基于EDEM的輸送帶動態(tài)跑偏仿真分析

余 浩，劉紅梅,2，田俊杰，張 健，艾聞博，姚 慶

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

散裝物料裝載與運(yùn)輸普遍存在于建材、煤炭、冶金、礦業(yè)、化工和糧食等領(lǐng)域中，帶式輸送機(jī)在散料運(yùn)輸過程中具有重要地位[1]。帶式輸送機(jī)作為主要運(yùn)輸設(shè)備，常因輸送過程中物料分布不均勻而引起輸送帶的跑偏，進(jìn)而使輸送帶邊緣產(chǎn)生撕裂，導(dǎo)致物料灑落[2]，造成嚴(yán)重?fù)p失。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)對帶式輸送機(jī)更大輸送量的需求，以及對不同物料混合輸送的要求，對輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。由于目前帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中存在輸送帶磨損及跑偏問題，因此，不得不減少輸送帶上物料輸送量來確保輸送過程中的安全性和連續(xù)性，影響了企業(yè)生產(chǎn)效益。

本文針對某建筑固廢處理企業(yè)骨料運(yùn)輸過程中，輸送帶的跑偏問題展開研究，通過三維軟件SolidWorks建立系統(tǒng)模型，應(yīng)用EDEM軟件對骨料輸送過程中輸送帶跑偏過程進(jìn)行仿真研究，給出評價指標(biāo)。

1 離散單元法理論

離散單元法(DEM)自1971年提出以來，其模型和算法都在不斷的改進(jìn)和發(fā)展，在散體分析領(lǐng)域具有很大的優(yōu)越性，已成為研究散體物料與邊界相互作用和顆粒群體動力學(xué)問題的通用方法[3]。離散單元法[4]用于計(jì)算帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中骨料運(yùn)行情況，可仿真每個骨料顆粒的運(yùn)動情況，顆粒與顆粒相互作用，顆粒與邊界的相互作用，通過求解和后處理，可得到具有高參考價值的數(shù)據(jù)信息，用于優(yōu)化皮帶機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5-7]。

1.1 離散單元計(jì)算模型

離散單元基本運(yùn)動方程[8]為

(1)

m為顆粒質(zhì)量；Χ為顆粒位移；t為分析時間；c為顆粒間黏性阻尼系數(shù)；k為顆粒剛度；F為施加載荷。

(2)

Δt為計(jì)算時步。

則單元在t時刻的速度與加速度為：

(3)

(4)

可以運(yùn)用循環(huán)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。循環(huán)計(jì)算滿足2組方程即可，這些方程是動力學(xué)方程：牛頓第二定律運(yùn)動方程和力學(xué)位移方程。圖1為離散元法計(jì)算模型。

圖1 離散元法計(jì)算模型

1.2 離散元法單元模型

接觸模型是離散元法的基礎(chǔ)，離散元法接觸模型依據(jù)接觸方式分為2種，分別為硬球模型和軟球模型[9]。硬球模型[10]是完全忽略顆粒形變，通過顆粒間相對位置與動量和角動量守恒求解碰撞動力過程，其中非完全彈性碰撞特性和摩擦通過恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)引入，多應(yīng)用于求解二體碰撞動力學(xué)，故只能適用稀疏快速顆粒流。軟球模型[11-12]通過計(jì)算顆粒間受力、形變及求解過程，可適用于多體動力學(xué)。由于輸送帶運(yùn)輸?shù)氖窃偕橇?主要成分是石、砂)，考慮到運(yùn)輸過程中骨料顆粒之間、骨料與輸送帶，及骨料與導(dǎo)料槽接觸碰撞，采用Hertz-mindlin (no slip)軟球模型。在軟硬球模型基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出針對非球形顆粒碰撞過程的硬顆粒模型(GHPM)[13]和軟顆粒模型(SIPHPM)[14]。

EDEM軟件可以為固體顆粒系統(tǒng)建立參數(shù)化模型，通過導(dǎo)入真實(shí)顆粒的CAD模型來準(zhǔn)確描述顆粒的形狀，通過添加力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)來建立顆粒模型，并且在模擬過程中把生成的數(shù)據(jù)儲存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

