基于EDEM对散状物料转载系统优化设计的分析.docx
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基于EDEM对散状物料转载系统优化设计的分析
基于EDEM的散状物料转载系统优化设计分析
金从兵
(湖北凯瑞知行科技有限公司武汉)
摘要:
随着国内散状物料输送的快速发展,对高带速、大运量的需求越来越大,传统散状物料转载系统的设计已经不能满足现有高带速、大运量胶带输送系统的使用要求,物料输送系统转载点粉尘污染、溜槽堵塞、胶带偏载跑偏、撒料严重、设备磨损等越来越成为整个输送系统的突出问题。
3-DEM曲线溜槽系统采用流线型优化截面设计,能够很好的汇集物料,减缓物料下落速度、保证料点对中、避免堵料、撒料等现象。
本文利用颗粒力学仿真软件EDEM分别对某煤炭港口T3转载点的传统设计和3-DEM曲线溜槽技术设计进行了对比仿真分析,仿真分析表明转载点采用3-DEM曲线溜槽系统设计不仅很好地避免溜槽堵料、胶带偏载跑偏等问题,同时对于粉尘的控制也起到了良好的效果,设备运行更加可靠、经济、高效和稳定。
关键词:
EDEM;曲线溜槽;物料转载
1、转载点传统溜槽设计与3-DEM曲线溜槽设计的区分
在散料输送与装卸系统中,转载点溜槽系统是整个系统的咽喉,转载点溜槽系统设计的好坏严重影响着整个系统的输送效率和运行安全。
现有的转载点溜槽系统通常利用“料磨料”的设计思路,溜槽普遍采用直线型结构,截面形状一般为矩形截面,溜槽出口距离胶带底部较高,出口宽度也比较大,其具有制作简单、方便安装以及造价低等优点,但却不能很好地控制物料流动,在实际复杂工况作业下,造成物料堵塞、落料点不正引起的偏载跑偏、撒料严重、对胶带冲击大、粉尘浓度高、溜槽磨损严重等一系列问题,不仅影响了正常的工业生产、增加了生产成本,同时也影响了设备的安全运行。
如图1为转载点采用传统溜槽实际运行时存在的常见缺陷。
图1转载点传统溜槽常见缺陷
3-DEM曲线溜槽技术基于离散元方法,采用SolidWorks三维立体设计建模技术,借助于先进的颗粒学仿真软件,对散状物料输送过程中颗粒体系的行为特征进行较真实的模拟,从而协助设计人员对散状物料处理设备进行设计、测试和优化。
3-DEM曲线溜槽机头部位设计有弧形导流装置,使料流以较小的冲击角度(理论切入角小于30°)与导流挡板渐变接触,以减小料流对挡板的冲击;溜槽本体采用弧形流线型结构,截面形状多为“U”形或圆形截面;出口采用向前扩容变截面的匙形结构,并深入导料槽内部,距离胶带底部350左右。
3-DEM曲线溜槽通过汇集物料,实现不规律散状物料的可控化,从而防止溜槽堵塞、减小冲击、抑制诱导风、降低粉尘浓度等。
如图2为转载点3-DEM溜槽实际运行时效果。
图2转载点3-DEM溜槽实际运行时效果
2、三维设计、建模与仿真
采用SolidWorks三维立体设计和建模技术分别建立转载点传统溜槽和3-DEM曲线溜槽的三维模型,并利用EDEM分别做相对应仿真分析,模拟分析物料在两种不同溜槽系统内的运动情况。
2.1、基于SolidWorks的三维立体建模
以T3转载点溜槽布置CAD图纸为基础,通过对传统设计可能存在缺陷的分析,我们不难看出该转载点主要存在以下几个问题:
1、胶带机头部漏斗采用“料磨料”设计,物料先在漏斗后部处堆积一定量后再下落,该设计方案虽然减缓了漏斗的磨损,但当物料含水量超标时,物料易在此处堆积、粘接成块,进而造成头部漏斗的堵料现象,同时粘接在一起的大量物料容易形成突然垮塌现象,垮塌后粘接在一起的物料瞬间进入溜槽内部,容易造成溜槽的堵塞,也容易因为胶带瞬间输送量超载而出现撒料现象;当物料过于干燥时,物料之间的撞击又会产生大量的粉尘,污染转载点周围环境;根据秦皇岛港口的运行经验,北方港口冬季还存在冻煤的现象,易造成溜槽积料堵料现象;
2、物料由BH2-1——BH2-2或BH3-1——BH3-2输送时为平行转运,但由于受空间布局限制,该处溜槽与胶带中线存在1000mm的偏移,物料下落到下级胶带时必然会造成下级胶带因落料点不正而产生跑偏现象,落料点物料对胶带呈垂直方向冲击,会出现严重的撒料和扬尘现象;
3、出口管底部采用折线结构,过渡不平滑,容易在拐角处产生积料现象。
综上所述,我们提出相应的优化解决方案(详见CAD图纸),主要包括以下几个方面:
1、头部根据物料抛料轨迹设计安装弧形头部集流导流装置,以避免漏斗的堵料现象,同时抑制诱导风,降低粉尘;
2、将原有正三通结构更改为非标的“卜”型三通,使该处落料点对中下级胶带,避免胶带重载跑偏;
3、溜槽采用3-DEM曲线溜槽结构,过渡平滑,保证物料汇集,避免溜槽积料现象。
基于以上两种不同的设计方案,采用SolidWorks三维软件设计分别建立溜槽系统的三维立体模型,如图3所示。
图3转载点传统溜槽与3-DEM溜槽三维立体模型图
2.2、基于EDEM的仿真分析
