散料輸送系統(tǒng)轉(zhuǎn)運站料流的仿真分析*

權(quán) 潔

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

轉(zhuǎn)運站是散料輸送系統(tǒng)的重要組成部分，通常設(shè)置在送料輸送帶和受料輸送帶之間，物料流受重力作用在轉(zhuǎn)運站內(nèi)自由下落，在物料輸送過程中轉(zhuǎn)運站部件的振動、磨損以及堵料撒料等問題嚴重影響其使用壽命，惡化工作環(huán)境。

離散單元法主要用于分析物料顆粒在給定條件下的運動特性，很多學(xué)者運用離散單元法對物料的流動狀態(tài)進行模擬分析。EDEM軟件是一款基于離散單元法的仿真軟件，可以建立顆粒模型并對顆粒物料的流動進行仿真和分析。本文基于離散單元法，運用EDEM軟件對轉(zhuǎn)運站的物料流動狀態(tài)進行仿真分析，以期對轉(zhuǎn)運站的設(shè)計提供參考[1-3]。

1 轉(zhuǎn)運站工作過程

本文以某物料輸送系統(tǒng)轉(zhuǎn)運站為研究對象，轉(zhuǎn)運站工作過程示意圖如圖1所示。

送料輸送帶啟動運行后，物料隨輸送帶運行至卸料滾筒，經(jīng)平拋運動后進入頭罩，碰撞后在重力作用下下落經(jīng)轉(zhuǎn)運溜槽到達受料輸送帶，物料隨受料輸送帶運行，完成轉(zhuǎn)運過程。

圖1 轉(zhuǎn)運站工作過程

2 仿真模型建立

為了減小物料與前護板的沖擊作用，根據(jù)物料的平拋運動軌跡，將頭罩的前護板設(shè)計成曲面形式；為了便于安裝和維護，將頭罩漏斗進行整體式設(shè)計。為了減小物料流拋出與頭罩碰撞下落后對溜槽的沖擊力和磨損，本文設(shè)計了曲線形式的溜槽，使物料沿溜槽壁向下運動，減少因沖擊碰撞而產(chǎn)生的粉塵，同時以最接近受料輸送帶的速度和方向卸載物料，減小受料輸送帶的磨損，降低設(shè)備運行成本并增加使用壽命[4-6]。

為了研究轉(zhuǎn)載角度以及轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)形式對物料運行狀態(tài)的影響，本文分別對0°、90°和180°轉(zhuǎn)載角情況下圓弧溜槽、直線加圓弧組合溜槽、圓弧加直線組合溜槽進行對比仿真分析[7-8]，工況表如表1所示。

表1 工況表

運用三維建模軟件建立轉(zhuǎn)運站仿真幾何模型，圓弧形溜槽轉(zhuǎn)運站幾何模型如圖2所示。

圖2 圓弧形溜槽轉(zhuǎn)運站幾何模型

3 仿真參數(shù)設(shè)定

將所建立的三維模型保存成通用格式并導(dǎo)入EDEM軟件，定義相關(guān)參數(shù)進行仿真。轉(zhuǎn)運物料的主要參數(shù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)運物料主要參數(shù)

本文采用的基礎(chǔ)接觸模型為EDEM軟件中的默認接觸模型，即Hertz-Mindlin（no slip）模型，物料在轉(zhuǎn)運站輸送過程中存在著物料與物料、物料與橡膠、物料與鋼的接觸。參考相關(guān)資料，設(shè)定仿真材料屬性如表3所示，接觸屬性如表4所示。

表3 仿真材料屬性表

在EDEM仿真軟件中，可以通過將不同數(shù)量和尺寸的球體顆粒進行組合，構(gòu)成較符合實際物料顆粒的模型。本文采用4個球體來組合成近似物料的顆粒模型。完成物料顆粒模型和設(shè)備參數(shù)設(shè)定之后，開始對物料在轉(zhuǎn)運站中的運行狀態(tài)進行仿真。根據(jù)需求定義仿真過程，仿真完成后可以得到物料顆粒運動過程的相關(guān)參數(shù)。不同工況下物料流動狀態(tài)的分析能夠幫助設(shè)計者預(yù)測物料在轉(zhuǎn)運站中的流動情況，從而幫助設(shè)計出更加合理的轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)。

