圓錐破進料斗仿真優化設計

陳俊龍

（福建南方路面機械股份有限公司，福建 泉州 362000）

1 圓錐破料斗結構

圓錐式破碎機是骨料加工的重要設備，適合中碎和細碎各種礦石和巖石等。圓錐破主要由機架、傳動軸、動定錐、調整裝置和進出料口等部分組成。該文所研究的入料斗安裝于圓錐破頂部，主要起引導原料進入破碎腔、集料和防塵等作用。圓錐破是否滿腔均勻給料，直接影響了成品骨料的產量、粒形和圓錐襯板的壽命。該文針對圓錐破入料存在偏載的問題，對入料斗結構進行研究分析，通過EDEM仿真分析驗證偏料情況并提出改進方案。

如圖1所示，圓錐入料斗主要由薄鋼板和型材焊接而成，鋼材材料選用Q235B，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服極限235MPa。

圖1 圓錐入料斗結構

2 離散元仿真分析

2.1 接觸模型

Hertz-Mindlin（no slip）是離散元仿真軟件中默認的模型，其中法向力基于Hertz接觸理論[1]，切向力基于Mindlin-Deresiewicz 的研究工作，顆粒單元之間的接觸采用彈簧-阻尼器來表示。彈簧代表單元的彈性，阻尼器代表顆粒單元的非彈性，用帶有摩擦系數的滑塊來表示單元之間的摩擦。顆粒單元間的接觸模型在力的計算方面高效且準確。

設兩個球形顆粒發生碰撞接觸，其法向疊合量δn如公式（1）所示。

式中：Ra，Rb為兩個球形顆粒的半徑；ra，rb為球心位置矢量。根據當顆粒碰撞時法向接觸力和法向接觸力的疊加運算，即可求出合力與合力矩。由于顆粒與壁面的碰撞類似于顆粒間的碰撞，因此可以把壁面假設為一個顆粒。顆粒間的法向接觸力Fn，其計算式如公式（2）所示。

式中：E*為等效楊氏模量。阻尼力Fnd如公式（3）所示。

切向阻尼力Ftd如公式（4）所示。

2.2 接觸參數和模型參數的獲取

在EDEM中仿真用的砂石、鋼以及橡膠的材料屬性和接觸參數見表1和表2。

表1 材料屬性表

單純使用該接觸進行仿真計算會導致計算的失真和仿真結果的不準確，通過平地落料法的堆積角試驗確定該模型的相關接觸，這里主要指巖石與巖石以及巖石與鋼鐵之間的接觸參數。

在實際生產中，粒徑160mm以下巖石的堆積角（安息角）為40°～45°。通過堆積角擬合獲得的堆積角為43°左右，這時的能量參數即所需的模型參數。

如圖2（a）所示，在離散元軟件EDEM中進行平地落料法仿真試驗。

在不同接觸參數下進行堆積角（圖2（b））擬合試驗，獲得適合試驗見表2。

表2 接觸參數表

圖2 平地落料法仿真試驗

該部分獲取的接觸參數和模型參數為后續的仿真計算工作提供了保證。

3 結構優劣評判方法

3.1 質量采集區域

圓錐破的入料粒徑在160mm以下，原料通過給料皮帶機進入圓錐破的入料斗，再經由入料斗喂料在破碎腔內發生擠壓破碎[2]。在實際生產工地中，皮帶機輸送速度會有所不同，皮帶機擺放角度也會有一些誤差，皮帶機與入料斗的位置關系難以確定，這將會導致物料進入料斗位置的不確定性，一個具有調節功能的料斗對圓錐破的生產十分必要。

在圓錐破入料斗下部均勻劃分A、B、C、D四個采集區域，如圖3所示，用于統計物料經過入料斗后的物料分布情況，通過仿真計算統計物料經過各個區域的質量，衡量入料斗調整作用的優劣。

圖3 質量流量采集區域

3.2 變異系數

變異系數（Coefficient of Variation）又稱“標準差率”，是衡量資料中各觀測值變異程度的另一個統計量。CV沒有量綱，可以進行客觀比較。事實上，可以認為變異系數與極差、標準差和方差一樣，都是反映數據離散程度的絕對值。其數據大小不僅受變量值離散程度的影響，而且還受變量值平均水平大小的影響。

變異系數C.V=（標準偏差STD/平均值Mean）×100%

該文中使用變異系數來衡量物料在4個采集區域內的離散程度，根據平均值及標準差計算獲取不同采集區域的變異系數，作為料斗結構優劣的一個評價指標。

4 不同工況下料流的仿真計算

通過工地實踐的反饋能夠得知圓錐破入料有時會存在偏料以及溢料情況，現對原機上的圓形入料斗結構進行驗證分析并提出優化改進意見。

基礎工況設置如下。入料粒徑0mm～165mm隨機分布入料量250t/h，由于圓錐主機下部是一個自平衡裝置，因此會隨動錐一起做周期性擺動，擺動頻率與動錐一致，轉速390r/min，擺動幅度6mm，皮帶機標準傾角20°，帶速1.5m/s。

