叶 涛，郭晓浩，白 巍，刘付志标



物料转载系统的结构仿真分析与优化

叶 涛1，郭晓浩1，白 巍2，刘付志标1

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.湖北通惠工业集成科技有限公司，湖北 荆门市 448000)

随着国内物料运输设备的迅速发展，传统的物料转载系统已不能够满足现状的需求，且转载系统的磨损、扬尘、堵塞以及跑偏等问题愈渐突出。在大量现场研究的基础上，深入分析了现有传统物料转载系统的弊端，并应用EDEM软件对物料在溜槽内的运动过程进行了仿真分析，根据分析结果对其结构从多方面进行了改进优化，以达到降低磨损、减少扬尘、避免堵塞和跑偏的目的，最后对优化后的溜槽进行仿真试验，验证了其可行性。

EDEM；物料转载系统；曲线溜槽

散状物料转载系统在物料运输与装载系统中起着至关重要的作用，转载点溜槽系统作为整个系统的咽喉，其设计的好坏严重影响着整个系统的输送效率和运行安全[1]。尽管我国科学技术得到了巨大的发展，但是散状物料转载系统的问题尚未引起足够重视，暴露了一些在转载过程中的浪费与安全性问题，如由于转载系统设计不合理，导致溜槽磨损，增加了设备维护费用以及人力资源；同时由于系统中的粉尘问题，使得设备作业环境更为恶劣，威胁操作人员的生命安全。因此有必要对散粒物料在转载系统的结构进行优化。

1 传统散状物料转载系统分析

下料溜槽在转载运输过程中起着导流和改向的作用，其结构如图1所示。由于其结构设计不够合理，导致出现多种突出性问题，如溜槽的磨损、系统的堵塞、扬尘、跑偏以及撒料等，影响了系统的正常运行[2−3]。

1.1 溜槽磨损

物料以一定的速度离开运输带后的运动相当于抛物线运动，其运动轨迹为抛物线。由于溜槽的空间限制，物料将与溜槽壁产生撞击，同时，运动方向与速度会发生改变，从而加剧溜槽壁的磨损。

1.2 系统堵塞

现有的下料溜槽其截面基本为方形，且由于结构设计不合理，物料与溜槽壁的冲击角度过大，导致物料的动能大幅度降低，不利于物料的连续运动。特别是当物料运动到溜槽两侧直角部位，由于直角不便于加工，粗糙度高，摩擦阻力大，且受到两侧壁的共同摩擦导致速度迅速减小甚至到零，形成挂料，当挂料逐渐累积加厚，导致溜槽的过流面积逐渐减小，最终导致堵塞[4−5]。

图1 溜管结构简化图

1.3 系统扬尘

当物料从滚筒抛出后，物料与溜槽壁发生爆炸式冲击产生大量粉尘[5]；在物料进入溜槽时由于物料的分散性，物料会与空气混合形成高压含尘气流且伴随有诱导风[5−6]；物料在溜槽内的不同部位运动速度不同，导致溜槽内存在气压差，形成空气的紊流，产生粉尘；当物料从溜槽抛出后与下方运输带产生冲击，且由于运输带是柔性元件，受到冲击时伴随有皮带的抖动，也会产生大量的粉尘。

1.4 皮带跑偏

转载系统在安装时不正，输入输出运输带中心线不平行，造成落料点不正；溜槽内部不平整，导致物料在溜槽内运动轨迹发生偏移，同样会造成跑偏。对转载系统的技术改造与革新一直以来都是建材行业的难题，尤其在水泥生产、以及矿物运输等过程中，转载系统的磨损堵料、扬尘、撒料等问题给生产环境、人身安全带来巨大的威胁，造成不必要的物料浪费以及高昂的人工维护费用[7−8]。