表4 接觸屬性表

4 結(jié)果分析

4.1 輸送量監(jiān)測

為了使仿真計算結(jié)果更接近于實際運行狀態(tài)，對各工況仿真過程的送料輸送帶和受料輸送帶上的物料流量進行監(jiān)測，工況1的輸送量監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，送料輸送帶上單位長度質(zhì)量監(jiān)測盒子內(nèi)的物料質(zhì)量穩(wěn)定在86.5 kg左右。輸送過程中物料速度跟輸送帶帶速相同，即3.5 m/s，根據(jù)輸送量和物料速度計算，單位長度輸送帶上的質(zhì)量應(yīng)為85.7 kg，跟實際監(jiān)測結(jié)果基本一致，參數(shù)設(shè)置符合輸送量和帶速要求，其余各工況輸送量監(jiān)測結(jié)果與工況1類似。另外，工況1在運行3 s后受料輸送帶物料質(zhì)量趨于穩(wěn)定，即系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，因此，后續(xù)工況1應(yīng)針對系統(tǒng)運行3 s后的數(shù)據(jù)進行分析。

圖3 工況1的輸送量監(jiān)測結(jié)果

4.2 速度分析

為了研究轉(zhuǎn)載角相同時不同溜槽形式對物料轉(zhuǎn)運速度的影響，分別對各工況時轉(zhuǎn)運溜槽的出口速度進行監(jiān)測，速度監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在0°轉(zhuǎn)載角時，工況1和工況7的轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿X方向的分速度更接近于受料輸送帶速度，工況4轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿Y方向的分速度最大；在90°轉(zhuǎn)載角時，工況8的轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿X方向的分速度更接近于受料輸送帶速度，工況5轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿Y方向的分速度最大；在180°轉(zhuǎn)載角時，工況9的轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿X方向的分速度更接近于受料輸送帶速度，工況6轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿Y方向的分速度最大。

圖4 速度監(jiān)測結(jié)果

由物料的轉(zhuǎn)運過程可知，轉(zhuǎn)載溜槽出口處速度沿X方向的分速度越接近于受料輸送帶速度時，物料對皮帶的沖擊磨損越小，同時，沿Y方向的分速度越大則對受料輸送帶的沖擊也越大。

4.3 質(zhì)量對中性分析

為了研究轉(zhuǎn)載角及溜槽形式對物料轉(zhuǎn)運過程中受料輸送帶上物料顆粒對中性的影響，分別對各工況時受料輸送帶兩側(cè)的物料質(zhì)量進行監(jiān)測。定義兩側(cè)物料質(zhì)量差的絕對值作為對中性的指標之一，各工況時兩側(cè)物料質(zhì)量差的絕對值均值如圖5所示。由圖可知，在0°轉(zhuǎn)載角時，工況1物料對中性較好；在90°轉(zhuǎn)載角時，工況8物料對中性較好；在180°轉(zhuǎn)載角時，物料對中性差異不大。

圖5 兩側(cè)物料質(zhì)量差的絕對值均值

5 結(jié)束語

本文以某物料輸送系統(tǒng)轉(zhuǎn)運站為研究對象，對其工作過程進行分析，運用三維建模軟件對不同轉(zhuǎn)載角度和不同結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)運溜槽的轉(zhuǎn)運站進行建模，并導(dǎo)入離散元仿真軟件EDEM對轉(zhuǎn)運站內(nèi)部物料流動狀態(tài)進行模擬仿真，得出如下結(jié)論。

（1）運用離散元仿真軟件可以實現(xiàn)物料轉(zhuǎn)運過程的可視化，得出物料在轉(zhuǎn)運站內(nèi)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，可用于優(yōu)化轉(zhuǎn)運站的結(jié)構(gòu)。

（2）仿真過程的物料輸送量監(jiān)測結(jié)果跟實際運行參數(shù)基本一致，驗證了仿真實驗的準確性。

（3）物料流出轉(zhuǎn)運溜槽的速度和物料的對中性跟轉(zhuǎn)載角和轉(zhuǎn)運溜槽的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。

運用離散元仿真軟件對轉(zhuǎn)運站內(nèi)物料流動狀態(tài)進行仿真能夠預(yù)測物料顆粒的運行狀態(tài)，為散狀物料輸送系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支撐。