余煤清掃裝置清掃毛刷的運動仿真分析

謝振釗 陳 陽 胡克磊 趙孝群 張洪言

（1.安徽華電六安發電廠有限公司，安徽 六安 237100；2.山東智信電力科技有限公司，山東 濟南 250099）

由于冬天天氣寒冷和煤中水分的作用，燃煤易產生凍塊，嚴重時會凍結在車廂內側，因此翻車后會在空車廂留有大量余煤。目前的翻車機系統空車線火車車底采用人工方式清理余煤，存在清理不干凈、效率低、成本高、勞動強度大、工作環境差且有安全隱患等問題[1]。為降低工作人員安全風險，改善工作環境，減輕工作人員勞動強度，提高工作效率和卸煤生產線的自動控制水平，降低故障發生率，保障系統安全穩定運行，研制出了火車車底余煤清掃裝置，為實現翻車機卸煤系統進一步無人化和自動化奠定了基礎。為保證余煤清理裝置能達到預定的清掃效果，需要對其上面的毛刷進行仿真分析，以明確其清掃效果。

該文以車廂內的黏煤和凍煤為研究對象，用EDEM 離散元分析軟件研究毛刷在直線運動下對余煤顆粒的實際清掃效果，以此判斷其清掃功能。

1 模型構建

余煤清掃裝置主要由2 個部分組成，分別是用于車廂壁底部清掃的盤刷和用于車廂中部清掃的螺旋毛刷。模型局部結構如圖1 所示。

圖1 余煤清理裝置

清理裝置共有4 個盤刷，分布在清掃裝置四周，主要用于清掃車廂四周底部及車廂壁落下的余煤，并將余煤清掃至螺旋毛刷工作區域，由螺旋毛刷收集，并和車廂中部的余煤一并清掃至余煤收集系統，完成車廂余煤的清掃。螺旋毛刷上的刷毛呈螺旋線性分布在毛刷輥上，同時有左、右旋之分，2 種旋向的毛刷各占總長度的一半。螺旋毛刷模型和盤刷模型的參數見表1。

表1 螺旋毛刷和盤刷模型參數表

2 毛刷參數選擇

2.1 滾刷刷絲排數的確定

滾刷的結構參數較多，這些參數相互關聯，滾刷的清掃效果與滾刷轉速、清掃裝置移動速度、滾筒直徑、刷絲長度以及圖2 所示的θ角的大小有關[2-3]。

圖2 滾刷純滾動時刷絲頂端運動軌跡與地面位置關系

根據已有經驗，該文預選結構尺寸，并對該結構進行校核和改進。初始選取的滾筒直徑為200mm，刷絲外露長度為90mm。滾刷做純滾動運動時刷絲頂端的運動軌跡如圖2 所示。滾刷做純滾動運動時，刷絲下端與車廂接觸的寬度為AB。點A、B與滾筒圓心組成夾角θ。θ角越大，刷絲儲存的彈性勢能也就越大，滾刷刷絲與地面剛好脫離接觸時，點A的線速度方向與地面的夾角也越大，滾刷對顆粒的上拋效果就越好。但會加劇刷絲的磨損，縮短滾刷的使用壽命。為了保證滾刷對垃圾顆粒的清掃效果并防止滾刷刷絲過度磨損，θ角一般設定為60°～90°。

要使滾刷能夠充分清掃車箱、不出現漏掃的情況，即滾刷在旋轉一周后，所有刷絲的清掃寬度和清理裝置的前進距離滿足公式（1）。

整理后可得公式（2）。

將初選數據帶入公式（2），可得當θ角取60°時，滾刷刷絲排數N≥8，無論清掃車行進速度v0與滾刷轉速n1如何變化，滾刷刷絲對地面的清掃都不會出現漏掃的情況。選取滾刷刷絲的排數為10 排。雖然滾刷對地面的清掃不會出現漏掃，但是滾刷轉速過低時，滾刷對垃圾顆粒的上拋效果較差，無法實現清掃功能。當刷絲排數增至16排時，清掃毛刷對余煤顆粒的清掃與拋射效果均較好，下文將會對建立的初始參數模型進行Edem 仿真分析并觀察其清掃效果。

2.2 滾刷刷絲運動軌跡分析

滾刷刷絲頂端的運動軌跡由滾刷的旋轉運動與清掃車的前進運動組成。刷絲端點的位移方程組如公式（3）所示。

根據公式（3）及運動過程分析可知：1）當清掃車行進速度確定時，提高滾刷轉速會減少單排滾刷刷絲對地面的清掃寬度，提高與地面的接觸頻率。清掃車行進距離確定時，滾刷轉速越大，單排刷絲對地面的清掃寬度越大。2）由于滾刷布置有多排刷絲，因此在結構允許的情況下，布置的刷絲排數越多、滾刷轉速越快時，滾刷刷絲對同一地面進行重復清掃的次數就越多，清掃效果也就越好。但滾刷轉速過快會加速刷絲的磨損，減短滾刷的使用壽命。