EDEM軟件處理模型時，對于顆粒間的接觸作用力體現(xiàn)形式用彈性阻尼器和滑動摩擦元件呈現(xiàn)[15]。通過局部坐標(biāo)系對摩擦元件和彈性阻尼器分別用切線方向和法線方向來設(shè)定。當(dāng)摩擦力小于切向力時，模型單元間會發(fā)生相對滑動位移，摩擦元件產(chǎn)生摩擦阻力；當(dāng)摩擦力較大時不會產(chǎn)生相對位移，此時只有彈性阻尼器產(chǎn)生作用，此模型可視為剛性，顆粒間接觸模型如圖2所示。其中，kt、kn為剛度系數(shù)；ct、cn為阻尼系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)。

圖2 顆粒間接觸模型

2 仿真模型創(chuàng)建及數(shù)據(jù)分析

2.1 研究對象

本文主要關(guān)注帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸物料過程中因?yàn)槁淞蠁栴}而導(dǎo)致輸送帶產(chǎn)生跑偏的問題，在對企業(yè)調(diào)研過程中分析其生產(chǎn)現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線上帶式輸送機(jī)輸送帶出現(xiàn)跑偏問題主要在其導(dǎo)料過程(即落料過程)。在生產(chǎn)中需要將物料分別送入不同料庫中，而因?yàn)樯a(chǎn)空間布局等多因素問題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)站高度也存在差異，這造成了生產(chǎn)線上不同高度轉(zhuǎn)運(yùn)站下段的受料輸送帶出現(xiàn)程度不一的跑偏現(xiàn)象。同時，在生產(chǎn)調(diào)整過程中，會對帶式輸送機(jī)帶速進(jìn)行改變以維持生產(chǎn)線運(yùn)行，這有時也會造成輸送帶出現(xiàn)跑偏問題。再者，對于建筑固廢生產(chǎn)企業(yè)來說，需要維持企業(yè)生產(chǎn)線上粉塵污染不超標(biāo)，因此，為達(dá)到降塵標(biāo)準(zhǔn)，對運(yùn)輸?shù)奈锪项w粒進(jìn)行降水除塵處理，這也使得物料流在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中出現(xiàn)偏移引起輸送帶跑偏現(xiàn)象。因此，針對這些問題，對物料顆粒以不同落料高度、不同落料速度及不同顆粒濕度等條件探究其在導(dǎo)料過程中運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用單因素變量法分析各變量對下段受料輸送帶跑偏情況的影響。

以生產(chǎn)線上帶式輸送機(jī)輸送物料(石、砂混合物為主)作為運(yùn)輸材料。其顆粒模型如圖3所示，顆粒與材料屬性如表1所示，接觸參數(shù)如表2所示。

圖3 顆粒模型

表1 顆粒與材料屬性

表2 接觸參數(shù)設(shè)置

對于下段輸送帶因受料不均而引起的跑偏問題，其評價指標(biāo)為輸送帶左右兩側(cè)物料質(zhì)量比與導(dǎo)料槽出口處物料顆粒的Z方向速度，其質(zhì)量比值與1的差距越小說明輸送帶兩側(cè)質(zhì)量越均勻，輸送帶跑偏趨勢較??；反之，越不均勻，輸送帶易跑偏，趨勢較大。其在下段輸送帶中的位置如圖4所示。圖4是投影水平垂直的2條輸送機(jī)在進(jìn)行物料輸送，上段輸送帶通過導(dǎo)料槽將物料運(yùn)輸?shù)较露屋斔蜋C(jī)上進(jìn)行輸送，輸送機(jī)運(yùn)輸量為70 kg/s，輸送帶帶寬為800 mm，帶速為1.5 m/s。

圖4 各監(jiān)測域位置設(shè)置

2.2 不同高度下物料顆粒對輸送帶跑偏仿真

在實(shí)際生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)，不同高度轉(zhuǎn)運(yùn)站下段輸送帶跑偏程度不一，因此將落料高度設(shè)置為單一變量，通過落料高度變化觀察其對下段輸送帶跑偏程度影響。

本文對轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置不同高度以驗(yàn)證其對物料流的導(dǎo)向作用，高度差以0.4 m為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)運(yùn)站高度分別為2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m。并對其不同高度下物料顆粒落料口處速度與下段輸送帶上左右物料質(zhì)量比進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 不同高度下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比