2 传统散状物料转载系统的仿真 分析

传统散状物料转载系统的结构尺寸相差很大，但其工作原理殊途同归。已知湖北某厂散状物料转载系统皮带6637到6639的现场状况为：带宽为1000 mm；带速为1.6 m/s；滚筒直径为400 mm；运输量为400 t/h；物料为水泥熟料，粒度为20~40 mm，物料冬季工作温度为80 ℃~100 ℃，夏季工作温度为200 ℃~240 ℃。

在实际运输中物料颗粒大小、形状差别很大，在DEM仿真过程中经常采用简单的颗粒外形取代复杂的颗粒外形[9]。为了能够更加接近输送物料的形状，在本仿真过程中采用正四面体取代复杂的水泥熟料颗粒[10]，颗粒形状如图2所示(颗粒的填充效果如图3所示)，且其粒度在20~40 mm服从标准正态分布，其均值为30 mm。

图2 颗粒形状

图3 颗粒的填充效果

图4 水平离心卸料

图5 水平重力卸料

由已知条件可得：

可知物料的卸载方式为水平离心卸料，等价于物料直接从水平皮带离开，而不与滚筒接触，进而可对模型简化。假设物料分布连续均匀，忽略空气阻力，应用EDEM仿真软件进行仿真，得到某一时刻的仿真结果如图6所示。

通过EDEM软件对物料颗粒在转载系统运动的仿真，可以直观观察到各区域的物料颗粒的速度大小分布，以及物料在转载系统中的运动轨迹[10]。图6显示了该转载系统物料运行稳定时，熟料颗粒的速度大小分布和物料运动轨迹，其最大速度为6.72 m/s，物料碰撞时的颗粒运动轨迹的切向方向与碰撞区域的法线方向的夹角为，该值越小，表明在速度相等的条件下碰撞越剧烈，对溜槽的磨损越大，一般当值大于70°时较为理想[4, 10]。且通过观察可发现，物料在通过溜槽尾部时速度较大，会产生强烈的诱导风，且物料较分散，这是产生扬尘的主要原因之一。

图6 仿真结果

3 散状物料转载系统的优化与仿真

3.1 调整板的使用

针对下料溜槽的磨损问题，常见的解决办法是使用由支架与耐磨板组成的缓冲箱，其结构如图7所示，其工作原理是早期的物料进入缓冲箱后，发生堆积，后期进入的物料冲击在堆积的物料上而不是缓冲器上，可以降低磨损，但其所占空间较大，且易造成堵塞。

另一种方法是使用调整板，其结构如图8所示，即在溜槽的入料与出料的端口处分别添加一个能够调节其角度的调整板，对物料的运动进行约束，将物料对溜槽壁的爆炸式冲击转换为约束式冲击，且能够有效地增大颗粒运动轨迹的切向方向与碰撞区域的法相方向的夹角，且当夹角大于70°时，能有效降低磨损。

图7 缓冲器结构

图8 调整板结构

使用调整板结构简单，且便于维护，相对于使用缓冲器更加合理。为进一步研究调整板的形状对运输过程中水泥熟料下料溜槽所受的冲击和磨损的影响，对不同形状的调整板建模，并导入EDEM仿真软件中进行仿真分析。

通过调整使物料在调整板处发生柔性碰撞，所以应主要考虑调整板处的受力情况。对转载机构受力情况的分析一般不采用冲击力来评价，而是使用冲击系数进行评价，已知冲击系数的计算公式为：

式中：F为冲击力；为产生冲击力的颗粒的重力。

冲击力可以通过EDEM仿真软件的Analyst模块测得，通过对溜槽端部滚筒卸料处仿真分析，得到的冲击力和冲击系数如表1所示。

由表1可知，通过使用有阶梯的调整板，相对于无阶梯的调整板在一定的程度上能够降低磨损，但是降低程度有限，而使用弧形调整板，能够大幅度降低磨损，可见弧形的调整板相对于有阶梯的调整板在降低磨损方面更加高效。但是在实际生产中，弧形调整板制造和安装的难度大，因此可以考虑使用折线式调整板代替，且为了使调整板具有一定的聚集物料的作用，可以使调整板在纵向上也有一定的弧度，其结构模型如图9所示。

