砂石骨料大倾角输送的DEM仿真_邱剑.pdf

40/2023 年第 12 期砂石骨料大倾角输送的 DEM 仿真邱 剑1 尚有斐1 冉华忠1 宋伟刚2 李 硕3 1 中国水利水电第七工程局有限公司 成都 610213 2 东北大学机械工程与自动化学院 沈阳 1108193 中国水利水电建设工程咨询西北有限公司 西安 710100摘 要：文中针对深槽形带式输送机大倾角输送砂石料问题，介绍了采用 DEM 软件进行大倾角输送物料 DEM仿真方法。采用小倾角给料、直接在大倾角 2 种输送机模型，无振动和施加振动等 4 种情况进行 DEM 仿真，采用物料堆积角对颗粒参数进行表征。仿真结果表明：采用光面输送带在 24.53 倾角下输送骨料的可行性。提出了采用物料速度和带速、物料与输送带间摩擦力和物料下滑力作为评价方法对深槽形带式输送机大倾角输送能力进行评价；对不同的输送量和带速情况下进行仿真，证明采用 2.5 m/s 的速度下能够保证骨料的输送，为系统设计提供了依据，也可为类似工程提供参考。关键词：深槽型带式输送机、砂石骨料、大倾角、DEM 仿真中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）12-0040-06Abstract:For the deep trough belt conveyor conveying aggregate with large inclination angle,in this paper,a DEM simulation method for conveying materials with large inclination angle using DEM software is introduced.DEM simulation was carried out for small inclination angle feeding,large inclination angle conveying,no vibration and applied vibration,and particle parameters were characterized by material stacking angle.The material speed and belt speed,the friction between the material and the conveyor belt and the sliding force of the material were used as parameters to evaluate the large inclination angle conveying capacity of the deep trough belt conveyor.Simulation results show that the speed of 2.5 m/s can ensure the aggregate transportation,which provides a basis for the system design and can also provide reference for similar projects.Keywords:deep trough belt conveyor,aggregate,large inclination angle,DEM simulation0 引言在带式输送机输送物料时，由于输送带成槽性(横向刚度)的作用，输送带经过托辊时被托辊限制成槽形。离开托辊后，在物料和输送带的重力作用下在输送带的纵向产生下垂，横向存在输送带张开的现象，输送带产生张开/合拢现象。尽管这种现象在通用带式输送机中普遍存在，但由于托辊组的槽角相对较小，增大输送带对物料的挤压力没有明显的变化，因而通用带式输送机对提高输送物料的倾角受到限制；深槽形带式输送机的托辊槽角更大，输送带可对物料产生更大的挤压力，从而增大输送物料与输送带的摩擦力。提高带式输送机的倾角，采用普通光面输送带的倾角可达 28，采用花纹输送带已经达到的最大倾角为 35，且深槽形带式输送机所采用主要零、部件与通用带式输送机相似，已广泛应用于煤矿主斜井的输送1-3，但在冶金矿山、砂石骨料行业缺乏工程经验。