由表3可知，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)站高度分別為2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m時，物料流在導(dǎo)料槽落料口處合速度依次為1.342 m/s、1.438 m/s、1.512 m/s、1.596 m/s、1.623 m/s，隨著帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站高度的增加，物料顆粒下落到導(dǎo)料槽落料口處合速度也在增加，沿著X、Y、Z方向的各速度也處于上升趨勢。在實(shí)際的轉(zhuǎn)運(yùn)站中，物料顆粒在轉(zhuǎn)運(yùn)中與導(dǎo)料槽底部進(jìn)行碰撞轉(zhuǎn)彎主要轉(zhuǎn)為X方向速度，與輸送帶運(yùn)輸方向相一致，其運(yùn)動狀態(tài)如圖5所示。

圖5 物料顆粒流在導(dǎo)料槽底部運(yùn)動狀態(tài)

隨著轉(zhuǎn)運(yùn)站高度的增加，則物料顆粒的合速度在導(dǎo)料槽底部產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，主要轉(zhuǎn)為X方向速度，這是轉(zhuǎn)料站高度增加時，物料流動能與勢能轉(zhuǎn)為下段沿輸送帶運(yùn)輸方向，對應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)站2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m的高度，其物料流X方向速度分別為1.305 m/s、1.410 m/s、1.495 m/s、1.591 m/s、1.608 m/s。說明轉(zhuǎn)運(yùn)站高度越大，X方向速度(沿著輸送帶速度方向、負(fù)號為物料顆粒流方向)越大。對比物料顆粒流在導(dǎo)料槽出料口處Y方向速度(垂直于輸送帶方向)，不同高度轉(zhuǎn)運(yùn)站下Y方向速度分別為0.018 m/s、0.034 m/s、0.060 m/s、0.106 m/s、0.124 m/s，隨著物料落料高度的增加，物料流的Y方向速度(負(fù)號為物料顆粒流方向)也在增加，說明勢能一部分轉(zhuǎn)為與轉(zhuǎn)彎處接觸磨損消耗，另一部分轉(zhuǎn)為物料流顆粒動能。對于物料流Z方向速度即沿輸送帶側(cè)向速度，其關(guān)乎在下段輸送帶左右兩側(cè)的物料分布情況。對于5種不同高度的轉(zhuǎn)運(yùn)站，其對應(yīng)Z方向速度分別為0.007 m/s、0.019 m/s、0.064 m/s、0.071 m/s、0.099 m/s。說明隨著轉(zhuǎn)運(yùn)站高度增加，物料顆粒流Z方向速度增大，物料顆粒流逐漸向輸送帶右側(cè)堆積，導(dǎo)致輸送帶左右兩側(cè)質(zhì)量差增大，其質(zhì)量比與均衡值1之間差值增大，輸送帶跑偏趨勢變大。

2.3 不同落料速度下物料顆粒對輸送帶跑偏仿真

在分析輸送帶落料不均引起的輸送帶跑偏問題，需要關(guān)注落料速度對其落料分布的影響。物料顆粒的初始速度(落料速度)是由上段輸送帶輸送速度直接決定的，在生產(chǎn)實(shí)際中隨著輸送量與生產(chǎn)工況的不同，輸送帶帶速也會進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，故對物料顆粒的落料速度進(jìn)行研究，分析不同落料速度下物料顆粒對輸送帶跑偏的影響。對物料顆粒落料速度以0.5 m/s為速度差，分別施加0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s落料速度。不同落料速度下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

表4 不同落料速度下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比

由表4可知，隨著物料顆粒落料速度的增加，則物料流顆粒下落到導(dǎo)料槽底部出料口的合速度也在上升，X方向速度、Y方向速度和Z方向速度均呈現(xiàn)上升趨勢。在實(shí)際物料輸送系統(tǒng)中，上段輸送帶帶速增加，則物料流顆粒初速度增加，在經(jīng)過導(dǎo)料槽上部的擋板與導(dǎo)料槽底部的轉(zhuǎn)彎處使物料顆粒流產(chǎn)生二次變向，由于物料顆粒流與轉(zhuǎn)運(yùn)站接觸、物料顆粒與物料顆粒接觸而損失一部分動能，但整體趨勢是相一致的，隨著上段輸送帶速度(即物料流顆粒初始落料速度)增加，其在導(dǎo)料槽底部合速度及其各方向速度均呈現(xiàn)上升趨勢，對于Z方向速度，其增加意味著輸送帶左右兩側(cè)物料質(zhì)量差呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，即輸送帶兩側(cè)質(zhì)量比與均衡值1差距越發(fā)拉大，說明隨著物料流初始速度增加，其達(dá)到導(dǎo)料槽底部各項(xiàng)分速度也呈增加趨勢，輸送帶左右兩側(cè)質(zhì)量差增大，輸送帶側(cè)向跑偏趨勢加大。

