料斗衬板(基于物料流动性分析的料斗优化设计)

Posted 2023-05-27

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料斗衬板(基于物料流动性分析的料斗优化设计)

张文超1 黄强1 黎胜龙1 Andrew Grima2
1 泰富重装集团有限公司湘潭 411100 2 BMEA wollongong （澳大利亚）新南威尔士 2522

摘要：对典型性难流动物料进行剪切测试，确定物料流动特性。建立分析模型，根据安息角和摩擦角测试进行参数校准。基于物料流动性分析对转运料斗进行优化设计，物料流动性分析真实地模拟物料在实际工况条件下的运动特征（平均速度、质量流速、冲击作用力等），进而改进转运料斗结构，避免物料产生偏载、堵料、积料、撒料等问题。

关键词：转运料斗；剪切测试；流动特性；模型校准；离散元技术

中图分类号：TH237 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）07-0075-05

0 前言
散料输送系统主要应用于港口码头装卸系统、水泥厂料场系统、火力发电厂输煤系统、钢铁原料厂系统、煤化工料场系统等。散状物料的输送与转载是广泛存在的基本环节，随着散状物料处理量增大及物料种类不断增加，转运料斗的运行问题日益突出，如料斗磨损、受料输送带偏载、扬尘、撒料等[1] ，因此，料斗的设计研究得到了更广泛的关注。

本文以某码头运行转运料斗为例，进行转运料斗的优化设计。实际工程中转运料斗采用“料磨料”的设计思路，对于流动性较好的物料（如球团矿），不影响其输送性能；对于一些流动性差的物料（如精矿粉），物料含水率超标时易堆积、粘结成块，进而发生堵料现象，造成输送能力下降以及输送带偏载等，同时也会出现撒料、回流现象，造成现场环境污染。见图1 ～图3。

1 试验测试
为了更好地研究散料性能对转运料斗的影响，对典
型难流动物料进行试验测试，研究物料的流动性能。
1.1 剪切试验

图1 料斗积料

图2 输送带偏载图3 现场环境

图3 现场环境

对秘细粉进行剪切试验主要为获得物料的流动性能。对秘细粉的剪切主要采用Jenike 剪切仪单面直剪的方法[2]，首先在剪切盖上放置砝码作为正压力，在剪切环与基环之间的剪切面上，电机驱动的推杆作用在剪切盖的顶针上，推动剪切环做剪切运动，设置在推杆上的力传感器测得剪切力信号，再传送到图纸记录仪或计算机，直剪仪如图4 所示。

颗粒物料经过多次剪切试验, 可以得到图5 所示的物料一系列瞬态屈服轨迹，破坏包络线和莫尔圆。根据莫尔—库仑理论得到物料的内摩擦角、有效摩擦角、无约束屈服应力及壁面摩擦角[3]。

图4 剪切仪

图5 屈服轨迹莫尔圆

1.2 物料的流动性函数
Jenike 定义了流动函数FF ，用流动函数表示松散颗粒粉末的流动性能。松散颗粒粉体的流动取决于由物料压密实而形成的强度。自由屈服强度就是这种强度的量值f ，并且是密实主应力σ1 的函数，即

式中：FF 为流动函数，无量纲； f 为自由屈服强度，MPa； 1 σ 为密实主应力，MPa。

取恶劣难流动秘鲁细精矿粉（以下简称秘细粉）进行实际测试分析，见图6，随着含水率的增加，流动函数FF 值减小，流动性能变差，秘细粉在含水率12.33% 时，流动性能最差，其FF 值为1.5，强附着，流动困难。图6 不同含水率下秘细粉流动函数值

2 模型分析
物料采用离散单元方法建模，离散单元为显式求解，研究颗粒的集合，结合颗粒体间不同的本构关系建立每个单元的运动方程，当颗粒碰撞时考虑颗粒间的作用包括弹簧、阻尼、摩擦和液态桥力等。

2.1 计算模型建立
该码头转运料斗几何模型如图7 所示，该项目的基本参数为：物料为秘细粉，设计运量Q=4 200 t/h，带宽B =1 600 mm，带速v =3.15 m/s，落料高度H=4.5 m。受料输送带与送料输送带沿Z 向( 正向) 夹角13.996˚，沿Y 向( 竖直方向) 夹角21.398˚。

