煤料转载运输参数对受料输送带的磨损分析

秦 翥

(中煤科工集团上海有限公司，上海 200030)

带式输送机转载结构作为离散煤料运输过程中的重要组成部分，需要在完成煤料转运的同时保证整机的稳定运行[1]。受料输送带作为落料转运的承接环节，由于煤料冲击及动力传递等因素叠加，设备磨损现象普遍存在，由此造成生产成本及安全事故增加[2]。在转运结构设计过程中，由于离散煤料的转运轨迹无法在工程前期得到精准分析，仅依据准静态料流计算难以评估不同转运参数下离散煤料对受料输送带的磨损程度，较难完成符合煤料动态转运规律的结构优化[3]。目前，国内外主要通过更换零部件的方式规避受料输送带磨损严重的问题[4]，由于缺少从单元煤料受力分析及能量损耗机理出发，研究影响离散煤料转运轨迹对受料输送带产生磨损的转运参数诱因[5]，无法从根源减少转运过程中由于转运条件与结构参数设置不合理对受料输送带造成的冲击力过大及堵料扬尘等问题[6]。

受料输送带所受的磨损主要包括煤料下落过程中对其产生的冲蚀磨损[7]，当煤料表面越粗糙、形状越不规则时，所产生的破坏性越强。尤其在煤料与受料输送带瞬间接触时，由于煤料的运行速度及方向发生较大改变，导致煤料对受料输送带的冲击更为严重。受料输送带上常见的另一种磨损为磨粒磨损[6]，主要由煤料在受料输送带上运行时产生的摩擦作用引起。本文利用曲线型转载溜槽内单元煤料力学模型与能量转换关系，得出影响受料输送带磨粒磨损与冲蚀磨损的转运条件与结构参数。采用EDEM Bulksin软件进行离散元仿真，利用Hertz- Mindlin with JKR、Archard Wear及Standard Rolling Friction模型，分析煤料在不同卸料输送带带速及曲率半径下，对受料输送带的磨损程度。研究结果旨在通过优化影响受料输送带冲蚀磨损与磨粒磨损的转运条件与结构参数，延长输送带的使用寿命、降低转运过程中引起的扬尘，为矿用装备绿色化发展提供合理依据与数据支撑。

1 受料输送带磨损影响因素与评价参数分析

带式输送机转载结构主要包括：卸料输送带、卸料漏斗、落料溜槽及受料输送带四部分[8]，煤料的卸运过程将经历匀速直线运动、离心加速下落、挡板冲击回弹、自由重力下落再到匀速直线运动五个状态，如图1所示。

图1 离散煤料转运示意图

1.1 受料输送带磨损影响因素分析

煤料经过卸料输送带滚筒处做自由落体运动到达溜槽曲线段后运输至受料输送带，不同曲率半径使得煤料到达受料输送带的作用力随之发生变化。建立单元煤料在溜槽曲线段的力学模型，如图2所示。

图2 离散单元煤料在曲线型转载溜槽内的受力

在忽略空气阻力和煤料粘性的前提下，根据动力学原理，离散煤料对曲线型转载溜槽的法向冲击力dF可以用式(1)进行描述：

式中，Vt为煤料离开溜槽曲线段的运行速度；r为表示曲率半径；θ为转载溜槽与x轴的夹角。

由式(1)可知，当曲率半径不同时，煤料离开溜槽曲线段的法向冲击力随之变化，从而影响煤料转运后对受料输送带的冲蚀磨损。煤料的转运过程是由势能向动能转化的过程[9]，煤料在转载溜槽曲线段的下滑运动过程，可分解为沿溜槽方向的切向作用力及垂直于溜槽方向的摩擦阻力[10]。根据牛顿第二定律和能量守恒方程，可将单元煤料在溜槽内的能量转换关系可用式(2)进行描述：

式中，Vo表示卸料输送带运行速度；r表示曲率半径；θ表示转载溜槽与x轴的夹角；H表示溜槽垂直卸料高度；h表示转载点到溜槽入口处的垂直距离。

由式(2)可知，当转载溜槽卸料高度、曲率半径一定时，煤料下落时的能量转换与卸料输送带带速有关，当能量较大的煤料下落至受料输送带时，煤料对受料输送带的法向载荷较大，从而影响煤料对受料输送带的磨粒磨损。综上所述，卸料输送带带速、曲率半径对受料输送带的磨损程度具有一定影响。