2.4 不同物料濕度對輸送帶跑偏仿真

在物料顆粒輸送過程中，生產(chǎn)線上出于降低粉塵需要會在上段輸送帶前端設(shè)置噴水壓塵裝置，因此會使物料濕度產(chǎn)生變化引起其落料在下段輸送帶的分布不均造成輸送帶跑偏現(xiàn)象，故對物料設(shè)置不同濕度以分析其對輸送帶跑偏的影響。在EDEM中，由于物料顆粒的含水量不同，物料顆粒表面能也不同，且物料濕度與物料顆粒表面能呈正相關(guān)關(guān)系，故用表面能表示物料顆粒濕度。對物料顆粒表面能分別設(shè)置為0、100 J/m3、200 J/m3、300 J/m3、400 J/m3。不同物料顆粒表面能下物料出料口速度與下段輸送帶上左右物料質(zhì)量比進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同物料顆粒表面能下物料出料口速度與下段輸送帶左右物料質(zhì)量比

由表5可以知道，隨著物料顆粒的濕度增大，其在導(dǎo)料槽底部出料口的合速度呈現(xiàn)下降趨勢，X方向速度、Y方向速度和Z方向速度均呈現(xiàn)下降趨勢。在實(shí)際物料輸送系統(tǒng)中，隨著物料間濕度加大，會增加物料顆粒與顆粒之間的粘結(jié)力，造成能量損失，同時物料顆粒還存在與導(dǎo)料槽之間接觸碰撞而引起能量損失，進(jìn)一步減小了物料顆粒流在出料口的合速度以及各項(xiàng)分速度，因此對于Z方向速度越發(fā)減小，而造成物料流顆粒在下段輸送帶上越發(fā)居中，輸送帶兩側(cè)質(zhì)量比與均衡值1越來越接近，也就是輸送帶上物料分布均勻，輸送帶跑偏趨勢呈下降趨勢。

不同物料顆粒表面能下輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和如圖6所示。

圖6 不同物料顆粒表面能下輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和

由圖6可知，物料顆粒表面能為0時輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為140.64 kg，物料顆粒表面能為100 J/m3時輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為139.32 kg，物料顆粒表面能為200 J/m3時輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為139.02 kg，物料顆粒表面能為300 J/m3時輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為138.38 kg，物料顆粒表面能為400 J/m3時輸送帶兩側(cè)質(zhì)量和為137.43 kg。說明隨著物料顆粒濕度加大，其易粘聚成團(tuán)，且容易附著導(dǎo)料槽，造成導(dǎo)料槽產(chǎn)生堵塞，減少物料輸出量。因此，在建筑固廢處理過程中使用澆水降塵時對用水量需要進(jìn)行注意，防止用水量過大導(dǎo)致物料顆粒粘稠堵塞導(dǎo)料槽。

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用單因素控制變量法，通過EDEM仿真計(jì)算，分析了不同落料高度、不同落料速度及不同濕度狀態(tài)下對物料流在導(dǎo)料槽出料口處速度與輸送帶跑偏的影響。通過對比發(fā)現(xiàn)，物料落料高度、落料速度及物料顆粒濕度對帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)會產(chǎn)生影響，在此情況下單一改變某一參數(shù)會降低輸送帶跑偏趨勢。研究發(fā)現(xiàn)：在一定條件下輸送帶跑偏趨勢隨落料高度增加而增加，也隨落料速度增加而增加，但是與物料濕度成相反趨勢，即物料濕度增大，輸送帶跑偏趨勢減小，但需注意物料濕度增加，物料附著導(dǎo)料槽影響下段輸送帶受料。本文的研究對后期帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站系統(tǒng)研究、降低輸送帶跑偏頻率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性起到促進(jìn)作用。