組合型落料管轉(zhuǎn)運(yùn)站三維幾何模型

組合型落料管轉(zhuǎn)運(yùn)站三維幾何模型

運(yùn)輸站是將材料從一個(gè)位置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置的系統(tǒng)設(shè)備，包括裝配材料、運(yùn)輸材料和更換材料，這將影響運(yùn)輸系統(tǒng)的輸送率、輸送時(shí)間、站場(chǎng)環(huán)境、系統(tǒng)運(yùn)行安全和運(yùn)營(yíng)成本。而轉(zhuǎn)運(yùn)站的關(guān)鍵部分無(wú)疑是轉(zhuǎn)運(yùn)通道——落料管,它起著輸送、密封、調(diào)節(jié)工藝流程以及使物料合理分布、避免偏載等重要作用,在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中被大量使用。目前,轉(zhuǎn)運(yùn)站落料管通常采用傳統(tǒng)的直線形結(jié)構(gòu),具有制作簡(jiǎn)單、方便安裝的優(yōu)點(diǎn),但卻不能很好地控制物料流動(dòng),在多種影響因素作用下,常造成落料管堵塞、揚(yáng)塵、撒料、噪聲大、輸送帶跑偏及設(shè)備使用壽命短等問(wèn)題,不僅影響系統(tǒng)的正常作業(yè),還增加了生產(chǎn)成本。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)備配置,無(wú)法從根本上解決上述問(wèn)題,所以筆者從實(shí)際出發(fā),結(jié)合物料的流動(dòng)特性與運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立了直線與曲線組合型落料管的轉(zhuǎn)運(yùn)站三維幾何模型,用離散元法分析了轉(zhuǎn)運(yùn)站中物料的運(yùn)動(dòng),并用EDEM軟件進(jìn)行了模擬仿真試驗(yàn),得到了轉(zhuǎn)運(yùn)站中物料脫離給料帶及進(jìn)入受料帶時(shí)的速度;改變落料管與給料帶所組成的轉(zhuǎn)載角,并進(jìn)行了三組模擬試驗(yàn)。1轉(zhuǎn)運(yùn)站回轉(zhuǎn)角的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的建立某轉(zhuǎn)運(yùn)站輸送的物料粒度為50~300mm,堆積角為38°(靜、動(dòng));給料輸送機(jī)與受料輸送機(jī)的帶寬均為1400mm,帶速均為2.5m/s;轉(zhuǎn)運(yùn)站回轉(zhuǎn)角有0°、90°、180°三種;頭部滾筒直徑為1000mm;垂直輸送距離為6470mm;落料管截面為1000mm×1000mm的四邊形。從漏斗下方處進(jìn)行落料管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在三維軟件Pro/E中建立落料管模型,并組裝成相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)站幾何模型。將相應(yīng)模型導(dǎo)入EDEM平臺(tái),結(jié)合以往相關(guān)試驗(yàn)與研究,并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置物料顆粒與周圍環(huán)境的接觸模型、材料屬性及時(shí)間步長(zhǎng)等相關(guān)參數(shù),最后進(jìn)行相應(yīng)模擬試驗(yàn),并對(duì)所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出結(jié)論。2顆粒運(yùn)動(dòng)形式在轉(zhuǎn)運(yùn)站系統(tǒng)中,物料顆粒主要受自身重力、物料顆粒之間的碰撞力以及物料顆粒與幾何結(jié)構(gòu)之間的碰撞作用,其運(yùn)動(dòng)形式主要有2種,即脫離給料輸送帶后的一段平拋運(yùn)動(dòng)及在落料管中的運(yùn)動(dòng)。2.1兩個(gè)球形顆粒間的碰撞接觸模型離散元法一般認(rèn)為是由P.A.Cundall于1979年提出來(lái)的,用于研究非連續(xù)性物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種數(shù)值方法,并于20世紀(jì)80年代中期被引入到我國(guó),引起了國(guó)內(nèi)巖土力學(xué)與工程界的濃厚興趣。其基本原理是將非連續(xù)介質(zhì)離散成單元的集合或獨(dú)立的塊體,利用牛頓第二定律建立每個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)方程,再用動(dòng)態(tài)松弛法迭代求解,進(jìn)而得到整個(gè)顆粒系統(tǒng)的演化過(guò)程。由于離散單元法適用于模擬離散組合體的接觸和碰撞過(guò)程,以及各離散單元的相互作用,從而作為研究顆粒物質(zhì)復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題的有力工具被廣泛應(yīng)用于巖土工程、散體力學(xué)以及爆炸力學(xué)等領(lǐng)域,并且取得了一些令人矚目的研究成果[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。