图7 转运料斗几何模型布置

离散元模型如图8 所示，本文计算所采用的物理模型包括物料与物料、物料与衬板、物料与输送带的相互作用模型。其中前者包括传统的动力模型 Hertz-Mindlin和研究含水物料相互之间作用力的黏结模型Linear Cohesion，后者包括传统的动力模型Hertz-Mindlin（noslip）、输送带传动模型 Moving plane 和研究含水物料与几何体之间作用力的黏结模型 Linear Cohesion[4]。

图8 离散元模型建立

2.2 物料模型
秘细粉为均质颗粒，在水分作用下出现团聚，其含水率为10.33%，选择球形颗粒，半径为12 mm。在实际系统的仿真中，物料力学性质的合理确定是保证仿真结果的关键因素，仿真中涉及的各部分结构的材质为：物料为精矿粉，转运料斗为耐磨钢材，输送带为橡胶。根据物料的安息角和壁面摩擦角测试（见图9、图10）及剪切试验的结果，进行物料模型校准[5]，使离散元颗粒与实际秘细粉保持一致，参数标定后材料接触参数如表1 所示。

2.3 弧形导流罩理论设计
物料在料斗转运过程中，约82% 的能量损失在物料与导料罩底面的接触面，约9% 的能量损失在物料与导料罩侧壁的接触面，其余的能量损失在物料之间的相对流动[6]。物料流的物料运动简化为物料凸弧和凹弧运动的复合，如图11 和图12 所示，根据理论运动的计算，物料在导料罩凸弧和凹弧的平衡方程式分别为[7]

式中： v 为瞬时速度，m/s； R 为曲率半径，m；θ 为垂直方向与v 的夹角，（°）； t 为运动时间，s；Δm为物料的质量，kg；μ 为等效摩擦因数。

图9 安息角测定

图10 壁面摩擦角测定

图11 凸弧理论运动模型

图12 凹弧理论运动模型

根据物料理论瞬时速度的计算，使物料在导流罩出的产生，同时避免在溜槽区域积料，因此弧形导流罩凸弧和凹弧采用等曲率半径的形式，物料入料角度和卸料角度为20°，理论计算弧形导流罩R =2.5 m。

3 结果分析
3.1 速度分析
安装头部弧形导流罩，以避免漏斗堵料，同时抑制诱导风，降低粉尘。在物料冲击溜槽时，速度降缓，如图13 所示，秘细粉整体速度保持稳定。在料斗1 ～ 1.5m 这段高度，物料的速度出现了一个明显的上升趋势，v 最高达到6.8 m/s，这表明经过弧形导流罩的物料下落时还未接触到溜槽，接触溜槽后，物料速度有明显的下降。在料斗3 ～ 4 m 这段高度，物料在弧形导流罩运动，动能基本保持不变，能量未损耗，速度v 保持在3.15 m/s 左右，如图14 所示。将溜槽角度由49˚ 增加至70˚，弧形导流板与物料抛料成18˚。同时增加对中装置和刮板清料机，改善物料在受料输送带的对中性能，使清扫器清扫的物料进入转运料斗，改善现场的作业环境。

图13 秘细粉速度云图

图14 秘细粉速度曲线

3.2 输送量分析
为了判定转运料斗是否容易堵塞，质量流速能够直观对流入和流出转运料斗的精矿粉物料转运能力进行评估。在给料输送带（抛料的前端）和接料输送带（物料流出料斗稳定区域）建立质量流量传感器，对进出料斗的输送量进行测量。

图15 为秘细粉（10.18%）在转接料斗出入口的质量流速曲线，物料在2.5 s 时，入口质量流速达到平衡，其值在1 166 kg/s（4 200 t/h）小范围波动， 2.5 s 后，物料运送至给料输送带抛料的前端，入口输送能力稳定。秘细粉（10.18%）进入并最终排出转运料斗时有一个初始的滞后，在3.7 s 后，物料开始流入出口检测区域。2.5s 至3.7 s 的滞后时间区间，即为物料在料斗中的输送时间。在5.76 s 之后达到了稳定状态，流入和流出转运料斗的物料质量流量基本相等，秘细粉运量达到平衡。

