郭开玺，姚丽英，张榕慧，高宇龙，张占东

（山西大同大学机电工程学院，山西 大同 037003）

1 前言

斗式提升机是一种能够将颗粒状、粉末状以及小型块状物料进行垂直提升的常用运输设备，其被广泛应用在矿料运输、建材、粮食、化工等行业中。斗式提升机输送效率的高低往往体现在装料过程与卸料过程中，其中提升机速度的过快或过慢会导致料斗中物料的装载效果不佳，并可能会影响料斗提升机的使用寿命，因此对料斗提升机的物料装载过程进行仿真分析，有利于改善其运输性能。物料进入料斗的流动特性可以直接体现出提升机的载料性能，因此分析物料的颗粒轨迹分布及料斗所受承接压力情况，对斗式提升机的结构优化设计、提高生产效率具有重要意义。

目前，为提高斗式提升机的生产效率，国内学者对其开展了大量研究，但主要集中在提升机的卸料方面。欧阳峰,孟文俊等人针对斗式提升机的物料卸载流动进行了离散元模拟，分析了影响物料卸载的相关因素，得到了卸料效果较好的参数组合；潘焕,张平等人对斗式提升机返料控制进行了试验研究，通过研究出料槽高度对返料率的影响，为斗式提升机返料率的精确控制提供了依据；石明,梁国珍等人对斗式提升机的卸料方式及卸料曲线进行了研究，探讨并解决了斗式提升机使用过程中的常见问题。

综上所述，本文将对斗式提升机物料的装载过程进行研究分析，利用EDEM软件对物料装载过程进行离散元模拟，对比研究不同速度下提升机的物料装载情况和物料特性。

2 斗式提升机物料装载方式

斗式提升机在垂直输送物料时，是由下部装料、上部卸料，提升机所输送物料的特性不同，其物料的装载形式也会不一样。根据所输送物料特性，斗式提升机的物料装载方式一般有掏入式、流入式两种。

掏入式物料装载方式是指物料由进料口流至提升机尾部，当料斗转动经过尾部时将物料掏入料斗中，掏入式物料装载如图1所示。掏入式装料方式一般适用于粉末状、小颗粒状的无磨琢性物料，此类物料在掏取时不会产生较大阻力，因此不会对斗式提升机造成较大磨损。

图1 掏入式物料装载

流入式物料装载方式是指物料由进料口直接流入至提升机料斗中，流入式物料装载如图2所示。流入式装料方式一般适用于块状较大、大颗粒状的大磨琢性物料，例如煤粒、碎矿石等物料，此类物料在掏取时会产生较大阻力，从而会对料斗提升机造成较大损害，故采用流入式装料方式。

图2 流入式物料装载

因本文采用煤粒作为物料研究对象，故仅针对流入式物料装载方式开展离散元模拟研究。

3 离散元模型建立及参数设定

3.1 斗式提升机模型建立及其参数设定

利用SolidWorks软件建立简化斗式提升机物料装载3D模型。斗式提升机的物料装载运动发生在提升机下半部分，因此简化掉卸料部分仅保留装料部分，如图3所示。提升机料斗形式为尖角料斗，材料为碳钢。将所建模型导入EDEM软件，设置结构体材料参数，其中泊松比为0.28；密度为7800kg/m3；剪切模量为8.1e+10Pa。

图3 斗式提升机模型

3.2 颗粒模型建立及其参数设定

选择煤粒作为斗式提升机的输送物料，由于煤粒一般是不规则多面体，所以先在AutoCAD软件建立类似模型，然后导入至EDEM软件中进行填充，颗粒填充模型如图4所示。设置煤粒的物性参数，其中泊松比为0.28；密度为1600kg/m3；剪切模量为1.98e+09Pa。煤与斗式提升机、煤与煤接触的物性参数设置如表1所示。

图4 颗粒模型

表1 煤与碳钢、煤与煤接触物性参数

4 离散元模拟及仿真结果分析

4.1 模拟仿真参数设定

在完成离散元模型的建立以及全局参数设置之后，先进行仿真参数设定，其中时间步长设置为Rayleigh时间步长的19.3681%，来确保模拟的稳定性；仿真时长设置为3s，数据的存储时间间隔为0.01s；设网格大小为2.5R min。仿真参数设定完成便开始离散元模拟仿真。

4.2 仿真结果分析

在不同的提升机料斗速度下，其料斗装载物料的数量不同。料斗在不同速度下对物料的装载情况如图5所示。由图可以看出，其物料的装载数量与斗速成反比。在料斗即将完成物料装载进行垂直提升之际，会分割物料流，改变处于料斗口处的颗粒流动轨迹，不同斗速下的颗粒流动轨迹如图6所示，由图可以看出，斗速越大对料斗口处颗粒流动轨迹的扰动越大。

图5 不同速度下料斗的物料装载情况

图6 不同斗速下料斗口处的颗粒流动轨迹

料斗在装载物料过程中会承受来自物料流的冲击压力。不同斗速下，料斗所承受的压力变化如图7～9所示。由图可以看出，任何斗速下，料斗承接物料时都会承受一次最大的瞬时冲击压力，但斗速过快时，其承受的瞬时冲击压力会突增，使得料斗承受压力不稳定，进而可能会使得料斗连接结构受影响。

图7 斗速0.8m/s时料斗承受压力变化曲线

图8 斗速1.2m/s时料斗承受压力变化曲线

图9 斗速1.6m/s时料斗承受压力变化曲线

5 结语

以煤粒为介质对斗式提升机流入式装载物料过程进行了离散元模拟分析，得到了以下结论。斗式提升机速度过快，其料斗装载物料越少，输送效率越低，速度过慢，料斗装载物料过多，从而使卸料过程中发生物料回流现象。根据仿真分析可知流入式斗式提升机在装载煤时，其速度设为1.2m/s左右时装料效果较好，并且提升机在这个速度下对物料颗粒流动轨迹造成的干扰相对不大，也不会使煤粒对料斗造成过大的瞬时冲击压力。

本文研究结果为流入式斗式提升机装载物料的速度设定及料斗优化设计提供了参考。