2.2.1EDEM简介
颗粒力学仿真专家EDEM是由英国DEMSolutions公司开发的世界上第一款基于高级离散元方法的通用仿真分析软件,它可以细致地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。
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,通过添加力学性质、物料属性和其他物料参数来建立颗粒模型,并且在模拟过程中把生成的数据存储到相应的数据库中。
EDEM软件主要由前处理器(EDEMCreator)、求解器(EDEMSimulator)和后处理工具(EDEMAnalyst)三大功能模块组成,如图4为EDEM软件功能模块框架及颗粒模型示意图。
图4EDEM软件功能模块框架及颗粒模型示意图
2.2.2、EDEM仿真分析
本文所有仿真所采用的物理模型包括2种类型:
1、颗粒与颗粒之间相互作用的模型;2、颗粒与几何体之间相互作用的模型。
其中前者包括传统的动力模型Hertz-Mindlin(noslip)和研究含水物料相互之间作用力的黏结模型LinearCohesion,后者包括传统的动力模型Hertz-Mindlin(noslip)、输送带传动模型Movingplane和研究含水物料与几何体之间作用力的黏结模型LinearCohesion。
该项目的基本参数为:
物料:
煤;带宽:
2000mm;带速:
4.8m/s;设计运量:
6480t/h。
物料颗粒形状按两种几何外形填充,一种由2半径均为20mm的球体填充;另一种由1个半径为20mm和2个半径为40mm的球体填,充填充效果如图5。
图5颗粒形状及填充效果图
物料颗粒是通过EDEM软件内置的颗粒工厂随机生成的,为了保证计算结果的准确性,在进行仿真前需要确认仿真过程的参数应与实际相符,因而对物料的安歇角、胶带输送量和带速等进行了测试。
图8为测试物料不同含水量时物料的堆积角(通过标定物料之间不同的静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞回复系数、表面能来获取适合的物料参数),本文选取了堆积角约为38度时的标定参数(即图中下排第1张图)作为仿真参数;
图8物料含水量参数标定
图6、图7为EDEM仿真分析计算前后的截图,从图中可以初步看出,传统设计的溜槽头部积料严重,BC2/3-2胶带料点不正(胶带两侧单位长度内物料质量不同),尾部物料长期滞留,易形成撒料和严重扬尘,折线出口管底部拐角处有少量集料;优化后的3-DEM曲线溜槽,物料流动顺畅,落料点对中(胶带两侧单位长度内物料质量基本相同)。
图6传统溜槽EDEM仿真分析截图
图7优化后的曲线溜槽EDEM仿真分析截图
图9为测试输送带上物料的速度,从图中可以看出,物料的运行速度在输送带的作用下稳定在4.8m/s,符合实际工况的要求;
图9带速
图10为测试胶带单位长度(1米)范围内物料的质量,可见所测质量在373kg/m附近波动,根据输送量为6480t/h,带速为4.8m/s,可以推算出胶带单位长度范围内物料质量为375kg/m,符合实际运量的要求。
图10单位长度胶带物料质量
前面已经分析过BC2/3-2胶带料点传统设计存在落料点不正的情况,为了更加准确、直观的了解物料在受料胶带上的分布情况,将受料胶带上的物料按胶带中心线分成两部分,如图11。
分别统计各部分的物料质量并进行对比分析,如图12为传统设计BC2/3-2胶带两侧物料质量变化情况,胶带右侧物料基本在150kg/m左右,左侧物料基本在220kg/m左右,存在明显的偏载跑偏现象;如图13为优化后的设计,可见胶带两侧的物料质量基本相同,均稳定在190kg/m左右,落料点对中,运行稳定高效。
图11受料胶带单位长度两侧物料质量
图12传统溜槽BC2/3-2胶带两侧物料质量变化折线图
图13曲线溜槽BC2/3-2胶带两侧物料质量变化折线图
3、结论
1、EDEM仿真软件能够较真实地模拟物料在实际工况条件下的运动特征,可以准确地得到物料的分布状态、运行速度、对溜槽各部位的磨损率、对胶带的冲击力等数据信息,可用于优化各类散装物料带式输送机系统转载点的溜槽结构设计;
2、比较分析了传统溜槽与曲线溜槽的不同运行效果,可以得出优化后的曲线溜槽明显优于传统的溜槽,避免和缓解了冲击、堵料、撒料、扬尘、胶带跑偏等转载点常见问题。
3、该方法可运用于散货港口、燃煤电站、煤矿、各类矿山物料带式输送机溜槽系统的设计优化分析。
参考文献:
1、龚明《EDEM颗粒工厂设置经验》北京海基科技
作者:
金从兵高级工程师湖北凯瑞知行科技有限公司
邮箱:
jincongbing@
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- 基于 EDEM 物料 转载 系统 优化 设计 分析