基于EDEM 对连续卸船机中心溜筒的料流分析

刘永生

大连华锐重工集团股份有限公司港口机械设计院 大连 116013

0 引言

链斗式连续卸船机是将散粒物料从船舶船舱中取出运至岸边码头的大型专用机械。与常规抓斗卸船机相比具有高效、环保和节能等特点，是大型散货码头的重要核心设备。链斗式连续卸船机作为港口散料卸船的绿色装备，顺应了海运船舶大型化发展、散货港口高效率运营、节能减排号召、智能码头建设发展需求，其将是未来散料卸船机的发展主流。近年来，随着各大港口码头向大型化、智能化方向发展，连续卸船机凭借着卸船效率高、能耗低、环境污染小，环境保护好等优势，快速地进入追求高效率的码头[1，2]。目前，国内连续卸船机的应用越来越多，相关专业技术人员对连续卸船机的机械结构、机构运动、载荷组合、关键部件及在运行中所存在的问题进行了针对性的研究[3，4]。针对物料流动状态，刘龙等[5]采用EDEM 对连续卸船机的盘式给料装置进行了详细的模拟分析，得出了不同转速与料层高度的关系；程一峰等[6]利用EDEM 研究链斗卸船机的取料过程，得出取料效率在链斗切入角为40°～60°，速度为1.5 ～1.8 m/s 时较高；孔翔[7]建立铲斗离散元仿真模型，利用离散元数值模拟方法获取铲斗所受的载荷谱，并考虑了颗粒尺寸、颗粒密度、剪切模量、恢复系数、摩擦系数和表面能等对挖掘阻力的影响。

本文在此基础上，旨在应用EDEM 对连续卸船机中心溜筒的物料流动进行模拟分析，解决以往产品中出现的筒体磨损、物料落差较大引起的冲击等问题，并对连续卸船机中心溜筒部分提出多级折返式的设计理念。

1 连续卸船机结构组成及性能特点

连续卸船机主要由海陆两侧门架、主梁及电柜室、给料带式输送机系统、回转架、中心溜筒、平衡梁、臂架、顶部结构、伸缩装置、链斗装配、筒体、盘式给料器等组成。连续卸船机的主要机构有大车行走机构、臂架回转机构、臂架俯仰机构、取料提升系统回转机构、链斗提升机构、盘式给料器回转机构、输送带输送机构等。其主要性能特点为：

1）卸船效率高 由于连续卸船机可连续稳定取料，平均效率可达到其额定效率的70%，较之同等规格的抓斗卸船机效率提升50%。

2）环保性能优异 物料输送全流程处于封闭箱体中，不会造成物料的撒漏和粉尘飞扬。另外，各机构均为连续运行机构，连续转动，运行平稳、冲击小，噪声小。

3）节能效果显著 与相同生产率的抓斗卸船机比较，其装机容量降低50%，而能耗可减少40%。

4）辅助清仓量小 连续卸船机可控制取料装置的大幅度伸缩，可直接卸掉船舱内90%以上的物料，清仓小于10%。

2 连续卸船机中心溜筒的工作原理

连续卸船机在船舱中卸料时，通过安装在环形封闭链条上的链斗连续挖取物料，并经过提升驱动装置将物料连续提升，并在顶端抛料卸载到盘式给料装置，通过盘式给料装置的回转将物料经由刮板及溜槽转载到臂架中的带式输送机；臂架输送机上的物料连续输送并抛入中心溜筒，中心溜筒通过折返布置，物料在中心溜筒中经过多次缓冲折返后大幅降低下降速度，下落转送到机内回转输送机上；最后输送到地面带式输送机，完成物料从船舱到码头的卸载工作[8，9]。中心溜筒作为物料的转载及短时储存装置，因臂架回转、臂架俯仰等引起落料点位置的变化，使得各级缓冲位置、出料方向等均会发生变化。因此，为了确保输送物料的平稳性，需对料流进行一定的计算分析。

3 中心溜筒物料流动的速度分析

连续卸船机在作业过程中因船舶在潮涨潮落的作用下上下浮动，为了满足取料作业需求，臂架需实现上下的俯仰动作，则物料从臂架输送机以平抛、斜抛等形式进入中心溜筒。如图1 所示。

图1 臂架输送机位置示意图

臂架可实现一定角度的回转，使物料在臂架输送机抛出后在中心溜筒内部按一定的方向流动。将物料按颗粒状进行分析，以水平输送为例，其在水平方向以一定初速度做匀速直线运动，垂直方向以初速度为零做自由落体运动。经过第一级缓冲时，物料所对应的速度大小及方向发生变化，其按改变后的速度及方向进行二次运动，经过第二级缓冲时，速度及方向再次发生变化，如此多次运动后，物料以一定速度转载至机内回转输送机上，中心溜筒物料流动如图2 所示。

图2 中心溜筒物料流动示意图

物料流动速度为

物料流动位移为

式中：V0为臂架输送机输送速度，Vx为物料水平速度，Vy为物料垂直速度，Sx为物料水平位移，Sy为物料垂直位移，g为重力加速度，t为运行时间，θ为物料流动偏角。

4 连续卸船机的技术参数

以某港口的链斗式连续卸船机为研究对象，对其主要参数进行分析计算，设计额定生产能力为3 600 t/h，臂架长度48 m，臂架输送机带宽1 600 mm，输送速度2.5 m/s，臂架水平状态距离码头面高度为26 m，中心溜筒为八边形结构形式，内切圆直径2.5 m，高度17 m，卸载船型为200000DWT 散货船，卸载货物为铁矿石，连续卸船机组成如图3 所示。