近年来，砂石骨料行业得到快速发展，由于砂石骨料的开采大多在山区，输送倾角较大，在一些系统设计中大多采用通用带式输送机布置成折线输送骨料，某水电站大坝工程砂石加工系统料场开采采用竖井+带式输送机的方式，其中半成品骨料输送 7条带式输送机段初期设计采用之字形，带式输送机的条数较多，运行管理复杂。若采用一条深槽型带式输送机，长度 265.6 m，提升高度 114.4 m，倾角 24.53。黄金矿石与砂石骨料的外特性相近，可借鉴前述的研究成果。并针对此大倾角输送问题，采用 DEM 仿真方法进行研究，论证深槽形带式输送机大倾角输送砂石骨料的可行性。邱剑，尚有斐，冉华忠，等.砂石骨料大倾角输送的 DEM 仿真 J.起重运输机械，2023（12）：40-45.引 用 格 式ANALYSIS RESEARCH分析研究412023 年第 12 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究1 大倾角输送物料 DEM 仿真方法离散单元方法(DEM)是一种显式求解的，研究不连续体(离散体)力学行为的一种数值方法，它可以模拟各离散单元的相互作用，如模拟离散组合体的接触或碰撞过程。离散单元法通过建立固体颗粒体系的参数化模型，进行颗粒行为模拟和分析，为解决众多涉及颗粒、结构、流体与电磁及其耦合等综合问题提供了一个平台，已成为过程分析、设计优化和产品研发的一种强有力的工具。文献 4 采用 DEM 仿真方法对深槽形带式输送机的输送极限倾角进行定量分析，定量地分析了 4 辊托辊组结构、光面输送带、花纹输送带输送煤的极限倾角和物料与输送带之间的摩擦力。通过仿真分析，所得仿真结果与实际应用情况相符，验证了 DEM 仿真方法可用于验证物料的大倾角输送。DEM 仿真方法的基本内容包括颗粒外部特征参数表征(物料堆积角)、颗粒模型和输送机模型建立、带速和输送量验证、DEM 仿真以及评价参数提取、系统评价等步骤。本文在文献 4 的基础上，分析在大倾角给料和小倾角给料 2 种情况，对深槽形大倾角输送进行DEM 仿真，并且考虑深槽形带式输送机在运行过程中输送带经过托辊时会存在一定的冲击而引起对物料的扰动问题，通过对带式输送机模型施加振动以保证在所需输送倾角下的可靠输送沙石骨料。2 半成品料的 DEM 仿真模型与物料堆积角表征由于表征散状物料的性能参数较复杂，涉及颗粒大小、形状、粗超度、内聚力与内摩擦角等参数给颗粒 DEM 仿真带来困难，例如对内摩擦角通常需要使用 Jenike 剪切测试仪对散状固体进行剪切测试或采用Schulze 环形剪切测试。尽管通过测试方法可以得到较为精确的内摩擦角，但受到仿真计算软件的限制不能保证仿真结果的精确性，目前大多采用表征物料性质的外特性(如物料的堆积角)进行颗粒仿真参数的校准，以保证仿真结果的正确性。2.1 仿真系统的参数根据示例水电站大坝工程砂石加工系统料场的具体情况，确定物料和深槽形带式输送机的参数，物料为半成品料；运输物料容重为 1 800 kg/m3；堆积密度为 1 400 kg/m3；堆积角为 35；物料颗粒粒径在20 280 mm 服从正态分布，均值为 100 mm；2 m/s运行速度时的输送量为 1 150 t/h，2.5 m/s 运行速度时的输送量为 1 800 t/h，输送机倾角为 24.53，带宽为1 400 mm；确定输送机的 EDEM 仿真参数，物料材料为半成品料，输送带材料属性按橡胶选取，其余部分材料为钢。其中半成品料泊松比为 0.28，剪切模量为 0.03 GPa，密度为 1 800 kg/m3；橡胶的泊松比为 0.47，剪切模量为0.002 67 GPa，密度为 1 500 kg/m3；钢的泊松比为 0.30，剪切模量为 79 GPa，密度为 7 850 kgm-3。半成品料半成品料之间接触，恢复系数为0.5，静摩擦系数为0.45，滚动摩擦系数为 0.05；半成品料橡胶之间接触，恢复系数为 0.2，静摩擦系数为 0.5，滚动摩擦系数为 0.45；半成品料钢之间接触，恢复系数为 0.5，静摩擦系数为 0.4，滚动摩擦系数为 0.05。2.2 输送机与颗粒模型1)托辊组结构本项目的托辊组采用 4 辊托辊组。托辊组的形式如图 1 所示，其中 1=60，2=25，辊径 d 为 133 mm，辊长 l1为 530 mm，辊长 l2为 270 mm，中心高 H1为 160 mm。