基于EDEM仿真装船机溜筒分析

张金贵

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

目前在全球散货码头装船机装载的散状物料，一般是煤炭、铁矿石、铝土矿、焦炭、镍矿、硫磺、化肥、水泥、粮食、盐、糖和木屑等。每个码头的散状物料种类不一，通常单一物料的情况居多，但也有1台装船机可能要装载几种物料，每种散状物料特性各不相同，包括：具有腐蚀性的物料、附着黏性大的物料、需要防水的物料等等。散料装船机的必要装置溜筒通常安装在外伸臂架前端，臂架带式输送机头部滚筒和头部落料罩壳的下方。溜筒的主要作用是物料导向、物料汇聚和抑制粉尘飘逸，当下每个散货码头承载着巨大的环境保护压力，在散料转运过程中的主要污染是粉尘污染。溜筒除尘问题是装船机设计使用过程中面临的一大难题，本文通过离散元仿真分析的方法对2种不同结构形式的溜筒仿真数据进行综合比较，在一定程度上给相关行业人员提供一种新的思路作参考。

1 整体情况

国内某码头订购1台装船机，装船物料为煤炭。额定生产率6 000 t/h，装载船型10 000 DWT～100 000 DWT，臂架工作俯仰角度-12°～+14°，臂架带式输送机带速4.5 m/s、带宽2 200 mm、臂架头部改向滚筒直径Φ830 mm。溜筒的作业工作状态始终垂直于地面，由摆动液压缸支持。溜筒伸缩距离3.5 m，伸缩速度6 m/min，溜筒回转角度±170°，抛料勺摆动角度-15°～+45°。

本项目溜筒采用的是传统结构形式带回转抛料的普通直溜筒，在利用EDEM模拟仿真的同时，也建模分析了倒勺式锥体溜筒的数据。鉴于散状物料情形比较复杂、颗粒不规则、湿度粘度不一，传统的物料抛射计算公式很难准确的表达物料实际流动情况，采用离散元多次修正模拟仿真分析的办法比较符合实际情况。主要对物料通过流量、不同位置的物料颗粒平均速度以及对抛料勺的冲击磨损等方面进行研究比较。物料为煤炭，堆密度0.85～0.95 t/m3、粒度0～300 mm、静安息角38°～40°、杨氏模量3.1×109Pa、表面含水率4%～13%、泊松比0.3。

离散元仿真是通过模拟真实物料颗粒形状建立仿真理想颗粒，通过不同的接触力模型和牛顿第二运动定律，计算颗粒在不同时刻的运动速度、方向和位置，然后通过仿真软件的后处理功能使物料综合运动轨迹和理论数据直观展现。通过以往实践经验总结，EDEM仿真分析是一种行之有效的散料领域处理问题的重要方法。物料校准越接近真实情况，仿真效果越好，物料运动轨迹趋势是相对准确的，为后续设备的改造或者改变设计思路提供了强力参考依据。根据实际情况把物料颗粒形状大致分成了5个组别来模拟其粒度分布和尺寸大小：大块颗粒尺寸80 mm占比5%、中块颗粒尺寸62 mm占比5%、中块颗粒尺寸52 mm占比25%、中块颗粒尺寸36 mm占比30%、中块颗粒尺寸26 mm占比35%。80 mm仿真颗粒如图1所示。

图1 80 mm仿真物料形状

分析前要设置物料接触参数，此参数是通过多个仿真项目的实际经验总结产生，当然物料校准越接近真实情况，模拟仿真越可靠，散料的情况比较复杂，理论化的数据与现实还是有一定的差距，但不会有较大影响。采用Hertz-Mindlin粘结接触模型，物料接触参数设置如表1所示。

表1 物料接触参数

2 质量流量分析

在臂架带式输送机头部罩壳前方中段、溜筒中下段和溜筒下部抛料勺弯头处分别设置3组质量流量传感器，从入料、中段到出料的整个过程判断料流是否有洒漏，头部罩壳、转接料斗、直筒体、锥筒和抛料勺结构尺寸设计是否合理。