1.2 受料输送带磨损评价参数分析

离散煤料对受料输送带的冲蚀磨损，是导致受料输送带接触表面产生赫兹裂纹的主要原因，并随煤料冲击载荷的增加而逐渐增大并沿径向伸展[11，12]，可用式(3)进行评价：

式中，ρ为煤料堆积密度；νy为煤料速度在受料输送带的垂直分量。

当ρp数值越大时，煤料对受料输送带产生的强度破坏和冲蚀磨损越严重，因此，煤料在受料输送带垂直方向分速度与煤料对受料输送带产生的冲蚀磨损成正比。

此外，由于煤料在受料输送带运输过程中的滚动摩擦而造成的磨粒磨损，使得受料输送局部形变严重、粉尘浓度增加，可用式(4)进行评价：

式中，μ为煤料与受料输送带之间的摩擦系数；νr为受料输送带带速；νx为煤料速度在受料输送带的水平分量。

从式(4)可以看出，受料输送带带速与煤料在其水平方向上的分速度与磨粒磨损程度成正比。因此，通过建立仿真模型，在受料输送带上添加速度传感器数组，导出各数组在水平方向以及垂直方向上的速度分量，可以对相关参数变化所引起的受料输送带磨损程度进行分析[13]。

2 仿真模型建立

根据工程实例，利用三维建模软件SOLIDWORKS建立曲线型转载溜槽几何模型并以igs格式保存后导入EDEM BulkSin软件，实现离散煤料在转载溜槽内的力学模拟[14，15]。本仿真所用的曲线型转载溜槽模型，如图3所示。其中，滚筒直径为1040mm，上下行输送带垂直高度为8800mm，运量为1944kg/s，上下行输送带带宽为1800mm。

图3 曲线型转载溜槽几何模型

通过添加不同形状的CAD模板并填充不同数目、直径、位置的小球组成形态各异的离散煤料颗粒[16]，如图4所示。本实验仿真中，图4的四种煤料颗粒在总量中的占比均为25%，每种颗粒形状具体的粒径分布见表1，最终形成颗粒大小不均的煤流。

图4 仿真颗粒模型

表1 离散煤料颗粒模型粒径分布参数表

仿真过程中忽略煤料颗粒间的黏粘性，且不考虑卸料过程中气压梯度对煤料流动特性的影响，采用单一参数变量法讨论在不同卸料输送带带速及曲率半径下，离散煤料在转运过程中对受料输送带的磨损冲击变化。构成待仿真的曲线型转载溜槽及输送带材料主要包括钢和橡胶，转运煤料为煤矸石，仿真时对煤料、橡胶及钢材的取值参数详见表2。

表2 材料参数取值表

仿真中的接触关系主要包括三种：煤与煤接触、煤与钢接触、煤与橡胶接触。材料间的接触参数详见表3。

表3 各材料间的接触参数取值表

应用Hertz-Mindlin with Archard Wear模型，选取分别相差10倍的磨损系数进行EDEM BulkSin仿真，通过数据处理分析得到磨损系数取值区间为[10-13，10-12]，依据二分法对EDEM BulkSin中磨损常量进行标定，选取仿真磨损常量为5×10-13。

3 仿真结果分析

通过建立仿真模型，在受料输送带上添加速度传感器数组，导出各数组在水平方向、垂直方向上的速度分量，对转载结构因相关参数变化所引起对受料输送带磨损程度进行分析。

3.1 曲率半径对受料输送带磨损分析

对于某一实际工况，转载溜槽在结构设计时的上下行输送带垂直高度以及场地建筑尺寸均已固定，由分析可知，煤料离开溜槽曲线段的运行速度与溜槽的曲率半径具有关联关系。利用EDEM BulkSin软件中的Hertz- Mindlin with JKR、Archard Wear及Standard Rolling Friction模型，采用单一数值变量法，设置煤粒生成速度为1944.44kg/s，卸料输送带带速为5.8m/s，分别选取5000mm、5500mm、6000mm三组曲率半径进行30s时长的煤料转运仿真，通过后处理导出煤料转运后对受料输送带在水平方向与受料输送带的差值及垂直方向上的运动速度，将仿真结果导入Origin软件绘制数值趋势，如图5所示。