2.3 盤刷傾斜角度的選擇

盤刷的主要作用是將接觸刷絲的垃圾顆粒定向拋射到收集裝置可以收集到的區域。盤刷刷絲與地面整體接觸如圖3 所示。為了降低磨損并達到清掃目的，盤刷刷絲與地面宜采用部分接觸的形式，如圖4 所示。

圖3 盤刷刷絲整體與地面接觸

圖4 盤刷刷絲與地面部分接觸

盤刷與地面部分接觸時，盤刷需要具有一定的傾斜角度。盤刷的傾斜角度是決定盤刷刷絲與地面接地點位置的關鍵因素，會影響盤刷旋轉時垃圾顆粒的拋射方向。該文對與車廂底部增提接觸的盤刷進行仿真，并觀察其效果，如清掃效果不理想，后續再對其傾角進行修改。

3 EDEM 仿真

3.1 仿真參數設置

根據實際余煤形態，在EDEM 中建立余煤模型輪廓，在Bulk Material 中建立余煤顆粒模型，其輪廓如圖5 所示。

圖5 余煤顆粒模型

余煤顆粒的體積為125mm3，設置余煤顆粒屬性，在仿真過程中以固定模式生成顆粒，位置隨機。在Equipment Material 中建立毛刷材料，并設置毛刷材料屬性[4]，材料屬性見表2。

表2 材料屬性

在Geometries 中創建Box，并設置其屬性為虛擬，在Box中添加Add Factory顆粒工廠。為節約顆粒生成的時間，使單位時間生成顆粒盡量多，在Target Number 中設置50000，并在重力加速度的情況下額外施加一個0.5m/s 的向下的速度，計算并觀察顆粒生成情況，當顆粒鋪滿毛刷的前進軌跡時，終止計算過程，如圖6 所示。

圖6 生成顆粒圖

3.2 接觸模型設置

離散元方法可以用于模擬與實際顆粒運動軌跡相似的情況。在實際工況中各余煤顆粒間會存在黏性力和碰撞力，并在受力后發生滾動。根據顆粒不連續、無規則的運動方式，在顆粒與顆粒、顆粒與幾何體間采用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型[5-6]。在該模型中，法向力Fn是法向重疊量σn的函數，兩者函數關系如公式（4）所示。

式中：E*為當量楊氏模量；R*為當量半徑；σn為法向重疊量。

其中，當量楊氏模量E*可通過公式（4）求得，當量半徑R*可通過公式（5）求得。

式中：Ei為第i個球體的楊氏模量；Ej為第j個球體的楊氏模量；vi為第i個球體的泊松比；vj為第j個球體的泊松比。

式中：Ri為第i個球體的半徑；Rj為第j個球體的半徑。

切向力Ft可通過公式（7）求得。

式中：σn為切向重疊量。

對滾動摩擦而言，采用Standard Rolling Friction 模型進行計算，滾動摩擦力矩τi可通過公式（8）求得。

式中：ur為滾動摩擦系數；di為接觸點到質心的距離；wi為接觸點處的單位角速度矢量。

接觸參數設置見表3。

表3 接觸參數設置

3.3 運動條件設置

在Geometries 中，將螺旋毛刷與盤刷分別導入EDEM 軟件中，并分別設置螺旋毛刷與盤刷的旋轉運動和直線運動，確定旋轉運動和直線運動的中心軸。使螺旋毛刷與盤刷在前進過程中進行自傳運動，螺旋毛刷與盤刷的運動從顆粒生成結束后開始。螺旋毛刷與盤刷的運動設置如圖7 所示。

圖7 螺旋毛刷與盤刷的運動設置

3.4 仿真結果分析

設置總仿真時間為5s，固定時間步為20%，保存步數為1s，保存設置并開始仿真，得到如圖8 所示的仿真效果。觀察螺旋毛刷與盤刷的清掃效果可以看到，螺旋毛刷與盤刷經過余煤顆粒時余煤顆粒被清掃到一邊，說明清掃裝置的毛刷組件對余煤有良好的清掃效果。

圖8 螺旋毛刷與盤刷的清掃效果

4 結論

該文主要對余煤清掃裝置的清掃效果進行了研究和評估，針對清掃裝置毛刷組件對余煤顆粒的清掃效果，采用EDEM 離散元分析軟件對毛刷組件的清掃能力進行了模擬試驗。試驗結果表明：當余煤清理裝置沿車廂的直線行進運動時，毛刷對余煤顆粒具有良好的清掃效果，能夠較好地實現其預期功能。