物料顆粒間的相互碰撞作用是建立離散元模型并進(jìn)行計(jì)算的關(guān)鍵所在,筆者將考慮顆粒間的法向接觸力、切向接觸力及力矩三種作用,從而給出比較完善的離散元模型。根據(jù)物理定律可知,兩個(gè)球形顆粒如果發(fā)生彈性碰撞,首先會(huì)在接觸點(diǎn)發(fā)生彈性形變,從而使顆粒在前進(jìn)的方向上受到阻力,該阻力的大小與法向變形位移及顆粒的硬度成正比,當(dāng)達(dá)到最大變形位移時(shí),顆粒就會(huì)停止前進(jìn),并沿著原來(lái)運(yùn)動(dòng)的方向反彈;若兩個(gè)球形顆粒為非完全彈性碰撞,碰撞后顆粒的動(dòng)能將會(huì)損失,損失的大小與顆粒的彈性阻尼系數(shù)以及顆粒的法向相對(duì)速度有關(guān)。兩個(gè)球形顆粒(i和j)碰撞接觸模型如圖1所示。顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為式中:mi為球i的質(zhì)量,kg;Vi為球i的速度,m/s;t為時(shí)間,s;Fn,ij為球i與j之間的法向接觸力,N;Ft,ij為球i與j之間的切向接觸力,N;kn為法向彈性系數(shù),N/m;δn為球i與j之間的法向形變矢量;dn為球i與j之間的法向形變,m;bn為法向阻尼系數(shù),N·s/m;Vn,ij為球i與j間法向相對(duì)速度,m/s;kt為切向彈性系數(shù),N/m;δt為球i與j之間的切向形變矢量;uf062t為切向阻尼系數(shù),N·s/m;Vt,ij為球i與j間切向相對(duì)速度,m/s;uf06ei、uf06ej分別為球i、j的泊松比;Ei、Ej分別為球i、j的彈性模量;Ri、Rj分別為球i、j的半徑,m;nij為球i指向球j球心的單位矢量;xyz為球的位置,m;e為彈性恢復(fù)系數(shù);m為球i的有效質(zhì)量,kg,由表1公式給出;Vij為球i與j間的相對(duì)速度,m/s;Gi、Gj分別為球i與j的剪切模量;uf077i、uf077j分別為球i、j的角速度,rad/s;Vj為球j的速度,m/s。如果|Ft,ij|>uf06ds|Fn,ij|,顆粒i發(fā)生滑移。據(jù)庫(kù)倫摩擦定律有式中:μs為滑動(dòng)摩擦因數(shù)。當(dāng)物料顆粒發(fā)生偏心碰撞時(shí),除受到上述兩種力的作用外,還會(huì)受到切向力矩及滾動(dòng)摩擦力矩兩種力矩的作用,力矩方程為式中:I為有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2,由表1給出;Tt,ij為切向力產(chǎn)生的力矩,N·m;Tr,ij為扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的力矩,N·m;α為扭轉(zhuǎn)變形矢量;uf062r為法向阻尼系數(shù),N·s/m;kr為扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù),N/m。式中:μr為滾動(dòng)摩擦因數(shù)。在上述力和力矩的作用下,物料顆粒的速度、轉(zhuǎn)速及位置變化可由式(3)~(5)表示。應(yīng)該指出的是,筆者采用的模型未考慮氣體對(duì)物料顆粒的拽力。2.2建立顆粒模型在Pro/E中分別建立3種轉(zhuǎn)載角的組合型落料管的轉(zhuǎn)運(yùn)站三維幾何模型,并分別導(dǎo)入EDEM軟件。EDEM軟件是DEMSolutions公司開(kāi)發(fā)的一款用現(xiàn)代化離散元模型來(lái)模擬和分析顆粒系統(tǒng)處理和生產(chǎn)操作的通用CAE軟件,它可以為固體顆粒系統(tǒng)建立參數(shù)化模型,通過(guò)導(dǎo)入真實(shí)顆粒的CAD模型來(lái)準(zhǔn)確描述顆粒的形狀,并通過(guò)添加力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)來(lái)建立顆粒模型,在模擬過(guò)程中把生成的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,可以細(xì)致模擬和分析顆粒行為,并為顆粒、流體和機(jī)械力學(xué)的結(jié)合提供了一個(gè)平臺(tái)。在沒(méi)有可靠理論來(lái)研究工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中物料運(yùn)動(dòng)行為的情況下,通過(guò)離散元方法模擬物料運(yùn)動(dòng)可得到試驗(yàn)中不易測(cè)得的數(shù)據(jù)信息,能大大節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用,并更好地解決實(shí)際工程問(wèn)題。模擬試驗(yàn)中,參數(shù)的選擇關(guān)系著數(shù)值計(jì)算的收斂速度與穩(wěn)定性,并且在很大程度上影響模擬試驗(yàn)的結(jié)果。