4.1 不同皮帶機傾角下物料流均勻性

根據原初始的圓錐破入料斗結構進行三維模型的轉化，并對相關結構進行必要的簡化處理。在EDEM仿真軟件中導入進料皮帶機及料斗的網格模型，在進料皮帶機的入料端生成顆粒，保證入料量250t/h，仿真時間200s。

當整個系統進料量與出料量達到穩定時，由仿真計算結果可知，當物料由進料皮帶機進入料斗時，入料位置可能會存在一些差異，從而導致入料的偏載。

通過入料斗出料端設置的A、B、C和D采集區域，統計仿真計算時間周期內通過各自區域的物料質量，采用變異系數來評價通過4個采集區域物料的均勻性程度。

按照250t/h（即70kg/s）的進料量，保證皮帶機末端位置不改變，分別調整進料皮帶機的角度為16°、18°、20°、22°和24°。其中，皮帶機標準速度1.5m/s。

由物料在皮帶機上部的運動軌跡可得到公式（5）。

通過上述結果可以得到表3。

表3 原結構統計表

由理論分析可知，影響物料在入料斗落料點的主要原因是水平方向的分速度，由表3可知，改變不同的皮帶機角度，水平分速度在1.37m/s～1.44m/s，進行仿真計算所得結果如圖4所示。

圖4 原結構質量均勻性統計圖

其中C.V為變異系數，具體參照3.1。

由圖4可知，改變進料皮帶機的角度對物料落料均勻性的變異系數會有影響，但是變化范圍相對較小，考慮到這一點，應該更多地關注皮帶速度對物料均勻性的影響。

4.2 不同皮帶機速度下物料流均勻性

實際工地生產中，“客戶可能會改變皮帶機的速度來提升產量”，但改料皮帶機速度也會同時改變物料的拋料角度，進而改變物料進入料斗的落料位置，導致偏料、磨損和堆料等一系列問題的產生。該文將通過EDEM仿真計算來驗證在不同的入料位置落料斗的適用程度。

保證其他工況不改變，調整皮帶機的帶速分別為1.1m/s、1.3m/s、1.5m/s、1.7m/s和1.9m/s，統計相同仿真時間內物料通過圖3中4個區域的質量，并通過變異系數統計反映均勻性情況。

由于該計算基于圓球模型進行，因此為了更接近實際工況，除了調整相對應的接觸參數外，還采用了165mm（放大5mm）以下的粒徑進行仿真計算。在計算過程中發現，當落料點偏向一側時，會發生外側堵料的情況，如圖5所示。

圖5 入料斗外側發生堆料情況

通過分析發現，入料斗內部的小圓環尺寸偏大，導致外側堵料進而引起了整體的堆料產生，與原該設計之初的設想即允許內部圓環發生堆料的情況不一致，且當物料進料偏向一側時，經過料斗后的物料偏移情況明顯。在不改變設計原理的情況下，提出以下2點改進措施：1）將內部的內圓環適當縮??；2）內部圓環下部的襯環適當加長，如圖6所示。

經過再次EDEM顆粒仿真，圖6新結構的入料斗未出現外側圓環堵料的情況，但是會出現內部圓環堆料情況，物料會從外部圓環卸下，這時落料均勻性變好。

圖6 NEW_入料斗

對原始入料斗和新入料斗進行相同工況的EDEM仿真分析計算，兩者結果如圖7所示。

其中OG_OV表示原始入料斗在不同帶速下物料通過的變異系數；NEW_OV表示新入料斗在不同帶速下物料通過的變異系數。

由圖7可知，入料皮帶機帶速的改變對物料通過入料斗的均勻性產生了較大影響，波動范圍大，說明入料斗對物料的調整效率不高，改進后的入料斗整體的均勻性偏差會明顯降低50%左右，但是當入料位置不一時，還是會存在較大的均勻性波動。這是由料斗本身的結構特點決定的。

圖7 不同帶速與結構質量均勻性統計圖

5 結論

該文通過研究圓錐破進料斗仿真優化，得出如下結論：1）基于離散單元法對圓錐破碎主機進料斗偏載情況進行驗證，確定了原結構在正常工作工況下料流偏載；2）根據物料在出料斗位置的偏載情況，對進料斗結構提出優化措施；3）將內部的內圓環適當縮小，內部圓環下部的襯環適當加長，這時須考慮堵料的情況；4）對優化后的結構進行相同工況下的仿真分析，驗證改進后結構的優點，新結構圓錐入料斗對骨料落料均勻性有積極作用，但進料皮帶給料速度仍是入料是否會產生偏載的主要影響因素；5）僅進行物料偏載、離析以及結構磨損的分析，沒有考慮腐蝕余量、焊接缺陷以及制作誤差等的影響，當設計時應依據具體情況作相應處理。