图5 不同曲率半径下煤料在受料输送带上 速度分量对比趋势图

由图5可知，当曲率半径较小时，煤料沿受料输送带水平方向的相对速度产生时间较早、数值较小，煤料在受料输送带垂直方向的运动速度较小。说明当曲率半径较小时，煤料因滚动而产生的磨粒磨损较小，对受料输送带的冲蚀磨损较低。因此，在满足工况现场参数的条件下，通过减少曲率半径的方式降低煤料对受料输送带的冲击粒度与落料出口处的粉尘浓度。

3.2 卸料输送带速对受料输送带磨损分析

溜槽结构应保持煤料离开溜槽后加载到受料输送带中心，且煤料出口处的水平速度应尽可能接近受料输送带的水平速度。根据《DTII(A)带式输送机设计手册》要求，转载溜槽的卸料输送带带速主要根据运量及卸料输送带带宽取值，由分析可知，不同卸料输送带带速将影响煤料在下落时的能量转换。设定曲率半径为5000mm，根据设计手册推荐当转运输送带带宽为1800mm、运量为1944.44kg/s时，卸料输送带的推荐带速为5.8m/s，分别选取低于或高于推荐带速20%的数值进行仿真，即选取4.64m/s、5.8m/s、6.96m/s三组卸料输送带带速进行仿真(仿真过程中，假设卸料输送带带速与受料输送带带速相同)。通过后处理导出煤料转运后对受料输送带在水平方向与受料输送带的差值及垂直方向上的运动速度，并将结果导入Origin软件绘制数值趋势，如图6所示。

由图6可知，当卸料输送带带速较小时，受料输送带带速与煤料在其水平方向上的分速度及煤料在受料输送带垂直方向分速度均较小，随着煤料离落料出口处沿受料输送带运煤方向的距离增加，煤料在受料输送带上速度分量与受料输送带速度分量保持一致。说明当卸料输送带带速较小时，煤料对受料输送带的磨粒磨损与冲蚀磨损较低。因此，在满足运量要求时，可以减少卸料输送带的运输速度，减少煤料对受料输送带的磨粒磨损，延长输送带的使用寿命。

4 结 论

1)建立单元煤料在溜槽曲线段的力学模型，根据动力学原理得出当曲率半径不同时，煤料离开溜槽曲线段的法向冲击力随之变化，进而影响煤料转运后对受料输送带的冲蚀磨损，根据磨损评价关系式得出，煤料在受料输送带垂直方向上的分速度与煤料对受料输送带产生的冲蚀磨损成正比。

2)根据单元煤料在溜槽内的能量转换关系，利用牛顿第二定律和能量守恒方程，得出煤料下落时的能量转换与卸料带式输送带带速具有关联关系，当能量较大的煤料下落到受料输送带时，在受料输送带的法向载荷较大，从而影响煤料对受料输送带的磨粒磨损，根据磨损评价关系式得出，受料输送带带速与煤料在其水平方向上的分速度与磨粒磨损成正比。

3)建立曲线型转载溜槽三维建模并导入EDEM BulkSin软件，采用Hertz- Mindlin with JKR、Archard Wear及Standard Rolling Friction模型，利用单一变量法，对不同曲率半径及卸料输送带带速下的煤料转运进行动态仿真，在受料输送带上添加速度传感器数组，导出不同仿真变量下各数组在水平方向以及垂直方向上的速度分量，进一步评价受料输送带的磨损程度。

4)由结果可知，当曲率半径为5000mm时，受料输送带在煤料转运后产生的冲蚀磨损较低、因煤料滚动而产生的磨粒磨损较小；当卸料输送带带速为4.64m/s时，受料输送带带速与煤料在其水平方向上的分速度差值及煤料在受料输送带垂直方向的分速度均较小，说明此时煤料对受料输送的冲蚀磨损及磨粒磨损较低。