普通直溜筒的上筒体直径Φ1 200 mm，中筒体直径Φ1 380 mm，下筒体直径Φ1 520 mm。倒勺式锥体溜筒的锥筒底径Φ1 970 mm、斜度73°、安装角度8°，尺寸如图2所示。底锥筒体小径Φ1 200 mm。头部改向滚筒的中心距离溜筒中心1 350 mm，头部改向滚筒中心距离头部罩壳内壁2 200 mm，抛料勺内部宽度1 780 mm，料流最大高度落差约15 400 mm。倒勺式锥体溜筒的锥筒尺寸如图2所示，2种溜筒结构尺寸如图3所示。

图2 锥筒尺寸简图

图3 普通直溜筒和倒勺式锥体溜筒尺寸简图

仿真设置时长15 s，带式输送机的初始运行速度4.5 m/s。普通直溜筒的质量流量：第1组6 002.77 t/h，第2组5 984.95 t/h，第3组5 901.88 t/h。倒勺式锥体溜筒的质量流量：第1组6 000.39 t/h，第2组5 999.85 t/h，第3组5 990.54 t/h。从通过量来看，2种不同结构形式的溜筒均能满足额定生产率的要求。普通直溜筒的第1组与第2组差距不大，物料由于起始给料速度较快，在输送带上有飞溅落料。第3组比第2组相差83.07 t/h，这是因为抛料勺上方物料下落速度过快，在物料空中碰撞和与抛料勺碰撞后飞溅量较大，导致通过抛料勺出口流量的减少，具体如图4所示。倒勺式锥体溜筒3组数据差距不大是因为其料流速度较低，流动过程中损失较少，具体如图5所示。由于传感器测定的是即时值，所设定位置在即时点上存在尺寸不一的颗粒，因此，质量数据有所不同，但综合平均下来误差较小。

图4 普通直溜筒物料流量和速度示意图

图5 倒勺式锥体溜筒物料流量和速度示意图

3 料流速度分析

在头部罩壳中部料流起始下落点、溜筒底部抛料勺上方和溜筒下部抛料勺出料段分别设置3组料流速度传感器，查看料流运行过程中料流的速度变化，以此判断2种筒体结构对料流的影响。

此项目建模分析的情况和仿真数据仅限于本分析对象所建颗粒，不同的初始设置数据会有差异。如图4和图5物料流量和速度图所示，物料流动速度通过颗粒着色的形式显示出来，蓝色区域代表低速，绿色区域是中速，红色区域代表高速，依次递增。普通直溜筒的料流平均速度：第1组5.50 m/s，第2组13.86 m/s，第3组7.22 m/s。倒勺式锥体溜筒的料流平均速度：第1组5.50 m/s，第2组5.67 m/s，第3组2.97 m/s。

从速度传感器的数值来看，2种不同结构形式的溜筒料流速度差异明显。普通直溜筒的物料是沿半个筒体内壁散布，物料不加约束的自由下落，速度越来越快，落料末端平均速度接近14 m/s，抛料勺出料平均速度也达7 m/s有余。如图6局部放大图所示，料流在溜筒体下部已呈松散状态，物料的高速下落容易使筒体内部和抛料勺区域产生较强的诱导风，物料内部的粉尘颗粒会随着诱导风四下发散，较高的颗粒速度碰撞能量也大，大小颗粒之间的运动轨迹不同，物料与筒体和物料之间都会产生摩擦碰撞，使部分物料破损和飞逸。倒勺式锥体溜筒从头部罩壳处的落料初始速度到底锥筒体处的终端速度几乎变化不大，料流匀速平顺下滑，抛料勺出料时平均速度更是下降为较小值。如图7局部放大图所示，料流汇聚明显无松散现象，较低的流动速度不容易产生诱导风，且物料汇聚内部粉尘也减少了飘逸的可能。由于物料呈流动状态，物料颗粒时刻与物料颗粒接触，也减少了颗粒的破损概率。物料下落从高处到低处是流动状态而非冲击状态，从而降低了落料速度。

