基于EDEM 的中心料斗系统优化设计

徐刚

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

斗轮堆取料机作为一种转运煤炭、矿石等大批量颗粒散料的作业设备，被广泛应用于矿山、港口、电厂等场地。斗轮堆取料机的应用大大提升了货物的转运、兑取效率大大节省了人力、物力等资源，对提高工业生产的效率具有重要意义。EDEM 软件是全球首个且使用最多最广泛的多用途离散元素法建模软件，可以为工业生产中的颗粒处理及其制造转运设备的生产过程的仿真和分析提供理论依据以降低成本提高设计效率。用户可以利用EDEM 物料创建模块轻松快速地创建和现实物料的物理参数一致的参数化颗粒模型。同样，为了使颗粒模型更加逼真，可以将三维颗粒实体模型直接导入EDEM 软件中，从而增加其仿真的准确性。

在实际生产、运输过程中，散料的堆料、取料等均需要斗轮堆取料机和配套的地面皮带机以及相应的皮带机转接塔来完成。中心料斗系统是斗轮堆取料机中实现地面皮带机物料和堆场相互转移的核心部分和关键部分。斗轮堆取料机在实际应用中经常出现悬臂皮带机和地面皮带跑偏以及中心堵料的现象，进而导致皮带出现划伤、撒料、撕裂和料斗被物料涨破的故障严重影响作业效率，甚至在严重时威胁着现场作业人员的生面安全。经仔细分析和观察，大多数导致斗轮堆取料机配套的地面皮带出现跑偏和中心料斗出现堵料现象的主要原因是由于中心料斗系统的设计存在缺陷所导致。因此，本文将根据实际情况通过EDEM 软件对中心料斗系统进行优化设计以达到解决地面皮带跑偏和其堵料的问题。具体阐述如下：

1 斗轮堆取料机概述

斗轮堆取料机作为决定散料工业生产效率的关键因素，其为散货运输工艺系统的关键设备。斗轮堆取料机的关键部件包括斗轮机构、上部钢结构、回转机构、回转平台、门架、行走机构、喷雾降尘系统、润滑系统、俯仰机构、中心料斗系统以及配电系统等。实际应用，可以根据应用环境及情况的不同对斗轮堆取料机的结构进行灵活调整，例如，变成单堆料机、单取料机。

其中，斗轮堆取料机的俯仰机构和斗轮机构以及回转机构关系着设备能否高效运行；上部钢结构、回转平台和门座体为承载主体，其灵活性是满足实际装卸需求的关键，对其强度和刚度的要求甚高；门架由中心门架体部分和平衡支腿组成，其与行走机构相连从而使设备沿轨道移动；中心料斗系统的活动部分位于回转平台上面随设备一起回转，固定部分和导料槽位于门架里面和下面，上部料斗位于尾车上部，目的实现堆场物料和地面皮带机物料相互转移，本文所研究斗轮堆取料机的设计能力参数如下：堆料和取料能力都为1600t/h；带宽为1200mm；带速为4m/s。

由于该型号斗轮堆取料机悬臂皮带较短，且取料过程中臂架做俯仰运动和回转运动，从而导致悬臂皮带机的物料在中心料斗里的落料点不固定，不合理的中心料斗系统无法达到约束料流的目的，从而会出现皮带跑偏和堵料情况，极大地降低了设备的生产效率和增加用户的维护成本。

经分析该型号斗轮堆料机悬臂皮带主要包括双向运行的驱动机构，驱动滚筒、改向滚筒、拉紧重锤滚筒、承载托辊、调心托辊以及回程托辊等[2]且工作过程做俯仰和回转运动；中心料斗系统包括回转料斗、固定料斗以及导料槽，地面皮带机穿过导料槽，从而将堆场物料转移到其他需要的场所。

