张晓华1 宋冠霆21 衡阳运输机械有限公司 衡阳 421002 2 中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司 沈阳 110015
摘 要：针对带式输送机转载溜槽设计问题，分别对普通冲击板、WEBA 型冲击板、曲线型导流板、折线型导流板进行DEM 仿真，对料流的速度矢量、冲击力和冲击系数进行了对比，根据仿真结果的观察和冲击力比较得出：WEBA 型冲击板由于实现了料打料，降低了对冲击板的磨损，但导料效果不明显；曲线导料槽可以降低物料对衬板的冲击，并具有较好的导流效果；折线型导流板能够起到降低冲击和导流的作用，折线段越多降低冲击、导流效果越明显。研究结果为工程设计中冲击板或导流板结构形式的选择提供参考。
关键词：带式输送机；转载溜槽；导流板；DEM 仿真
中图分类号：TH222 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）06-0090-05
0 引言 带式输送机转载溜槽的是带式输送机系统的咽喉，溜槽设计不合理往往会出现包括物料堵塞、粉尘污染、溜槽磨损严重、受料输送带磨损严重、物料颗粒磨损、受料输送带受冲击破坏、跑偏等问题[1]。Roberts 采用连续模型方法研究转载溜槽设计问题[2]，Korzen[3] 采用物料流量恒定的假设下确定物料冲击到冲击板后的物料流速度，需要复杂的叠代计算，且准确性较差。Hastie[4]等分别采用连续模型方法和DEM 与实验方法进行对比，验证了模型计算方法的正确性，但所进行的实验规模较小。近年来，由于计算方法和软件的发展，大多数研究者采用DEM 方法对转载过程进行计算机仿真。为了控制料流引入了冲击板，澳大利亚格兰斯通港务局的AlanHuth 设计和开发了曲线导流板，最初主要用于煤炭输送系统的转载，目前已在煤炭工业以外广泛使用[5]。然而，曲线导流板在实际中设计和制造费用较高，一些系统中采用多段直线的折线来拟合曲线导流板，本文将对采用DEM仿真方法对WEBA冲击板、曲线导流板、折线导流板的导流效果进行对比，为导流板的设计提供参考。
1 转载溜槽的DEM 仿真方法 将离散元法(discrete element method, DEM) 用于计算转载系统中物料运动情况，颗粒仿真技术可以对散状物料的运动进行观察、机理分析、受力分析、磨损（寿命）估计和系统优化，并用于优化转载站的设计。文献[6] 提出采用冲击系数来表征冲击的大小，运用该参数在不同的落料高度、颗粒大小等差异情况下对冲击效应比较，通过计算机仿真得出单个颗粒和颗粒流的最大冲击力和冲击系数，较好地反映了颗粒流冲击的效应，根据颗粒作用在输送带上的法向力趋于物料重力的结果，验证了计算结果的正确性。分别按输送带中心线和托辊辊子支撑划分方式采用极限评价指标分析了输送带可能产生的跑偏量[6]。给出了采用DEM 方法的建模与模型检验的基本步骤。针对DEM 计算方法存在所需计算时间过长的问题，实验比较了降低剪切模量和增大颗粒粒度等方法对DEM 计算时间和实验结果的影响，结果表明，在不影响计算结果的前提下可通过降低剪切模量和增大颗粒粒度来缩短DEM 仿真计算时间，利用EDEM 软件实现了散料转载过程的可视化。有关DEM对转载溜槽进行仿真和评价方法参见参考文献[6，7]。
2 不同结构形式的冲击板、导流板的DEM仿真对比 2.1 WEBA 型冲击板和曲线溜槽的对比通常所采用的普通冲击板所受冲击力较大且导流效果较差，所以考虑采用WEBA 型冲击板和曲线导流板。WEBA( 瀑布溜槽) 品牌源自Werner Baller 的名字和姓氏[8]。WEBA 转载溜槽是简化的科学方法，可处理转运点散状物料的动态变化。通过瀑布溜槽，物料流从一个壁架部分落到另一个壁架，就像瀑布一样。瀑布溜槽为岩箱结构的变形，因为它是由多个壁架而不是一个或两个壁架组成，如图1 所示，仿真中为简化起见，将侧面挡板设置成与冲击板垂直。曲线导流板如图2。仿真中的输送机系统参数：物料为铁矿石，粒度60~120 mm，堆积密度为2.2 t/m³，输送量为5 618 t/h，带速为5 m/s，物料动堆积角为25.56°，卸载倾角为0°，带宽为1 350 mm。
采用EDEM软件，对仿真参数进行校准后开始仿真，由于在仿真开始是转载溜槽内没有物料，需要经过一定时间后，转载溜槽中的物料形成稳定料流，提取相关数据和显示截图。分别对没有壁架的普通冲击板、WEBA型冲击板、曲线导流板3 种情况进行仿真，图3 为物料冲击到导流板的速度矢量图，从图3a 中可以明显看到，WEBA 型冲击板在壁架上存在部分物料，形成料打料的作用，但物料流经冲击板后，物料流发散，导流效果不明显，这也是将其称为WEBA 型冲击板而不是导流板的原因。而图3b 中的物料在曲线导流板的作用下，物料流相对集中。仿真所得的导流板所受冲击力及冲击系数随时间变化的曲线如图4 和图5 所示。对三种不同形状下的导流板受力情况进行分析，导流板所受冲击力及冲击系数在10~15 s 的平均值见表1。