图 1 4 辊托组的交错布置2)颗粒建模EDEM 软件中默认的颗粒形状为简单的球形，但半42/2023 年第 12 期成品砂石骨料的形状并不是规则的球体，由于经过破碎加工，物料具有多面体的特征，故需要在 EDEM 中建立更符合实际的多球组合而成的几何体形状。本文将物料的形状设定为四面体，每个颗粒由 4 个球体填充，颗粒形状及填充效果如图 2 所示。图 2 颗粒形状及填充效果3)深槽形带式输送机的仿真模型考虑到带式输送机大倾角输送物料由于给料物料尚未稳定，输送倾角过大不易实现大倾角输送，分别建立通过 10小倾角给料变换为 24.53大倾角和直接向24.53大倾角给料 2 种情况，用 SolidWorks 建立如图 3所示的深槽型带式输送机三维模型。(a)给料角度 10变换 24.53(b)给料角度 24.53图 3 深槽形带式输送机的三维建模模型2.3 物料堆积角的验证与表征物料的颗粒参数可通过物料堆积角来表征 5，6，物料堆积过程如下：创建时使漏斗的下开口与料盒底部相接触，然后完成颗粒的动态生成过程，待生成的颗粒稳定之后使漏斗以 0.5 m/s 的速度竖直提升，这样不仅可以使颗粒下落与颗粒堆顶部的竖直距离相对恒定，避免对颗粒堆产生较大的冲击，且漏斗的提升也有助于内部颗粒的下落。颗粒逐渐从漏斗流出并在料盒上形成堆积，整个堆积过程直到料盒上形成一个完整且稳定的颗粒堆，然后使料盒在垂直和水平方向按相应频率进行交替震荡。利用 EDEM 软件 Tools 工具中的量角器完成对颗粒堆积角的测定，测量方法如图4所示，测得的动堆积角度为 35.247 6。接近于动堆积角参考值，说明该仿真中建立的物料模型和设置的物料特性符合物料堆积角。图 4 堆积角的测量3 EDEM 仿真过程与输送量的验证3.1 EDEM 仿真过程EDEM 仿真需要建立仿真对象的三维模型，并通过颗粒工厂生成颗粒，且需要设定输送带为运动体。仿真的基本过程为：将建立的三维颗粒模型和输送机模型以.iges 文件格式导入到 EDEM 中；然后设置全局参数模型，并创建颗粒工厂，物料粒径的均值为100 mm左右，最小颗粒粒径约 20 mm，最大颗粒粒径约为 250 mm，并采用粒度为正态分布。在仿真开始前，输送带上没有物料，在颗粒工厂处生成物料，落到小倾角的输送带上，颗粒随输送带加速到给定带速，物料进入大倾角输送机段之前，速度稳定在给定的输送带的速度。通过 8 m 的小倾角带式输送机过渡运行，待物料在输送机上稳定后，继续运行一段时间，测得稳定运行状态下的参数数据，物料进入到大倾角带式输送机运行阶段，待物料运行稳ANALYSIS RESEARCH分析研究432023 年第 12 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究定之后就可以结束 EDEM 仿真。物料由颗粒工厂产生，下落到小倾角带式输送机上，再由大倾角带式输送机上运的过程如图 5 所示，图 6 为直接给料到大倾角上的仿真过程。图 5 小倾角给料 EDEM 仿真过程图图 6 大倾角给料的 EDEM 仿真过程图3.2 输送量的验证深槽形带式输送机的输送过程应保证设定输送量的要求。在输送带上选取 1 m 长度作为测试区域，图 7 为测试的输送量。当带速为 2 m/s 时，测试区域内物料的质量在 160 kg 附近浮动；当输送带带速为 2.5 m/s 时，测试区域内的物料质量在 200 kg 附近浮动。选取运行稳定后的时间范围内计算测试区域内通过的物料总质量的平均值，得到当输送带带速为 2 m/s 时的测试区域内物料的质量为 161.23 kg，输送带带速为 2.5 m/s 时的测试区域内物料的质量为 199.68 kg，输送量为 1 160 t/h和 1 797 t/h 输送量的误差为 0.1%左右。(a)带速为 2 m/s 时(b)带速为 2.5 m/s 时图 7 物料质量(输送带无振动)44/2023 年第 12 期(a)输送带无振动(b)输送带振动图 8 带速为 2.5 m/s 时物料的速度4 大倾角输送能力的评价对带速为 2 m/s、2.5 m/s 的情况进行仿真，考虑到在输送机使用过程中输送带可能存在振动、在输送带横截面方向的施加正弦振动，振动频率为 10 Hz，振幅为2 mm，并采用物料与带速、物料与输送带间摩擦力和物料下滑力的对比评价大倾角输送能力。