图6 普通直溜筒物料局部图

图7 倒勺式锥体溜筒物料局部图

4 冲击磨损分析

物料在流动过程中会对头部罩壳、转接料斗、溜筒筒体和抛料勺产生冲击磨损，料流在运行过程中的碰撞主要与冲击角度、冲击位置和料流的行进速度等因素有关。EDEM仿真把传统经验得出的结果数据化、具象化，通过输出的数据直观查看磨损程度。通过查看冲击区域的累积冲击力和累积磨损能量值的办法判断哪些区域需要结构加强或更换耐磨层等措施。

针对2种不同结构形式的溜筒，其主要区别在落料速度方面，故需重点研究抛料勺的冲击磨损区域。冲击磨损程度采用着色显示的方式，灰色区域是冲击磨损轻微区域，绿色区域是中等冲击磨损区域，红色区域是冲击磨损最严重区域，层级逐渐递增。如图8所示，在入料和落差相同的情况下，普通直溜筒对底部抛料勺的累积磨损能量峰值为29 968.8 J，累积冲击力峰值为80 759 243.5 N。如图9所示，倒勺式锥体溜筒对底部抛料勺的累积磨损能量峰值为4 739.1 J，累积冲击力峰值为是29 732 156.7 N。两者磨损能量和冲击力差距明显，普通直溜筒是倒勺式锥体溜筒冲击力的2.7倍，磨损能量的6.3倍。尽管数据抽象，但比值明显。显而易见倒勺式锥体溜筒受到物料的冲击力和冲击磨损更小，物料颗粒的动能较小，同时也降低了物料颗粒在抛料勺区域的破损飞溅，相对更加环保。

图8 普通直溜筒抛料勺冲击磨损示意图

图9 倒勺式锥体溜筒抛料勺冲击磨损示意图

5 优缺点

普通直溜筒结构相对简单，造价较低，一般应用在短距离伸缩的情形下，长距离伸缩需要采用多层套筒式设计形式，伸缩过程中筒体之间容易形成卡顿阻滞。适合装载的物料种数较多，喷淋洒水和干式除尘是2种主要的除尘方式，但是从实际使用情况看，效果不甚理想。在环保要求不高的情况下采用较多，目前是各大港口码头装船机的主力配置。

倒勺式锥体溜筒结构相对复杂一些，适合长距离伸缩，应用在颗粒均匀的谷物、水泥和化肥等物料装载场合非常合适，流动性较好的煤炭和矿石也可以采用，对湿度粘度较大流动性不好的物料不太适合，易产生堵料。最大优势是降低了落料速度并且让料流汇聚，诱导风很小，如果溜筒外层再配置伸缩防尘罩，顶部加上脉冲干式除尘系统，物料在装载过程中能达到极低的污染水平。针对通过性不佳的物料，锥筒的角度还可适度调整，能有效改变物料的通过量。此种类型的溜筒目前主要依赖从国外进口，价格较贵，国内同类产品较少。

6 结语

通过对2种溜筒的模拟仿真分析，在同等条件下，设计尺寸均能满足装船生产率的要求，但在落料速度和冲击磨损方面得到了不同的结果。普通直溜筒落料速度较快，料型分散，冲击能量大，物料颗粒容易翻滚碰撞飞溅，落料速度达到13.86 m/s，极易产生较强的诱导风，容易形成粉尘污染。倒勺式锥体溜筒落料速度较慢，料型汇聚好，冲击能量较小，落料末端速度5.67 m/s接近落料初始速度5.5 m/s，变化不大。物料颗粒集聚流动下滑平顺稳定，在装载过程中不容易产生粉尘污染。在环保压力越来越大的情形下，普通直溜筒已很难满足现在的装船使用要求，倒勺式锥体溜筒会得到越来越多的应用。