，用于模拟物料颗粒、设备材料等方面的实际工况，且模拟任意大小、形状的真实材料以及物料之间和物料与设备之间的相互作用，分别针对物料种类以及物料特性对落料管的作用进行仿真分析对比说明。EDEM模拟真实材料示意如图1所示。

2 物料校准原则

EDEM系列软件的原理是通过牛顿运动定律和材质间的接触模型来计算每一个颗粒的运动与碰撞，通过大量迭代运算，最后得到整体物料流动的结果，从而为设计提供了有力、准确可靠的依据。

物料校准是EDEM系列软件仿真模拟最为核心的一部分，也是关系到最终仿真结果的准确性。所谓物料校准是指把虚拟的物料模型通过实验、调节参数，达到与现实效果几乎一致的过程。在仿真模拟之前，对该工况下所使用的物料进行标定实验，从中获取相关实验数据；之后通过计算机模拟标定实验，并根据仿真结果进行适当地调整EDEM系列软件中相应的参数，使得EDEM仿真结果与实验数据相一致，则表示物料完成了校准的工作，从而保证了仿真模拟的真实性、可靠性。

3 物料种类分析

以某项目中转运站为例，EDEM仿真模型如图2所示。该电厂以1 000 t/h的运量分别输送褐煤、烟煤及无烟煤3种物料,皮带运速为3 m/s，设备高度为9.5 m。

图2 EDEM仿真模型

通过EDEM软件建立物料的颗粒模型，即通过绘制单个或多个小球的模型进行填充物料，使物料更加真实。此次仿真中建立了双球、三球颗粒模型，双球模型直径为36 mm，三球模型直径为52 mm。EDEM仿真颗粒模型如图3所示。

图3 EDEM仿真颗粒模型

根据3种物料的属性定义物料的真密度、泊松比、杨氏模量和剪切模量、物料粒径分布及物料接触模型。主要物料的密度、粒径及黏附性对比见表1，褐煤、烟煤、无烟煤的接触参数设置分别见表2、表3、表4。

表1 褐煤、烟煤及无烟煤物料特性对比表

表2 褐煤接触参数设置

表3 烟煤接触参数设置

表4 无烟煤接触参数设置

以EDEM BulkSim仿真设定种不同物料在相同输送条件下对同一落料管的作用进行对比分析。

3.1 运动形式分析

料流的运动形式与设备的磨损、跑偏及扬尘等问题都有直接的关系。例如料流的冲击点(冲击角度和冲击前后的速度)对设备的磨损有直接的影响，跑偏则是由于落料管的结构设计对料流的聚散程度的影响，料流速度过快也极易产生扬尘。褐煤、烟煤、无烟煤整体速度如图4所示，3种不同物料在落料管中的落差值:褐煤的平均运动速度最快，其次为烟煤。褐煤作为煤化程度最低的低阶煤，其颗粒较小，密度不大，没有黏性；在落料管中运动速度较烟煤与无烟煤要快，对落料管的冲击更大；3种煤的落料速度变化趋势总体一致，褐煤的变化程度明显，无烟煤由于其颗粒的粒径较大，运动趋势的变化比较提前，但同运量下，质量密度大，料流量小，相对而言对落料管冲击量较小。

图4 褐煤、烟煤、无烟煤整体速度曲线图

根据能量守恒定律与动能定理，物料在运动过程中，冲击落料管的瞬间，物料的动能转化为对设备的势能，可能为塑性变形能、热能、声能等。所述能量的转化造成了设备的磨损。

3.2 磨损分析

根据该转运站落料管内物料的运动情况，物料的冲击动能损耗部分能量主要转化为冲击磨损所消耗的能量上。而冲击磨损所消耗的能量根据Relative Wear计算模型又可分成法向累积接触能、切向累积接触能两种能量。EDEM BulkSim导出数据分析整理如图5、图6所示。

图5 褐煤、烟煤、无烟煤切向摩擦磨损对比分析图

图6 褐煤、烟煤、无烟煤切向冲击磨损对比分析图

3类物料对落料管的作用变化与速度变化对比基本一致，褐煤与烟煤的基本作用位置均在给料匙处，褐煤与烟煤在速度变化的最明显处也在给料匙处，可验证能量守恒定律。

褐煤产生的磨损远大于烟煤及无烟煤，原因在于褐煤粒径较小、无黏性、散料流量大、速度快且松散，在落料管中的运动形式并未完全紧贴料管壁，散料流直接冲击落料管壁而造成冲击角度与另外两者对比较大。给料匙处料流速度如图7所示。

(a)褐煤 (b)无烟煤 (c)烟煤图7 给料匙处料流速度图

由于不同种类物料间的密度、粒度等不同，输送物料的不同会影响冲击角度、冲击力度和势能，从而对落料管的冲击磨损造成不同的影响。冲击角度越大，料流量越大，造成的势能冲击越大，磨损更严重。

3.3 扬尘分析

对于细小且干燥的物料、落料管的构造不合理极易造成扬尘，因散料在落料管里转运过程中发生了剧烈的碰撞、相互挤压等现象，不能形成稳定、均匀的料流，则易形成大量有效诱导风，将含水率低且细小的颗粒从料流中脱离出，从而造成很严重的扬尘问题。出料口扬尘图如图8所示。

