1、基于 EDEM 对散状物料转载系统优化设计的分析湖北凯瑞知行科技有限公司 技术研发部 胡平摘 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、大运量皮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、皮带偏载跑偏、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 分别对唐山港曹妃甸港区 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
2、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塞、皮带偏载跑偏等问题，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、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，溜槽出口距离皮带底部较高，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
3、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）
4、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，距离皮带底部 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
5、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、皮带机头部漏斗采用“料磨料” 设计，物料先在漏斗后部台阶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
6、围环境；2、物料由 BH2-1BH2-2 或 BH3-1 BH3-2 输送时为平行转运，但由于受空间布局限制，该处溜槽与皮带中线存在 1000mm的偏移，物料下落到下级皮带时必然会造成下级皮带因落料点不正而产生跑偏现象；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 Y 形三通，使该处落料点对中下级皮带，避免皮带重载跑偏；3、溜槽采用 3-DEM 曲线溜槽结构，
7、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2.2.1 EDEM 简介颗粒力学仿真专家 EDEM 是由英国 DEM Solutions 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
8、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（EDEM Creator）、求解器（EDEM Simulator ）和后处理工具（EDEM Analyst）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 4 EDEM 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（nos lip）和研究含水物料相互之间作用力的黏结模型
9、 Linear Cohesion，后者包括 传统的动力模型Hertz-Mindlin（nos lip ）、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 。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 40mm的球体填充；另一种由 1 个半径为 40mm 和 2 个半径为 80mm 的球体填，充填充效果如图 5。图 6、图 7 为 EDEM 仿真计算后的截图，从图中可以初步看出，传统设计的溜槽头部集料严重，BC2/3
10、-2 皮带料点不正（皮带两侧单位长度内物料质量不同），尾部物料长期停留，易形成撒料，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，物料流动比较顺畅，落料点对中（皮带两侧单位长度内物料质量基本相同）。图 5 颗粒形状及填充效果图图 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、皮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
11、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 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 10 为测试皮带单位长度（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，可以推算出皮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 8 物料含水量参数标定图 9 带速图 10 单位长度皮带物料质量前面已经分析过 BC2/3-2 皮带料点传统设计存在落料点不正的情