2 斗轮堆取料机下方地面皮带机跑偏和中心料斗系统堵料问题原因分析

（1）由于落料点不够对中导致导料槽内的皮带左右侧的物料重量不均衡，导致地面皮带出现跑偏。（2）由于物料在经过中部料斗系统后缺乏沿皮带运行方向的引导，大部分物料直接落至地面皮带上，对地面皮带产生较大冲击，容易造成跑偏、洒料以及地面皮带寿命短的问题。（3）由于俯仰回转取料的原因，抛料口的物料位置变化较大，现有的调节挡板无法起到将所有俯仰角度和回转角度物料进行调节和收料功能。（4）料斗壁倾角优化不够导致物料无法快速转移到地面皮带机造成堵料。（5）物料正面冲击到料斗壁上导致料斗内物料四处飞散，从而产生扬尘和积料。

3 斗轮堆取料机皮带跑偏问题的解决

鉴于上述斗轮堆取料机皮带出现跑偏的问题，本文通过对中心料斗系统进行调整和改进的方式，对地面皮带机跑偏以及其堵料问题进行解决。

3.1 中心料斗优化改造

针对斗轮堆料机悬臂皮带机到地面皮带机直接的中心料斗的优化改造确定如下方案：取消原料斗与地面导料槽之间的料斗。增加抛料勺装置，目的将物料沿地面皮带运行方向进行引导，减少物料对地面皮带的直接冲击，防止洒料，以及损伤地面皮带。抛料口采用前倾扩容收口设计，但是，必须确保抛料勺截面的通过能力，防止堵料。结合实际对中心料斗系统进行三维建模，其三维模型如图1 所示。

为最终确定抛料口扩容的最终尺寸，本文是基于EDEM 软件对三维建模的中心料斗系统进行料流仿真目的对抛料勺最终的扩容尺寸进行确定以及中心料斗系统细节优化从而到达生产需求。基于EDEM 软件的料流仿真步骤如下。

图1 抛料口的扩容设计三维图

（1）颗粒模型建立和物料校准。物料校准是离散元分析的最基本要求，最重要的一步，它使得工程师能根据模拟结果做出设计决定，使真实世界中的物料在工业环境中的流动行为和模拟结果等价联系起来，如果出错仿真结果将没有价值。根据用户提供的物料参数表，分析各种物料的特性，选取最具代表性的物料进行建模，在EDEM 软件中进行物料校准，物料参数表如表1 所示。

表1 物料参数表

①根据物料的粒度大小及分布，在软件中进行物料颗粒形状组合。采用三种典型物料颗粒形状，并按不同比例分布，使物料的颗粒模型尽可能与实际物料接近。

②在EDEM 软件中设置物料的本征参数和接触参数，对物料进行校准，主要包括堆积试验和滑板实验，并反复校验，最终体现其物料特性。经校验得出的物料参数表如表2 所示。

表2 物料参数设计表

得出如图2 所示的物料堆积模型。

图2 物料堆积模型

图3 物料堆积角校验模型

如图2 所示，质量传感器内的物料质量为1728.88kg，传 感 器 半 径500mm， 高 度1000mm。 经 计 算， 物 料 密 度ρ=1728.88÷（π×0.5²）×1=2201.28kg/m³。物料堆密度按最小密度进行仿真。

物料的堆积角校验如图3 所示。从图3 可以看出，由于物料的含水率较大、黏性高，当物料的料堆较小时，其堆积角通常小于常规状态，图中的堆积角为45°。

（2）仿真分析。将改造后的中心料斗系统三维模型导入到EDEM 软件中，使用经过校准的物料颗粒模型在中心料斗模型中进行料流模拟运动，通过下图可以看见物料在经过抛料勺时，沿地面皮带机运行方向输送，有效地减少了物料对地面皮带机的冲击，以及物料在料斗内堆积问题。同时，可在抛料勺内增加调节挡板，可以更好地起到调节落料点的作用，仿真效果如图4 所示。

图4 仿真效果

4 结语

斗轮堆取料机被广泛应用矿山、港口等散料转运的场所，在实际应用中，由于斗轮堆取料机悬臂和对应的地面皮带机出现跑偏的情况常会导致转运效率降低、维护成本增加等问题。因此，本文针对斗轮堆取料机地面皮带跑偏问题提出对斗轮堆取料机的中心料斗系统进行优化改造设计。经过EDEM软件仿真分析，对斗轮堆取料机的中心料斗系统优化改造后可有效解决地面皮带跑偏和其堵料的问题，从而达到提高生产效率的目的。