基于离散元法的散料转运系统落料管的研究*

权 洁，陈 浩

(常州纺织服装职业技术学院 机电学院，江苏 常州 213164)

0 引言

散料的转运广泛存在于煤炭、冶金、电力等领域，转运系统是散料转运装置的重要组成部分，对带式输送机的使用寿命有直接影响。落料管在转运系统中起导流和变向作用。

为了改善转运性能，很多学者对转运系统进行了研究。在转运系统的结构改进方面，文献[1]通过改善挡料板的形状、调整安装角度、在溜槽底部加装条筛和优化溜槽结构等方式，既减小了系统的空间尺寸，又减小了对受料输送带的冲击；文献[2]通过优化结构参数，减小带式输送机转运站的冲击、磨损和扬尘，利用EDEM进行仿真，结果表明抛物线形的头罩和弧形的溜槽可以有效地引导料流，减小冲击和磨损。在新型落料管的研究方面，文献[3]提出了一种新型的流线型曲线落料管，并分析了不同参数对跑偏的影响，给出了最优的参数组合模型；文献[4]通过物料的运动轨迹分析和EDEM仿真，得出四种不同曲线形状的挡料板受力情况，在对现有转运系统进行分析的基础上提出了曲线落料管的改造方案。在转运过程的影响因素方面，文献[5]比较了同一结构落料管不同转载角度时物料的运行情况，发现转载角度会影响物料间的碰撞作用；文献[6]研究了不同物料特性对落料管的影响，运用软件对落料管的结构进行了优化；文献[7]针对转载溜槽部件受力过大、磨损严重的问题，研究了带速和转载溜槽倾角对直线型转载溜槽内部散料运行状态的影响。

上述文献主要针对某单一结构的落料管进行研究，且对落料管截面的研究较少。因此，本文通过对不同截面和结构的落料管进行仿真分析，得出受料输送带的物料分布情况和落料管出口处垂直于受料输送带方向的速度以及下边缘的受力情况，为落料管的优化设计提供依据。

目前，研究转载系统主要有三种方法，即连续方法、物理模型方法和颗粒仿真方法。连续方法一般适用于干燥颗粒运动情况的计算，且不能预测物料对受料装置的冲击载荷；物理模型方法通过实验对设计结果进行检验，更接近于理论值，但采集数据困难较大、测定颗粒流动成本较高、测试数据存在一定的误差，且通用性较差；颗粒仿真方法采用离散元法进行转载过程的计算，便于修正和改进设计。因此，通常采用数值模拟的方法来研究物料颗粒的流动特性。

1 转运系统结构分析

以某散料转运系统为例对其进行结构分析，其组成主要包括头罩、漏斗、辊筒、落料管、送料输送带和受料输送带等[8-11]。

1.1 头罩结构分析

在转运过程中，散料首先进入头罩并对其进行不断冲击，因此，头罩的结构设计不仅关系到转运系统的使用寿命，更是整个转运系统能否正常运行的关键。根据料流运动轨迹，建立了前护板为曲面的整体式头罩漏斗，最大程度上降低了物料与前护板的冲击。不同截面落料管对应的整体式头罩漏斗如图1所示。

图1 不同截面落料管对应的整体式头罩漏斗

1.2 落料管结构分析

散料由送料输送带输送经辊筒抛出后进入整体式头罩漏斗，在到达受料输送带之前的转运过程由落料管来完成。落料管是头罩漏斗的下一级装置，其结构直接影响散料的流动轨迹和受料输送带的受力等。本文对三种不同截面和结构的落料管进行研究，落料管结构如表1所示。

表1 落料管结构

1.3 转运系统整体结构分析

在对转运系统各个组成部分进行结构分析的基础上，经反复改进和优化后利用SolidWorks建立了转运系统整体三维模型，对模型进行适当简化后保存成通用格式。方形截面圆弧形落料管转运系统三维模型如图2所示。

图2 方形截面圆弧形落料管转运系统三维模型

1.4 EDEM软件仿真

EDEM软件是基于离散元法的用于模拟和分析颗粒行为的CAE软件，其强大的仿真功能为颗粒、流体和机械力学的结合提供了可视化的平台。将已经保存为通用格式的模型文件导入EDEM软件并进行参数设置。