图15 出入口流量曲线

3.3 弧形导流罩冲击作用分析
物料由送料输送带送至转运料斗中，在弧形导流罩的作用下，物料沿导流罩轨迹线流动，因此导流罩承受物料的冲击作用力，弧形导流罩如图16 所示。弧形导流罩内侧受物料冲击力作用随时间的变化如图17所示，在2.5 s 之前，物料并未与导流罩接触，在2.52 s 时，冲击作用力为516.3 N，此时为冲击作用力的最大值，随着物料进入，冲击作用力又降至282.3 N。冲击作用力随时间变化而波动，其平均作用力为395 N。表明带速3.15 m/s 时，弧形导流罩受力数据的变化总体范围是一定的，总在均值附近波动。

冲击是引起转料斗工作失效的主要形式，为了减小这些结构的受力，更好地选择耐磨材料，对冲击作用区域进行定性定量分析，提高弧形导流罩的工作寿命，增加经济效益。

图16 弧形导流罩

图17 弧形导流罩冲击作用力随时间变化的曲线

3.4 不同含水率物料流动分析
含水率对物料的特性影响比较大，尤其对精粉材料，图18 为含水率8.53%、10.18%、12.33% 秘细粉在转运料斗中平均速度随时间的变化，2.02 s 时物料开始进入转接料斗，含水率8.53% 的秘细粉初始平均速度为3.15m/s，与输送带的速度基本保持一致，随着含水率的增加，12.33% 秘细粉的初始平均速度为2.88 m/s。

物料平均速度曲线在不同的含水率下的变化规律一致，3 ～ 3.8 s 时，物料的平均速度显著增大，在4 s 后，速度基本稳定下来，8.53% 秘细粉的稳定速度为3.67 m/s，10.18% 秘细粉稳定速度为3.58 m/s，12.33% 秘细粉稳定速度为3.08 m/s。物料平均速度的显著上升，主要是物料经过弧形导料罩后，在料斗中自由落体造成的。12.33% 秘细粉稳定速度低于输送带的送料速度3.15 m/s，表明在转运料斗中物料发生积料，这与剪切试验建立的流动性函数保持一致，秘细粉在含水率12.33% 时，流动性能最差，其FF 值为1.5。

4 结论
1）通过对秘细粉相关物理试验如剪切试验、堆积角试验及壁面倾斜试验，测试秘细粉的流动性能，并将物理试验数据和虚拟建模结合，建立了参数校准模型。

图18 不同含水率物料的平均速度

2）通过实例验证基于物料流动性分析能够较真实地模拟物料在实际工况条件下的数据信息，如分布状态、运行速度、质量流速、冲击力等，同时可以比较分析不同含水率对物料在料斗内平均速度的影响。该技术可用于优化转运料斗的结构设计，避免物料产生偏载、堵料、积料、撒料等现象。

参考文献
[1] 宋伟刚，王天夫. 散状物料转载系统设计仿真方法的研究[J]. 工程设计学报，2011（12）：428-436.
[2]ASTM D6128-06. Standard Test Method for Shear Testing ofBulk Solids Using the Jenike Shear Cell [S]. （USA）ASTM：Wes Conshohoeken, 2003.
[3]Pillai J R, Bradley M S A，Berry R J. Comparison betweenthe angles of wall friction measured on an online wall friction tester and the Jenike wall friction tester[J]. Powder Technology, 2007，174（1/2）：64-70.
[4] 胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2010.
[5]Andrew Grima ， Peter Wypych. Discrete element simulationof a conveyor impact-plate transfer: calibration, validation andscale-up[J]. Australian Bulk Handling Review， 2010（5/6）：64-72.
[6]Roberts A W. Transaction of ASME[J]. J. Eng. Industry（SeriesB），1969，91(2)：373.
[7]Roberts Alan W. Chute Performance and Design for RapidFlow Conditions[J]. Chem.Eng.Technol， 2003，26（2）：163-170.