图1 WEBA 型冲击板
图2 曲线导流板
（a）WEBA 冲击板 （b）曲线导流板图3 导流板上物料速度矢量图
（a）总力
（b）最大力
（c）平均力
（d）冲击系数图4 WEBA 型冲击板的冲击力与冲击系数
（a）总力
（b）最大力
（c）平均力
（d）冲击系数图5 曲线导流板的冲击力与冲击系数
冲击板相比，虽然总冲击力比普通冲击板大，但其最大力和平均力均比普通冲击板降低10%，且其冲击系数比普通冲击板小0.08( 接近于10%)，而造成衬板冲击损坏主要来于最大冲击力，这是由于WEBA 型冲击板壁架的作用，在壁架上堆积部分物料，物料在撞击冲击板的时出现料打料的现象，减小了对冲击板的直接冲击。曲线导流板与普通冲击板相比，总冲击力和最大冲击力以及冲击系数均比普通冲击板有明显的降低，可见采用曲线导流板可以更好减小冲击。
2.2 折线型导流板仿真分析在实际生产中，曲线导流板可以减小冲击，但是制造费用较高，一般需要通过放样或模具制作。所以考虑是否可以用曲线导流板进行代替。根据曲线导流板的结构，分别采用4 段折线和5 段折线的导流板进行仿真实验，折线型导流板如图6 所示，仿真结果见表2。
（a）4 段折线
（b）5 段折线图6 折线型导流板
由表中数据可知，5 段折线型导流板的受力情况较4 段折线的法向平均冲击力降低约30%，但与曲线型导流板的受力还相差较大。由此可见，折线型导流板的折线数越多，越接近曲线导流板的性质，所以在实际生产中，在对转载要求不是很高的系统中，可以采取折线型导流板来代替曲线导流板，以降低制造和加工的费用。
3 结论 本文对普通冲击板、WEBA 型冲击板、曲线型导流板、折线型导流板采用DEM 进行了仿真，并对料流的速度矢量、冲击力和冲击系数进行了对比，可得如下结论。1) WEBA 型冲击板实现了料打料，可降低冲击板的磨损，在冲击力较大的情况可以采用，但导料效果不明显。2) 曲线导流板可以降低物料对衬板的冲击，并具有较好的导流效果。3) 折线型导流板能起到降低冲击和导流的作用，折线段越多降低冲击、导流效果越明显。工程设计中可根据物料流可能产生冲击的大小和导流的方向角及具体尺寸来选择折线的段数。
参考文献 [1] Stuart-Dick D, Royal T A Design Principles for Chutes toHandle Bulk Solids[J].bulk solids handling，1992，12(3)：447 − 450.[2] Roberts A W, Chute Design Considerations for Feeding and Transfer[C]. Beltcon 11, Johannesburg Republic of South Africa, 2001(10).[3] Korzen Z. The Dynamics of Bulk Solids Flow of Impact Plates of Belt Conveyor Systems[J]. Bulk Solids Handling, 1988, 8(6): 689-697.[4] Hastie D B, Grima A P, Wypych P W Validation of particle flow through a conveyor transfer hood via particle velocity analysis[C]. International Symposium Reliable Flow of Particulate Solids IV - Proceedings, 2008:574-579.[5] Benjamin C, Donecker P, Huque S, et al. The Transfer Chute Design Manual for Conveyor Belt systems[M].Wahroonga：Conveyor Transfer Design Pty. Ltd. 2010.[6] 宋伟刚, 张瑞莲. 散状物料转载过程DEM 仿真的研究[C].物流工程三十年 技术创新发展之道, 北京：中国铁道出版社. 2010.[7] 宋伟刚，王天夫. 散状物料转载系统设计DEM 仿真方法的研究[J]. 工程设计学报，2011，18(6)：428-456.[8] Marcus R D, Baller W J, Barthel P. The Design and Operation of the WEBA Chute [J].bulk solids handling. 1996,16(3): 405 − 409.