仿真过程中，颗粒工厂生成散料并落到送料输送带上，颗粒随输送带运动由辊筒卸载进入头罩漏斗，经落料管转运后到达受料输送带，待散料在受料输送带上稳定后即为系统运行稳定状态。主要仿真参数如表2所示，仿真过程如图3所示。

表2 主要仿真参数

2 仿真结果分析

2.1 物料对中性分析

受料输送带两侧物料质量不同容易导致输送带跑偏，同时加剧输送带磨损。在EDEM软件中创建两个盒子对受料输送带两侧的散料质量进行监测，如图3所示。

1-左侧散料质量监测盒子;2-右侧散料质量监测盒子

2.1.1 方形截面时不同结构落料管的仿真结果

分别对方形截面的圆弧形、直线型、折线形落料管进行仿真分析，并对受料输送带两侧的散料质量进行监测，仿真结果如图4所示。

图4 方形截面时不同结构落料管受料输送带两侧散料仿真结果

对图4中的(a)、(b)、(c)图进行对比分析可以得出：圆弧形落料管的受料输送带两侧散料质量基本相同，可以很好地保证物料的对中性；直线形和折线形落料管受料输送带两侧散料质量在稳定运行后出现一定的偏差，受料输送带跑偏和磨损的可能性较大。故仿真结果表明，圆弧形落料管能够更好地控制料流，保证散料运行的稳定性，提高受料输送带的使用寿命。

2.1.2 截面对圆弧形落料管的影响分析

分别对方形、圆形和六边形截面的圆弧形落料管进行仿真分析，并对受料输送带两侧的散料质量进行监测。圆形和六边形截面圆弧落料管的仿真结果如图5所示。

图5 圆形和六边形截面圆弧落料管受料输送带两侧散料仿真结果

对图4(a)和图5中的(a)、(b)图进行对比分析可以得出：对于圆弧形落料管，方形截面能够更好地控制料流，保证散料的对中性。

2.2 受料输送带所受速度冲击的分析

对方形截面的圆弧形、直线形和折线形落料管出口处垂直于受料输送带的速度进行监测，结果如图6所示。

图6 不同形状方形截面落料管出口处垂直于受料输送带的速度

对图6中的速度曲线进行分析可以得出：系统稳定运行后，圆弧形落料管出口处垂直于受料输送带的速度明显小于直线形和折线形落料管。故仿真结果表明，方形截面圆弧形落料管出口处垂直于受料输送带的速度较小，对受料输送带的冲击磨损小，可减少停机维护时间，提高转运效率。

2.3 落料管受力分析

由于散料在落入落料管时速度较大，对落料管的冲击也较大，且在物料转载过程中会对落料管造成磨损，因此有必要对落料管的受力进行分析。

对方形截面的圆弧形落料管转运的可视化仿真过程进行分析可知，散料在转运过程中无堆积堵塞现象，方形截面时圆弧形落料管下半段有散料堆积，可实现料打料的转运效果，减小了物料对落料管的冲击和磨损。

对方形截面的圆弧形、直线形和折线形落料管出口处下边缘所受的力进行监测，结果如图7所示。

从图7中可以看出：方形截面的圆弧形落料管出口处下边缘的受力最小，折线形和直线形落料管受力基本一致，且波动较大。故由仿真分析可知，圆弧形落料管下端有散料堆积，料打料的效果更加突出，物料对落料管的冲击力随之减小。

图7 不同形状方形截面落料管出口处下边缘所受的力

3 结语

通过对转运系统落料管的离散元仿真分析，实现了散料转载过程的可视化，可为落料管的优化设计提供参考。

(1) 对比分析了落料管结构和截面形状对物料转运过程中受料输送带两侧质量的影响，结果表明：方形截面圆弧形落料管能够很好地控制料流，对中性好，受料输送带不易跑偏。

(2) 比较了相同截面不同结构的落料管出口处垂直于受料输送带的速度，结果表明：圆弧形落料管对受料输送带的冲击较小。

(3) 对方形截面时不同结构落料管出口处下边缘的受力进行了监测，结果表明：圆弧形落料管出口处下边缘的受力最小，料打料的效果更加突出。