图8 出料口扬尘图

在输送干燥的褐煤及烟煤时存在扬尘问题。由于物料在转运站里未能较好地形成汇聚型的料流，存在较大空隙，在此过程中易形成诱导风，最终将其中细小的煤粉颗粒从落料管中带入空气中从而导致扬尘的产生。对于像烟煤此类物料而言，若料流控制不合理，干物料产生扬尘，湿物料易发生板结；在输送无烟煤时，无烟煤所形成的横截面比烟煤、褐煤大，在此情况下更易形成诱导风，但无烟煤与烟煤相比，前者的颗粒和密度均较大，导致扬尘的程度较小。

利用EDEM离散元仿真软件进行仿真分析，扬尘问题可通过对落料管几何结构进行合理优化，此案例设备结构对料流控制，使物料集中、紧贴管壁并以合理角度和速度下落，使扬尘得到了一定程度的控制。

3.4 堵料分析

堵料的原因众多，如物料黏性过大、物料流大角度冲击并飞溅、物料过于分散、物料的不断堆积等。其中，由于散料含水较高、物料间黏性大、黏结成团不易分散，物料与设备之间的黏性随着设备表面附着水分增加而增大，因而散料在设备运动过程中飞溅至非冲刷区从而造成落料管的堵塞。

受地理季节等环境因素影响，当输送潮湿的烟煤时由于黏性较大而出现板结、落料管堵塞的风险，粉状物料会出现因粉末不断挂壁导致的堵塞问题。

4 物料特性分析

以输送烟煤为例，采用EDEM系列软件中Hertz-Mindlin With JKR模型，主要考虑黏附力对弹性形变的影响，让含水量大的物料流动行为也有了较为真实的仿真体现。该接触模型考虑了含湿物料间黏结力对物料流动行为的影响，其为凝聚力接触模型，适用于模拟颗粒间因静电、水分等原因发生明显黏结和团聚的物料。

4.1 表面能

表面能表征的是颗粒间接触的黏结力，大小受含水量、颗粒表面张力等一系列参数因素的影响。对于含有粉矿、球团矿、块矿等大小不一的矿种，一定大小的表面能数值会使其中的粉矿看起来非常黏稠，然而大块颗粒几乎不受影响。

Hertz-Mindlin With JKR模型中黏结力同时存在于颗粒接触的法向和切向上。

JKR法向弹性接触力用FJKR来计算:

式中，FJKR为JKR法向弹性接触力,N;γ为表面张力(N·m-1);E*为等效弹性模量,Pa;α为切向重叠量,m;R*为等效接触半径,m。

等效弹性模量E*与等效接触半径R*定义为:

其中，E1为接触颗粒1的弹性模量,Pa;v1为接触颗粒1的泊松比;R1为接触颗粒1的接触半径,m;E2为接触颗粒2的弹性模量,Pa;v2为接触颗粒1的泊松比;R2为接触颗粒1的接触半径,m。

切向重叠量(α)与法向重叠量(δ)的关系如下:

其中，δc为颗粒间具有非零凝聚力时的法向最大间隙，m；αc为颗粒间具有非零凝聚力时的切向最大间隙，m。

当δ<δc，模型返回 0。当颗粒并非实际接触并且间隙小于δc时，凝聚力达到最大值，颗粒非实际接触的最大凝聚力Fpullout计算公式为：

4.2 仿真结果对比

物料与物料的接触模型设置不同表面能的对比参数。表面能表征颗粒之间黏结力的大小，对于烟煤的表面能取值大约在 5～40。

表面能取值设置为7、14、20、28、35 共5组数据设置运动接触参数，而后进行仿真。

(1)运动形态对比。烟煤不同表面能的整体速度如图9所示，相同散料在同一工况下的运动形式一致，表面能越小，运动速度越大，散料的流动性越强。可看出表面能为7时，散料流动速度最大。

图9 烟煤不同表面能的整体速度图

(2)落料管的磨损对比。不同表面能对设备摩擦磨损对比如图10所示，通过EDEM仿真数据得到物料对落料管的磨损值，分别在法相和切相。上述在对3种物料的分析时发现散料对给料匙的作用比较明显，以下针对不同表面能取值对给料匙的影响进行分析。

图10 不同表面能对设备摩擦磨损对比分析图

由于烟煤本身黏性大的特性，表面能的增加总体上对落料管的冲击能量降低；物质的黏性和含水率一定程度上的增加，物料与落料管的阻碍增加，物料的能量来自于颗粒间的摩擦与黏着力，物料易凝聚成团，堵塞出料口。

5 结 论

EDEM离散单元建模分析散料的特性，可清晰简单地获取物料与物料间以及物料本身不同特性对落料管结构影响的对比数据。对于不同种类的物料，物质的密度、粒度等参数对落料管的冲击及堵塞、扬尘等问题影响严重性程度各异，即使是同种物料在不同环境下的特性，对落料管造成的问题也不相同，在设计设备时，特别是落料管，须充分考虑各种物料的特性，借助EDEM离散元仿真等工具，优化设计，尽量减少或避免设备问题的产生。