应用EDEM软件对折线式调整板进行仿真分析，发现该结构虽然相对于弧形调整板受力稍差，但是差距不大，且相对于有阶梯的调整板还是有相当的优势，而且有较好的聚集物料流的作用。其冲击力和冲击系数见表1。

图9 折线式调整板

表1 冲击力和冲击系数

且当调整板的上端面大于下端面时，对物料有一定的聚流作用，可以降低物料下落过程中诱导风的产生，能够在一定程度上从源头降低粉尘的产生。

3.2 多边形曲线溜槽

常规使用的溜槽系统大部分还是传统的方形直管，只是下端进行一些简单的机械弯曲[11]。这种溜槽虽然结构简单，制造成本低，但是也伴随着易堵塞、粉尘大、磨损快及跑偏等问题。较之方形溜槽，使用圆形曲线溜槽，能够依靠溜槽的弯曲增加摩擦阻力控制速度，且圆形的截面对物料流有一定的约束作用，使物料聚拢，能够从源头上降低二次扬尘和跑偏问题，同时由于在周长相等的情况下，圆的面积大于方形的面积，所以使用圆形的溜槽可以节省材料。但是圆形曲线溜槽不便于加工，且安装难度大。

综合考虑方形溜槽和圆形曲线溜槽的优缺点，可以使用多边形曲线溜槽，其不但有控制速度，约束物料流的作用，且便于安装固定。

针对湖北某水泥厂的现状，对现有溜槽进行优化后，其结构图如图10所示。对多边形曲线溜槽通过EDEM软件进行仿真，其某一时刻的仿真结果如图11、图12所示。

对比观察图6、图12可发现，优化后物料的最大速度为6.3 m/s，相比于优化前得到了控制，且物料流集中，能够降低粉尘和避免跑偏。

3.3 截面利用率的分析

图10 多边形曲线溜槽

图11 仿真截面

图12 多边形曲线溜槽的仿真

当溜槽某一部分横截面积过小，会发生物料的堵塞，可以造成严重的后果，所以需要考虑截面的利用率，以验证溜槽是否合理。通过观察图11、图12，可发现在该转载系统中物料流集中，且溜槽的最小横截面积易算出，截面的利用率为：

已知在溜槽输入处的物料平均速度最小，由图12可知物料速度约为3.5 m/s，截面面积为0.52 m2，运输量为400 t/h，水泥熟料的堆积密度为1.2 t/m3，经过计算得截面的利用率小于20%，已知利用率小于40%时不会发生堵塞，所以该多边形曲线溜槽不会发生堵塞，且可以适当地提升运输量或减小溜槽的横截面积。

4 结 论

本研究通过大量现场数据分析，针对传统散状物料转载系统的弊端，应用EDEM软件对物料在溜槽内的运动过程进行了仿真研究，同时根据结果改进了溜槽结构，试验结果表明，改进后的溜槽能够有效地降低磨损、减少扬尘、避免堵塞和跑偏，具有较高的可行性。同时得到了以下结论：

(1) 采用有阶梯调整板、弧形调整板以及折线式弧形调整板，都能够降低物料流对溜槽的磨损，但是有阶梯调整板工作效率低，弧形调整板的工作情况好，但不便于制造与安装。相对而言，折线式弧形调整板工作情况接近弧形调整板，且其制造费用低，便于安装，适用于对要求不是很高的系统。

(2) 采用多边形曲线溜槽，可对物料流的速度进行控制，对其运动状态进行约束，可在一定程度上降低磨损、从源头上降低二次扬尘和跑偏。

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(2018−07−18)

叶 涛(1972—)，女，湖北武汉人，副教授，博士研究生，研究方向为数字粉体技术及设备，Email：whyetao@hotmail.com。