组合型落料管转运站三维几何模型

组合型落料管转运站三维几何模型

运输站是将材料从一个位置传输到另一个位置的系统设备，包括装配材料、运输材料和更换材料，这将影响运输系统的输送率、输送时间、站场环境、系统运行安全和运营成本。而转运站的关键部分无疑是转运通道——落料管,它起着输送、密封、调节工艺流程以及使物料合理分布、避免偏载等重要作用,在实际生产作业中被大量使用。目前,转运站落料管通常采用传统的直线形结构,具有制作简单、方便安装的优点,但却不能很好地控制物料流动,在多种影响因素作用下,常造成落料管堵塞、扬尘、撒料、噪声大、输送带跑偏及设备使用寿命短等问题,不仅影响系统的正常作业,还增加了生产成本。因为按照传统的设计思想和设备配置,无法从根本上解决上述问题,所以笔者从实际出发,结合物料的流动特性与运动规律,建立了直线与曲线组合型落料管的转运站三维几何模型,用离散元法分析了转运站中物料的运动,并用EDEM软件进行了模拟仿真试验,得到了转运站中物料脱离给料带及进入受料带时的速度;改变落料管与给料带所组成的转载角,并进行了三组模拟试验。1转运站回转角的设计及结构参数的建立某转运站输送的物料粒度为50~300mm,堆积角为38°(静、动);给料输送机与受料输送机的带宽均为1400mm,带速均为2.5m/s;转运站回转角有0°、90°、180°三种;头部滚筒直径为1000mm;垂直输送距离为6470mm;落料管截面为1000mm×1000mm的四边形。从漏斗下方处进行落料管结构设计,在三维软件Pro/E中建立落料管模型,并组装成相应的转运站几何模型。将相应模型导入EDEM平台,结合以往相关试验与研究,并根据实际情况设置物料颗粒与周围环境的接触模型、材料属性及时间步长等相关参数,最后进行相应模拟试验,并对所获取的试验数据进行分析,得出结论。2颗粒运动形式在转运站系统中,物料颗粒主要受自身重力、物料颗粒之间的碰撞力以及物料颗粒与几何结构之间的碰撞作用,其运动形式主要有2种,即脱离给料输送带后的一段平抛运动及在落料管中的运动。2.1两个球形颗粒间的碰撞接触模型离散元法一般认为是由P.A.Cundall于1979年提出来的,用于研究非连续性物质结构和运动规律的一种数值方法,并于20世纪80年代中期被引入到我国,引起了国内岩土力学与工程界的浓厚兴趣。其基本原理是将非连续介质离散成单元的集合或独立的块体,利用牛顿第二定律建立每个单元的运动方程,再用动态松弛法迭代求解,进而得到整个颗粒系统的演化过程。由于离散单元法适用于模拟离散组合体的接触和碰撞过程,以及各离散单元的相互作用,从而作为研究颗粒物质复杂力学问题的有力工具被广泛应用于岩土工程、散体力学以及爆炸力学等领域,并且取得了一些令人瞩目的研究成果[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。物料颗粒间的相互碰撞作用是建立离散元模型并进行计算的关键所在,笔者将考虑颗粒间的法向接触力、切向接触力及力矩三种作用,从而给出比较完善的离散元模型。根据物理定律可知,两个球形颗粒如果发生弹性碰撞,首先会在接触点发生弹性形变,从而使颗粒在前进的方向上受到阻力,该阻力的大小与法向变形位移及颗粒的硬度成正比,当达到最大变形位移时,颗粒就会停止前进,并沿着原来运动的方向反弹;若两个球形颗粒为非完全弹性碰撞,碰撞后颗粒的动能将会损失,损失的大小与颗粒的弹性阻尼系数以及颗粒的法向相对速度有关。两个球形颗粒(i和j)碰撞接触模型如图1所示。颗粒的运动方程为式中:mi为球i的质量,kg;Vi为球i的速度,m/s;t为时间,s;Fn,ij为球i与j之间的法向接触力,N;Ft,ij为球i与j之间的切向接触力,N;kn为法向弹性系数,N/m;δn为球i与j之间的法向形变矢量;dn为球i与j之间的法向形变,m;bn为法向阻尼系数,N·s/m;Vn,ij为球i与j间法向相对速度,m/s;kt为切向弹性系数,N/m;δt为球i与j之间的切向形变矢量;uf062t为切向阻尼系数,N·s/m;Vt,ij为球i与j间切向相对速度,m/s;uf06ei、uf06ej分别为球i、j的泊松比;Ei、Ej分别为球i、j的弹性模量;Ri、Rj分别为球i、j的半径,m;nij为球i指向球j球心的单位矢量;xyz为球的位置,m;e为弹性恢复系数;m为球i的有效质量,kg,由表1公式给出;Vij为球i与j间的相对速度,m/s;Gi、Gj分别为球i与j的剪切模量;uf077i、uf077j分别为球i、j的角速度,rad/s;Vj为球j的速度,m/s。