基于EDEM 的中心料斗系統優化設計

徐剛

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

斗輪堆取料機作為一種轉運煤炭、礦石等大批量顆粒散料的作業設備，被廣泛應用于礦山、港口、電廠等場地。斗輪堆取料機的應用大大提升了貨物的轉運、兌取效率大大節省了人力、物力等資源，對提高工業生產的效率具有重要意義。EDEM 軟件是全球首個且使用最多最廣泛的多用途離散元素法建模軟件，可以為工業生產中的顆粒處理及其制造轉運設備的生產過程的仿真和分析提供理論依據以降低成本提高設計效率。用戶可以利用EDEM 物料創建模塊輕松快速地創建和現實物料的物理參數一致的參數化顆粒模型。同樣，為了使顆粒模型更加逼真，可以將三維顆粒實體模型直接導入EDEM 軟件中，從而增加其仿真的準確性。

在實際生產、運輸過程中，散料的堆料、取料等均需要斗輪堆取料機和配套的地面皮帶機以及相應的皮帶機轉接塔來完成。中心料斗系統是斗輪堆取料機中實現地面皮帶機物料和堆場相互轉移的核心部分和關鍵部分。斗輪堆取料機在實際應用中經常出現懸臂皮帶機和地面皮帶跑偏以及中心堵料的現象，進而導致皮帶出現劃傷、撒料、撕裂和料斗被物料漲破的故障嚴重影響作業效率，甚至在嚴重時威脅著現場作業人員的生面安全。經仔細分析和觀察，大多數導致斗輪堆取料機配套的地面皮帶出現跑偏和中心料斗出現堵料現象的主要原因是由于中心料斗系統的設計存在缺陷所導致。因此，本文將根據實際情況通過EDEM 軟件對中心料斗系統進行優化設計以達到解決地面皮帶跑偏和其堵料的問題。具體闡述如下：

1 斗輪堆取料機概述

斗輪堆取料機作為決定散料工業生產效率的關鍵因素，其為散貨運輸工藝系統的關鍵設備。斗輪堆取料機的關鍵部件包括斗輪機構、上部鋼結構、回轉機構、回轉平臺、門架、行走機構、噴霧降塵系統、潤滑系統、俯仰機構、中心料斗系統以及配電系統等。實際應用，可以根據應用環境及情況的不同對斗輪堆取料機的結構進行靈活調整，例如，變成單堆料機、單取料機。

其中，斗輪堆取料機的俯仰機構和斗輪機構以及回轉機構關系著設備能否高效運行；上部鋼結構、回轉平臺和門座體為承載主體，其靈活性是滿足實際裝卸需求的關鍵，對其強度和剛度的要求甚高；門架由中心門架體部分和平衡支腿組成，其與行走機構相連從而使設備沿軌道移動；中心料斗系統的活動部分位于回轉平臺上面隨設備一起回轉，固定部分和導料槽位于門架里面和下面，上部料斗位于尾車上部，目的實現堆場物料和地面皮帶機物料相互轉移，本文所研究斗輪堆取料機的設計能力參數如下：堆料和取料能力都為1600t/h；帶寬為1200mm；帶速為4m/s。

由于該型號斗輪堆取料機懸臂皮帶較短，且取料過程中臂架做俯仰運動和回轉運動，從而導致懸臂皮帶機的物料在中心料斗里的落料點不固定，不合理的中心料斗系統無法達到約束料流的目的，從而會出現皮帶跑偏和堵料情況，極大地降低了設備的生產效率和增加用戶的維護成本。

經分析該型號斗輪堆料機懸臂皮帶主要包括雙向運行的驅動機構，驅動滾筒、改向滾筒、拉緊重錘滾筒、承載托輥、調心托輥以及回程托輥等[2]且工作過程做俯仰和回轉運動；中心料斗系統包括回轉料斗、固定料斗以及導料槽，地面皮帶機穿過導料槽，從而將堆場物料轉移到其他需要的場所。