4.1 物料速度由于在仿真过程中，物料与输送带没有固定连接，而是通过输送带传递给物料的摩擦力来实现输送带承载物料的运动。从仿真结果中提取出区段物料速度和物料速度场图(见图 8)，从图中可见输送带无振动情况下，物料速度基本恒定，输送带振动时，物料在稳定速度上产生微小振动，稳定速度接近于带速。这也说明物料和输送带之间非固定条件下物料和输送带的速度有差异，且物料速度略低于带速。表 1 为仿真结果物料的速度。表 1 仿真结果物料的速度 m/s4.2 输送带与物料间摩擦力输送带和物料之间摩擦力是物料向上输送时向物料提供能量以补充物料势能的途径，所以需要对输送带与物料之间的摩擦力进行提取，提取在 1 m 长测试区域中的物料和输送带之间总的摩擦力。选取运行稳定后的时间段(10 20 s)，计算该段时间内测试区域内物料与输送带总摩擦力的平均值，计算结果如表 2 所示。物料下滑力为单位长度质量所产生的下滑力。可见摩擦力与下滑力接近，从而保证物料随输送带一起运动，不存在物料在输送带上下滑问题。给料位置10 小倾角直接向 24.53 大倾角输送带运行速度2.02.52.02.5输送带无振动1.999 22.485 71.997 12.496输送带有振动1.980 42.481 91.956 72.441 9ANALYSIS RESEARCH分析研究452023 年第 12 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究 表 2 测试区域内物料与输送带间的总摩擦力对于 10给料、24.53 和直接大倾角给料的无振动和有振动情况下的 DEM 仿真从物料速度和带速、物料与输送带间摩擦力和物料下滑力这 2 方面比较可见，能够完成上运工作，且运行平稳，不存在落料滑料的情况。如图 8 所示，该系统已完成调试，实际运行过程中不存在物料下滑问题，说明本仿真结果的正确性。(a)系统全貌(b)输送物料情况图 8 建成系统现场情况5 结论1)采用小倾角给料、直接在大倾角2种输送机模型，无振动和施加振动等 4 种情况进行 DEM 仿真，证明了在 24.53倾角下输送骨料的可行性。2)提出了采用物料速度和带速、物料与输送带间摩擦力和物料下滑力作为评价方法对深槽形带式输送机大倾角输送能力进行评价。3)对不同的输送量和带速情况下进行仿真，证明采用 2.5 m/s 的速度下能够保证骨料的输送，为系统设计提供了依据。参考文献1 宋冠霆.深槽型带式输送机的发展及其关键技术 J.露 天采矿技术.2016，31(11)：53-56.2 朱立平，蒋卫良.适用于我国煤矿带式输送机典型机型的 研究 J.煤炭学报，2010，35(11)：1 916-1 920.3 王杰，潘宏媛.BY 型深槽系列带式输送机 J.起重运 输机械，2002(11)：33-35.4 宋伟刚，徐亚美，王雷克.深槽托辊组大倾角输送机理 分析的仿真方法 J.煤炭学报，2014(S2)：563-568.5 Katterfeld A,Roessler T.A Standard Calibration Approach for DEM Parameters of Cohesionless Bulk MaterialsC.Proceedings of the 8th international conference on discrete element methods(DEM8),2019.6 Grima A P,Wypych P W.Development and validation of calibration methods for discrete element modelling J.Granular Matter(2011)13：127-132.作 者：宋伟刚电子邮箱：收稿日期：2023-03-0210 小倾角直接向 24.53 大倾角输送带运行速度/（ms-1）2.02.52.02.5输送带无振动/N682.53 838.51687.98835.80输送带有振动/N653.86 810.79650.93813.97物料下滑力/N656.66 813.26656.66813.26本刊邮发代号：国内2-323，国外M365