這里的參數(shù)包括顆粒的彈性系數(shù)、彈性恢復(fù)系數(shù)、摩擦因數(shù)以及時(shí)間步長(zhǎng)等,如表2所列。其中球形顆粒的直徑有70mm和100mm兩種,且每種直徑顆粒每秒鐘產(chǎn)生5000粒。在轉(zhuǎn)運(yùn)站這樣的大型轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中,網(wǎng)格劃分區(qū)域過(guò)大的話,會(huì)超過(guò)當(dāng)前階段的模擬計(jì)算量;因此,為了減少模擬計(jì)算量,每次模擬時(shí),在保證精度的情況下應(yīng)盡量減少網(wǎng)格數(shù)。顆粒的初始狀態(tài)采用如下方法獲得:所有的顆粒按照隨機(jī)方式生成,顆粒間允許重疊。3不同不同轉(zhuǎn)發(fā)角的物料對(duì)中效果的影響物料顆粒在給料輸送帶的帶動(dòng)下達(dá)到與輸送帶同速,在脫離給料輸送帶時(shí)做平拋運(yùn)動(dòng),在重力作用下與漏斗接觸,然后在重力和摩擦力的共同作用下在落料管中運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,到達(dá)落料管卸料口,并隨受料輸送帶運(yùn)動(dòng)。模擬過(guò)程中,物料顆粒不斷地給入、碰撞和運(yùn)動(dòng),在t=4.5s后,基本達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。物料在轉(zhuǎn)運(yùn)站的轉(zhuǎn)載過(guò)程如圖2所示。由圖2可知,轉(zhuǎn)載角為0°和180°時(shí),物料對(duì)中效果相對(duì)較好;轉(zhuǎn)載角為90°時(shí),物料對(duì)中效果較差。不同轉(zhuǎn)載角物料脫離給料輸送帶時(shí)的速度是相同的。為了比較不同轉(zhuǎn)載角對(duì)物料流速的影響,測(cè)出物料顆粒在落料管出口處的速度,這個(gè)速度按時(shí)間分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出,轉(zhuǎn)載角為0°時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到4s時(shí),物料顆粒運(yùn)動(dòng)到落料管出口處,此時(shí)先到的顆粒速度較高;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到4.48s以后,物料速度基本在5.45~5.55m/s之間波動(dòng)。從圖3(b)可以看出,轉(zhuǎn)載角為90°時(shí),當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到3.56s時(shí),物料顆粒運(yùn)動(dòng)到落料管出口處,此時(shí)先到的顆粒速度相對(duì)較高;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到4.27s以后,物料速度基本在5.60~5.65m/s之間波動(dòng)。從圖3(c)可以看出,轉(zhuǎn)載角為180°時(shí),當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到3.30s以后,物料顆粒運(yùn)動(dòng)到落料管出口處,此時(shí)先到的顆粒速度較高;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到3.85s以后,物料速度基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài),在6.52~6.7m/s之間波動(dòng)。綜合圖3可知,轉(zhuǎn)載角為0°時(shí),物料顆粒速度相對(duì)較小;轉(zhuǎn)載角為180°時(shí),物料顆粒速度相對(duì)較高。值得注意的是,轉(zhuǎn)載角為180°時(shí),由于物料幾乎是流線形運(yùn)動(dòng),其碰撞消耗能量相比轉(zhuǎn)載角為0°和90°時(shí)要小得多,因此,雖然其在管壁上運(yùn)動(dòng)的路徑更長(zhǎng)一些,但此工況下落料管出口處的料流速度卻相對(duì)較高。4基于dem的方法通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析與比較得到如下結(jié)論。(1)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,最先脫離給料帶并通過(guò)落料管落入受料帶的物料速度最高,在系統(tǒng)配置時(shí)應(yīng)予以考慮。(2)碰撞可以降低物料的速度,驗(yàn)證了“料磨料”可降低物料流動(dòng)速度的正確性,從而在不改變落料管形狀的情況下,可通過(guò)改變轉(zhuǎn)載角來(lái)影響落料管中物料的碰撞作用,從而影響物料的流動(dòng)速度。(3)物料在落料管中的流動(dòng)形態(tài)及進(jìn)入受料帶時(shí)的對(duì)中效果均與轉(zhuǎn)載角有關(guān),可通過(guò)轉(zhuǎn)載角的控制來(lái)調(diào)節(jié)。但要注意,轉(zhuǎn)載角也影響著落料管中物料的碰撞作