2 斗輪堆取料機下方地面皮帶機跑偏和中心料斗系統堵料問題原因分析

（1）由于落料點不夠對中導致導料槽內的皮帶左右側的物料重量不均衡，導致地面皮帶出現跑偏。（2）由于物料在經過中部料斗系統后缺乏沿皮帶運行方向的引導，大部分物料直接落至地面皮帶上，對地面皮帶產生較大沖擊，容易造成跑偏、灑料以及地面皮帶壽命短的問題。（3）由于俯仰回轉取料的原因，拋料口的物料位置變化較大，現有的調節擋板無法起到將所有俯仰角度和回轉角度物料進行調節和收料功能。（4）料斗壁傾角優化不夠導致物料無法快速轉移到地面皮帶機造成堵料。（5）物料正面沖擊到料斗壁上導致料斗內物料四處飛散，從而產生揚塵和積料。

3 斗輪堆取料機皮帶跑偏問題的解決

鑒于上述斗輪堆取料機皮帶出現跑偏的問題，本文通過對中心料斗系統進行調整和改進的方式，對地面皮帶機跑偏以及其堵料問題進行解決。

3.1 中心料斗優化改造

針對斗輪堆料機懸臂皮帶機到地面皮帶機直接的中心料斗的優化改造確定如下方案：取消原料斗與地面導料槽之間的料斗。增加拋料勺裝置，目的將物料沿地面皮帶運行方向進行引導，減少物料對地面皮帶的直接沖擊，防止灑料，以及損傷地面皮帶。拋料口采用前傾擴容收口設計，但是，必須確保拋料勺截面的通過能力，防止堵料。結合實際對中心料斗系統進行三維建模，其三維模型如圖1 所示。

為最終確定拋料口擴容的最終尺寸，本文是基于EDEM 軟件對三維建模的中心料斗系統進行料流仿真目的對拋料勺最終的擴容尺寸進行確定以及中心料斗系統細節優化從而到達生產需求。基于EDEM 軟件的料流仿真步驟如下。

圖1 拋料口的擴容設計三維圖

（1）顆粒模型建立和物料校準。物料校準是離散元分析的最基本要求，最重要的一步，它使得工程師能根據模擬結果做出設計決定，使真實世界中的物料在工業環境中的流動行為和模擬結果等價聯系起來，如果出錯仿真結果將沒有價值。根據用戶提供的物料參數表，分析各種物料的特性，選取最具代表性的物料進行建模，在EDEM 軟件中進行物料校準，物料參數表如表1 所示。

表1 物料參數表

①根據物料的粒度大小及分布，在軟件中進行物料顆粒形狀組合。采用三種典型物料顆粒形狀，并按不同比例分布，使物料的顆粒模型盡可能與實際物料接近。

②在EDEM 軟件中設置物料的本征參數和接觸參數，對物料進行校準，主要包括堆積試驗和滑板實驗，并反復校驗，最終體現其物料特性。經校驗得出的物料參數表如表2 所示。

表2 物料參數設計表

得出如圖2 所示的物料堆積模型。

圖2 物料堆積模型

圖3 物料堆積角校驗模型

如圖2 所示，質量傳感器內的物料質量為1728.88kg，傳 感 器 半 徑500mm， 高 度1000mm。 經 計 算， 物 料 密 度ρ=1728.88÷（π×0.52）×1=2201.28kg/m3。物料堆密度按最小密度進行仿真。

物料的堆積角校驗如圖3 所示。從圖3 可以看出，由于物料的含水率較大、黏性高，當物料的料堆較小時，其堆積角通常小于常規狀態，圖中的堆積角為45°。

（2）仿真分析。將改造后的中心料斗系統三維模型導入到EDEM 軟件中，使用經過校準的物料顆粒模型在中心料斗模型中進行料流模擬運動，通過下圖可以看見物料在經過拋料勺時，沿地面皮帶機運行方向輸送，有效地減少了物料對地面皮帶機的沖擊，以及物料在料斗內堆積問題。同時，可在拋料勺內增加調節擋板，可以更好地起到調節落料點的作用，仿真效果如圖4 所示。

圖4 仿真效果

4 結語

斗輪堆取料機被廣泛應用礦山、港口等散料轉運的場所，在實際應用中，由于斗輪堆取料機懸臂和對應的地面皮帶機出現跑偏的情況常會導致轉運效率降低、維護成本增加等問題。因此，本文針對斗輪堆取料機地面皮帶跑偏問題提出對斗輪堆取料機的中心料斗系統進行優化改造設計。經過EDEM軟件仿真分析，對斗輪堆取料機的中心料斗系統優化改造后可有效解決地面皮帶跑偏和其堵料的問題，從而達到提高生產效率的目的。