如果|Ft,ij|>uf06ds|Fn,ij|,颗粒i发生滑移。据库伦摩擦定律有式中:μs为滑动摩擦因数。当物料颗粒发生偏心碰撞时,除受到上述两种力的作用外,还会受到切向力矩及滚动摩擦力矩两种力矩的作用,力矩方程为式中:I为有效转动惯量,kg·m2,由表1给出;Tt,ij为切向力产生的力矩,N·m;Tr,ij为扭转变形产生的力矩,N·m;α为扭转变形矢量;uf062r为法向阻尼系数,N·s/m;kr为扭转弹性系数,N/m。式中:μr为滚动摩擦因数。在上述力和力矩的作用下,物料颗粒的速度、转速及位置变化可由式(3)~(5)表示。应该指出的是,笔者采用的模型未考虑气体对物料颗粒的拽力。2.2建立颗粒模型在Pro/E中分别建立3种转载角的组合型落料管的转运站三维几何模型,并分别导入EDEM软件。EDEM软件是DEMSolutions公司开发的一款用现代化离散元模型来模拟和分析颗粒系统处理和生产操作的通用CAE软件,它可以为固体颗粒系统建立参数化模型,通过导入真实颗粒的CAD模型来准确描述颗粒的形状,并通过添加力学性质、物料性质和其他物理性质来建立颗粒模型,在模拟过程中把生成的数据储存到相应的数据库中,可以细致模拟和分析颗粒行为,并为颗粒、流体和机械力学的结合提供了一个平台。在没有可靠理论来研究工业生产设备中物料运动行为的情况下,通过离散元方法模拟物料运动可得到试验中不易测得的数据信息,能大大节省试验费用,并更好地解决实际工程问题。模拟试验中,参数的选择关系着数值计算的收敛速度与稳定性,并且在很大程度上影响模拟试验的结果。这里的参数包括颗粒的弹性系数、弹性恢复系数、摩擦因数以及时间步长等,如表2所列。其中球形颗粒的直径有70mm和100mm两种,且每种直径颗粒每秒钟产生5000粒。在转运站这样的大型转运系统中,网格划分区域过大的话,会超过当前阶段的模拟计算量;因此,为了减少模拟计算量,每次模拟时,在保证精度的情况下应尽量减少网格数。颗粒的初始状态采用如下方法获得:所有的颗粒按照随机方式生成,颗粒间允许重叠。3不同不同转发角的物料对中效果的影响物料颗粒在给料输送带的带动下达到与输送带同速,在脱离给料输送带时做平抛运动,在重力作用下与漏斗接触,然后在重力和摩擦力的共同作用下在落料管中运动,经过一段时间后,到达落料管卸料口,并随受料输送带运动。模拟过程中,物料颗粒不断地给入、碰撞和运动,在t=4.5s后,基本达到相对稳定运行状态。物料在转运站的转载过程如图2所示。由图2可知,转载角为0°和180°时,物料对中效果相对较好;转载角为90°时,物料对中效果较差。不同转载角物料脱离给料输送带时的速度是相同的。为了比较不同转载角对物料流速的影响,测出物料颗粒在落料管出口处的速度,这个速度按时间分布如图3所示。由图3(a)可以看出,转载角为0°时,系统运行时间达到4s时,物料颗粒运动到落料管出口处,此时先到的颗粒速度较高;当系统运行到4.48s以后,物料速度基本在5.45~5.55m/s之间波动。从图3(b)可以看出,转载角为90°时,当系统运行到3.56s时,物料颗粒运动到落料管出口处,此时先到的颗粒速度相对较高;当系统运行到4.27s以后,物料速度基本在5.60~5.65m/s之间波动。从图3(c)可以看出,转载角为180°时,当系统运行到3.30s以后,物料颗粒运动到落料管出口处,此时先到的颗粒速度较高;当系统运行到3.85s以后,物料速度基本上达到稳态,在6.52~6.7m/s之间波动。综合图3可知,转载角为0°时,物料颗粒速度相对较小;转载角为180°时,物料颗粒速度相对较高。值得注意的是,转载角为180°时,由于物料几乎是流线形运动,其碰撞消耗能量相比转载角为0°和90°时要小得多,因此,虽然其在管壁上运动的路径更长一些,但此工况下落料管出口处的料流速度却相对较高。4基于dem的方法通过对计算结果的分析与比较得到如下结论。(1)系统开始运行,最先脱离给料带并通过落料管落入受料带的物料速度最高,在系统配置时应予以考虑。(2)碰撞可以降低物料的速度,验证了“料磨料”可降低物料流动速度的正确性,从而在不改变落料管形状的情况下,可通过改变转载角来影响落料管中物料的碰撞作用,从而影响物料的流动速度。(3)物料在落料管中的流动形态及进入受料带时的对中效果均与转载角有关,可通过转载角的控制来调节。但要注意,转载角也影响着落料管中物料的碰撞作