基于DEM的斗式提升機裝載物料過程分析

郭開璽，姚麗英，張榕慧，高宇龍，張占東

（山西大同大學(xué)機電工程學(xué)院，山西 大同 037003）

1 前言

斗式提升機是一種能夠?qū)㈩w粒狀、粉末狀以及小型塊狀物料進行垂直提升的常用運輸設(shè)備，其被廣泛應(yīng)用在礦料運輸、建材、糧食、化工等行業(yè)中。斗式提升機輸送效率的高低往往體現(xiàn)在裝料過程與卸料過程中，其中提升機速度的過快或過慢會導(dǎo)致料斗中物料的裝載效果不佳，并可能會影響料斗提升機的使用壽命，因此對料斗提升機的物料裝載過程進行仿真分析，有利于改善其運輸性能。物料進入料斗的流動特性可以直接體現(xiàn)出提升機的載料性能，因此分析物料的顆粒軌跡分布及料斗所受承接壓力情況，對斗式提升機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

目前，為提高斗式提升機的生產(chǎn)效率，國內(nèi)學(xué)者對其開展了大量研究，但主要集中在提升機的卸料方面。歐陽峰,孟文俊等人針對斗式提升機的物料卸載流動進行了離散元模擬，分析了影響物料卸載的相關(guān)因素，得到了卸料效果較好的參數(shù)組合；潘煥,張平等人對斗式提升機返料控制進行了試驗研究，通過研究出料槽高度對返料率的影響，為斗式提升機返料率的精確控制提供了依據(jù)；石明,梁國珍等人對斗式提升機的卸料方式及卸料曲線進行了研究，探討并解決了斗式提升機使用過程中的常見問題。

綜上所述，本文將對斗式提升機物料的裝載過程進行研究分析，利用EDEM軟件對物料裝載過程進行離散元模擬，對比研究不同速度下提升機的物料裝載情況和物料特性。

2 斗式提升機物料裝載方式

斗式提升機在垂直輸送物料時，是由下部裝料、上部卸料，提升機所輸送物料的特性不同，其物料的裝載形式也會不一樣。根據(jù)所輸送物料特性，斗式提升機的物料裝載方式一般有掏入式、流入式兩種。

掏入式物料裝載方式是指物料由進料口流至提升機尾部，當料斗轉(zhuǎn)動經(jīng)過尾部時將物料掏入料斗中，掏入式物料裝載如圖1所示。掏入式裝料方式一般適用于粉末狀、小顆粒狀的無磨琢性物料，此類物料在掏取時不會產(chǎn)生較大阻力，因此不會對斗式提升機造成較大磨損。

圖1 掏入式物料裝載

流入式物料裝載方式是指物料由進料口直接流入至提升機料斗中，流入式物料裝載如圖2所示。流入式裝料方式一般適用于塊狀較大、大顆粒狀的大磨琢性物料，例如煤粒、碎礦石等物料，此類物料在掏取時會產(chǎn)生較大阻力，從而會對料斗提升機造成較大損害，故采用流入式裝料方式。

圖2 流入式物料裝載

因本文采用煤粒作為物料研究對象，故僅針對流入式物料裝載方式開展離散元模擬研究。

3 離散元模型建立及參數(shù)設(shè)定

3.1 斗式提升機模型建立及其參數(shù)設(shè)定

利用SolidWorks軟件建立簡化斗式提升機物料裝載3D模型。斗式提升機的物料裝載運動發(fā)生在提升機下半部分，因此簡化掉卸料部分僅保留裝料部分，如圖3所示。提升機料斗形式為尖角料斗，材料為碳鋼。將所建模型導(dǎo)入EDEM軟件，設(shè)置結(jié)構(gòu)體材料參數(shù)，其中泊松比為0.28；密度為7800kg/m3；剪切模量為8.1e+10Pa。

圖3 斗式提升機模型

3.2 顆粒模型建立及其參數(shù)設(shè)定

選擇煤粒作為斗式提升機的輸送物料，由于煤粒一般是不規(guī)則多面體，所以先在AutoCAD軟件建立類似模型，然后導(dǎo)入至EDEM軟件中進行填充，顆粒填充模型如圖4所示。設(shè)置煤粒的物性參數(shù)，其中泊松比為0.28；密度為1600kg/m3；剪切模量為1.98e+09Pa。煤與斗式提升機、煤與煤接觸的物性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 顆粒模型

表1 煤與碳鋼、煤與煤接觸物性參數(shù)

4 離散元模擬及仿真結(jié)果分析

4.1 模擬仿真參數(shù)設(shè)定

在完成離散元模型的建立以及全局參數(shù)設(shè)置之后，先進行仿真參數(shù)設(shè)定，其中時間步長設(shè)置為Rayleigh時間步長的19.3681%，來確保模擬的穩(wěn)定性；仿真時長設(shè)置為3s，數(shù)據(jù)的存儲時間間隔為0.01s；設(shè)網(wǎng)格大小為2.5R min。仿真參數(shù)設(shè)定完成便開始離散元模擬仿真。

4.2 仿真結(jié)果分析

在不同的提升機料斗速度下，其料斗裝載物料的數(shù)量不同。料斗在不同速度下對物料的裝載情況如圖5所示。由圖可以看出，其物料的裝載數(shù)量與斗速成反比。在料斗即將完成物料裝載進行垂直提升之際，會分割物料流，改變處于料斗口處的顆粒流動軌跡，不同斗速下的顆粒流動軌跡如圖6所示，由圖可以看出，斗速越大對料斗口處顆粒流動軌跡的擾動越大。

圖5 不同速度下料斗的物料裝載情況

圖6 不同斗速下料斗口處的顆粒流動軌跡

料斗在裝載物料過程中會承受來自物料流的沖擊壓力。不同斗速下，料斗所承受的壓力變化如圖7～9所示。由圖可以看出，任何斗速下，料斗承接物料時都會承受一次最大的瞬時沖擊壓力，但斗速過快時，其承受的瞬時沖擊壓力會突增，使得料斗承受壓力不穩(wěn)定，進而可能會使得料斗連接結(jié)構(gòu)受影響。

圖7 斗速0.8m/s時料斗承受壓力變化曲線

圖8 斗速1.2m/s時料斗承受壓力變化曲線

圖9 斗速1.6m/s時料斗承受壓力變化曲線

5 結(jié)語

以煤粒為介質(zhì)對斗式提升機流入式裝載物料過程進行了離散元模擬分析，得到了以下結(jié)論。斗式提升機速度過快，其料斗裝載物料越少，輸送效率越低，速度過慢，料斗裝載物料過多，從而使卸料過程中發(fā)生物料回流現(xiàn)象。根據(jù)仿真分析可知流入式斗式提升機在裝載煤時，其速度設(shè)為1.2m/s左右時裝料效果較好，并且提升機在這個速度下對物料顆粒流動軌跡造成的干擾相對不大，也不會使煤粒對料斗造成過大的瞬時沖擊壓力。

本文研究結(jié)果為流入式斗式提升機裝載物料的速度設(shè)定及料斗優(yōu)化設(shè)計提供了參考。