图3 连续卸船机组成示意图

5 EDEM 仿真与分析

EDEM 软件是一款现代化的离散单元法建模软件，用以模拟分析工业粒子的处理和制造过程，可以利用其建立粒子固体系统的参数模型，导入真实粒子的CAD模型，可获得其形状的正确表达，添加机械、材料和其他的物理属性来形成所需的粒子模型，利用经典物理学建立每个离散颗粒的运动方程，模拟分析颗粒之间存在的接触、相对运动、能量传递等信息。机械的几何体可以从CAD 或CAE 系统以实体或网格的模型导入，将机械零件组合起来，并且对每个机械的组合部分的运行学过程进行具体的定义。将粒子与机械几何模型相结合，可完成工业生产中的颗粒处理及制造设备生产过程中的仿真与分析。利用其强大的后处理能力，可以观察、绘制任何变量的图形，鉴别重要的系统行为，得到更为准确的仿真结果[10]。

本文通过对中心溜筒、臂架输送机进行3D 软件建模，并分别导入EDEM 中，定义物料颗粒为矿石，设置环境变量包括物料密度、重力加速度、物料颗粒及几何结构的泊松比、剪切模量、材料之间的静摩擦系数、恢复系数、滚动摩擦系数等。根据实际情况，选择颗粒—颗粒、颗粒—机械几何体的接触模型，在颗粒工厂按照一定的速度以动态方式生成颗粒，在机械几何体界面中设定臂架输送机的给料速度。定义时间步长，进行仿真计算。

本文选用 Hertz-Mindin 模型，颗粒接触时，颗粒间的法向力为

式中：E*为等效弹性模量，R*为等效粒子半径，α为颗粒间接触半径。

颗粒间的切向力为

式中：St为切向刚度，δ为切向重叠质量，G*为等效剪切模量。

本文颗粒建模采用单球体Single Sphere 形式，设置矿石半径为20 mm，材料为铁矿石，密度2 t/m3，泊松比0.3，弹性模量设置为2×107Pa，模型如图4 所示。中心溜筒材料定义为钢铁，泊松比为0.3，弹性模量为2×1011Pa，密度7.8 t/m3。设置铁矿石与中心溜筒之间恢复系数为0.2，静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.1，铁矿石与铁矿石之间恢复系数为0.4，静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.1。臂架水平输送时，中心溜筒物料模型如图5 所示。臂架倾斜输送时，中心溜筒物料模型如图6 所示。

图4 颗粒模型图

图5 臂架水平状态中心溜筒物料输送模型

图6 臂架倾斜状态中心溜筒物料输送模型

为了船舱取料工作需求，在正常作业时臂架在一定角度范围内进行回转，由此使臂架输送机的抛料方向随之在一定范围内发生变化，从而引起折返层物料的积料高度及料流方向同样发生变化。为了确保从中心溜筒出口处的物料转载至给料输送机时的对中，需综合考虑折返层出料口的方向，在不堵料的情况下，保证物料出口料流方向的稳定性，以此解决给料输送机的跑偏、洒料等问题，如图7 所示。

图7 臂架回转后中心溜筒出料模拟视图

针对额定生产率、物料黏结，瞬时超载等不同工况，得出不同的物料缓冲堆积高度，如图8 所示。

图8 中心溜筒折返式积料高度

针对不同工况，中心溜筒各缓冲台料流高度有显著差别，见表1。根据表1 进行数据分析，得出不同工况下积料高度曲线如图9 所示。

表1 不同工况下积料结果对比 mm

图9 中心溜筒折返式积料曲线

由表1 及图9 可知，在额定生产率状态下，物料在每级折返平台处的积料高度最低，并且相邻折返层间高度差较为均匀。当物料黏结较大时，物料的流动性变弱，每层缓冲台的积料高度将有所增加。当出现超载运行时，物料堆积高度迅速增大，每一级折返缓冲台的物料堆积高度较之额定生产率增加约1/4 高度，极有可能引起堵料现象。物料在多级折返平台中的积料高度随着下降的高度在逐渐减小，同时物料下落的速度也在逐渐减小，大幅降低了物料落差引起的冲击。臂架回转角度的变化对多级折返平台中的积料高度影响较小，但其引起料流方向发生变化，为了确保不发生堵料的同时，需合理布置折返平台的出料口位置，确保出料口处料流的平稳与位置对中，防止给料输送机出现跑偏现象。

6 效果

通过模拟分析结果，并根据现场实际使用状态，每级缓冲台的积料高度随着卸载量的大小发生变化，尤其对于黏性较大的物料表现更加突出，在发生超载运行时，积料高度迅速增加，极易在出料口形成气拱而引起堵料。因采用多级折返式的物料转载输送，出口处物料垂直速度大幅降低，减缓对给料输送带及缓冲托辊的冲击，提高相关部件的使用寿命。

7 结论

本文应用EDEM 对连续卸船机的中心溜筒进行了料流模拟分析，以不同的工况模拟分析了物料在多级折返式的缓冲下，物料堆积的高度以及物料下降速度的变化。通过分析得出，多级折返式的中心溜筒可大幅降低物料因高落差引起的冲击、提高筒体的使用寿命，同时对可能存在的超载堵料进行一定的预判，确保设计的合理性。本分析为散货码头的物料转载输送分析提供了一种可行的分析方法，为连续卸船机中心溜筒的结构设计提供一定的参考。