基于離散元素法的礦石碼頭轉(zhuǎn)料溜筒優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱成

（佛山井松智能科技有限公司，廣東 佛山 528225）

1 原理及軟件簡介

EDEM 是全球首個(gè)多用途離散元素法建模軟件，可用于工業(yè)生產(chǎn)中的顆粒處理及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過程的仿真和分析。EDEM 可以設(shè)定每個(gè)顆粒的屬性以及作用在顆粒上的力，可以導(dǎo)入用三維軟件建立實(shí)際機(jī)械設(shè)備的幾何模型，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)機(jī)械零部件賦予運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際工作工況進(jìn)行仿真模擬。EDEM 還可以與有限元分析工具耦合，可以對(duì)施加在機(jī)械零件上的載荷進(jìn)行仿真分析，并將結(jié)果直接導(dǎo)出到所選的有限元分析工具中。本文根據(jù)實(shí)際工作情況和尺寸，利用SolidWorks 建立上、下皮帶機(jī)、滾筒和溜筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在EDEM 中賦予皮帶機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和滾筒的轉(zhuǎn)速，利用礦石的屬性建立顆粒和顆粒工廠，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)現(xiàn)狀的仿真模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，從改造的可行性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)的便利性和制造的工藝性多方面考慮，僅對(duì)溜筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，大幅改善溜筒磨損和皮帶受沖擊影響，降低設(shè)備維修率，延長使用壽命。

2 現(xiàn)狀模擬及分析

礦石碼頭BC3A 皮帶機(jī)的尾部與BC2A 皮帶機(jī)的頭部連接，物料從BC2A 轉(zhuǎn)運(yùn)至BC3A，落差約8.7m，兩條皮帶機(jī)呈90°布置。皮帶機(jī)帶寬1600mm，帶速3.15m/s，運(yùn)量為4200t/h，入料皮帶機(jī)角度為0°，出料皮帶機(jī)角度為5°。根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)站現(xiàn)有設(shè)備建立的三維簡化模型模擬計(jì)算結(jié)果如圖1。

圖1 現(xiàn)有物料轉(zhuǎn)運(yùn)的EDEM 模擬分析圖

模擬結(jié)果顯示，物料在溜筒下方和出料皮帶處速率變化較大，物料能量衰減迅速，表明物料對(duì)溜筒和皮帶的沖擊較大，容易造成溜筒磨損，對(duì)皮帶下方的緩沖托輥造成較大沖擊。如圖2 現(xiàn)場溜管磨損實(shí)際照片看，模擬分析結(jié)果與實(shí)際使用情況完全吻合。

3 優(yōu)化改進(jìn)后的模擬和分析

考慮到改造的可行性和工程量，僅對(duì)溜筒下方的溜管進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是，改變溜管導(dǎo)向板的傾角，使溜管出來的物料多次改變速度方向，以一個(gè)較小的切向角度進(jìn)入皮帶，使物料進(jìn)入皮帶的速度與皮帶速度相匹配，減小物料對(duì)皮帶垂向的沖擊，減少物料的堆堵。

最優(yōu)理論設(shè)計(jì)方案是溜管下方為弧形結(jié)構(gòu)，對(duì)物料流的導(dǎo)向效果最好，但考慮到實(shí)際制作工藝，溜管內(nèi)壁是用小塊的陶瓷襯板拼裝成耐磨層，而陶瓷襯板是安裝面為平面的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，使用弧形結(jié)構(gòu)不利于陶瓷襯板與溜管內(nèi)壁貼合。

因此，溜管下方導(dǎo)向板設(shè)計(jì)為多段折線型式，對(duì)物料流能起到較好的導(dǎo)向作用，同時(shí)，不影響陶瓷襯板安裝，方便溜管制作和維護(hù)。優(yōu)化后的模擬結(jié)果如圖3。

圖2 現(xiàn)場溜管磨損照片

圖3 優(yōu)化后的EDEM 模擬分析圖

從仿真結(jié)果可以看出，物料流在進(jìn)入皮帶時(shí)速度變化小，表明物料對(duì)溜筒、皮帶及皮帶下方的緩沖托輥的沖擊較小。

4 優(yōu)化改進(jìn)前后的對(duì)比分析

按工作30s 即轉(zhuǎn)運(yùn)35t 物料后，物料對(duì)溜管和皮帶機(jī)的累積沖擊能量以及對(duì)皮帶的沖擊力對(duì)比分析（如表1）。

表1 優(yōu)化前后對(duì)比分析表

結(jié)論：結(jié)果顯示，物料顆粒最大速度下降10.5%，物料對(duì)溜管的累積沖擊能量降低20%，對(duì)下面出料皮帶數(shù)值方向的作用力也降低7%，且較大沖擊力出現(xiàn)的頻率大幅降低。

5 緩沖托輥強(qiáng)度及疲勞分析

利用EDEM 軟件后處理得到的對(duì)皮帶作用力的數(shù)據(jù)，在ANSYS 有限元軟件中對(duì)緩沖托輥進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞分析。選擇受力情況最惡劣的中間托輥和支架為對(duì)象，用SHELL181 板單元對(duì)托輥支架建模，根據(jù)EDEM 計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算出緩沖托輥的脈沖受力及頻次，輸入ANSYS 后計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4：

圖4 優(yōu)化前后的托輥支架應(yīng)力云圖

根據(jù)疲勞分析結(jié)果，優(yōu)化前托輥支架疲勞壽命約3.14個(gè)月，優(yōu)化后疲勞壽命約3.47 個(gè)月，壽命可提升10.51%。

6 優(yōu)化改進(jìn)方案

優(yōu)化方案是基于改造可行、改造工作量小、不影響現(xiàn)有備品備件的使用及現(xiàn)場生產(chǎn)不受較大影響的要求和前提下設(shè)計(jì)。

（1）溜槽改進(jìn)方案。最下端溜管的導(dǎo)向板部分設(shè)計(jì)為兩段折線型式，可以改變物料顆粒進(jìn)入皮帶的方向和速度，使之與皮帶速度相匹配，有效減小對(duì)皮帶沖擊，同時(shí)，方便耐磨陶瓷襯板的安裝。同時(shí)，加大溜管頭部尺寸，使空間加大，有效抑制誘導(dǎo)風(fēng)，降低誘導(dǎo)風(fēng)風(fēng)速，并使誘導(dǎo)風(fēng)在溜管內(nèi)形成渦流，從源頭降低粉塵。如圖5 所示。

圖5 誘導(dǎo)風(fēng)渦流效應(yīng)圖

（2）托輥及支架改進(jìn)方案。由ANSYS 計(jì)算的應(yīng)力云圖可以看出，托輥支架的耳板部分應(yīng)力較大，是容易疲勞磨損的位置。在托輥軸端增加耐磨材料制作的墊圈，增大接觸面積同時(shí)抗磨性能增強(qiáng)，且墊圈磨損后直接更換即可。