新型移动式堆料机的设计仿真及应用

孙远韬 骆礼福 吴 丹 潘松胜 张 氢0 概述堆料机是将散状物料（如煤炭、矿石、化工原料）在均化过程中按某种堆料方法连续堆成料堆的设备。随着中国社会、经济、文化以及工业技术的迅速发展，堆料机系统日益广泛地应用于大型火力发电厂的煤炭运输系统、大型粮食储备基地及粮食转运码头的运输系统、散状物料( 水泥、沙子等) 的大型储藏基地和运输系统以及大中型的煤炭、矿石码头等地。为了节省堆场空间，往往需要将物料堆放得尽可能高，内河码头场内堆料工艺方案分为：1）轨道式堆料机，设备特点是需要在堆场制作基础并铺设钢轨，设备投资巨大，同时，由于轨道是固定的，堆料机只能沿着轨道布料，若要整个堆场全部布满物料，需要几台轨道式堆料机才能完成作业任务；2）6 台挖掘机加2 台装载机堆料，由于装载机堆高的高度有限，往往需要二次装载或三次装载才能堆到一定的高度，目前采用该工艺堆料的高度经过三次装载后也只能达到8 m，其堆放能力极限为800 t/h。而中小型堆场和散杂兼顾的堆场，一般不会铺设轨道基础，没有固定的带式输送机系统。此类堆场往往采用卡车作为水平运输设备，直接倒料后通过多台装载机和挖掘机配合进行一次堆料和二次堆料，甚至还需三次堆料[1]。这种作业方式虽然初期投入成本低，作业灵活，但是比较原始，作业效率低，相对比较粗犷。在二次、三次堆料过程中，挖掘机的碾压会对一次、二次堆放的物料造成损坏，不但堆料作业效率低，而且还会影响物料的品质。同时，该种作业方式料堆高度也受到限制，一般经过挖掘机堆高的料堆高度普遍为6~8 m，与传统轨道式堆料机12 m 以上的料堆高度相比，堆场的利用面积大打折扣，且油耗高，堆料过程粉尘污染严重，影响司机健康，不利于环保。由于在狭窄的空间里同时有多台设备长时间重复作业，容易出现意外事故。本项目研发、设计、制造的轮胎式移动智能堆料机，可以自由地在堆场内布料，无需码头再建设基础和布设钢轨。此外，该智能堆料机只需1 人操作，堆放高度可达12 m，堆放效率为3 000 t/h，可显著提高码头物料堆放效率，同时可降低能耗及物料堆放成本。该轮胎式移动智能堆料机的投入使用，可以降低中小型散货码头的综合投资，缩短设备的采购及建设周期，同时能够极大程度地提高生产效率，增加堆场存储量，为码头带来实质性的经济效应，提高码头的综合竞争力。 轮胎式移动智能堆料机设计工作如下：1）利用差速原理，对轮胎式移动智能堆料机的行走机构形式进行了设计，并明确了其总体方案，可自由地在堆场进行布料，无需码头再建设基础和布设钢轨；2）根据移动堆高机的主要设计参数，从物料输送系统原理出发，确定物料输送机构的布置方案，并利用离散元仿真软件EDEM 进行物料输送过程的仿真，模拟其输送和堆高过程，分析其堆高效率与效果。1 行走驱动机构行走驱动机构的总体布置见图1。为了提高整机的工作范围与灵活性，本设计采用轮胎式行走方式并结合液压转向机构，使得堆料机可以在作业区域灵活地转向、直行、横走，方便转移至别的作业区域，提升了堆料机的作业能力，扩展了其工作区域；左右两侧的车轮可以通过差速机构的自动调节实现转弯的线速度速差，从而保证转弯的平稳性。从工作效率和使用稳定性的综合角度出发，行走机构配置了3 台液压泵，在车轮转向和抬起时，3 台液压泵站同时开启，始终保持所有的车桥组同时转向或同时抬放，提高了效率且降低了结构的载荷；在长距离行走时，液压泵站只开启1 台泵，其目的是使行走机构可以通过顶升液压缸来调节堆料机与地面的高度，以确保堆料机在不平整地面行走时具有良好的使用稳定性。行走机构可以自动转向、抬起，将承载结构放低在地面上，受料时通过整个结构支撑在地面来承担物料重力。图1 行走驱动机构的总体布置图堆料机主车4 轮台车车体设计如图2 所示，尾车部分的台车设计如图3 所示。图2 堆料机主车4 轮台车图3 堆料机尾车部分台车2 物料输送系统2.1 输送系统构成输送系统包括臂架带式输送机和上料带式输送机，均采用变频驱动。为了更好地适应工况需求，上料带式输送机分为爬坡段和受料段，其中受料段为设备的核心区域，其工作情况直接影响到设备整体运行性能，该部分将托辊槽角设置为10°，以便更好地承受物料的冲击载荷，此外，在托辊上部设置了缓冲格栅结构，该结构可以承受卡车倒料过来的大部分物料重力，避免物料直接压在胶带上出现压死的现象[2]。爬坡段的托辊采用35°槽角，增加了胶带的通断面，使得料流始终畅通，避免堵料对驱动设备造成额外负载。上料带式输送机还设置有料流检测传感系统，当检测到料流时，带式输送机系统处于满速运行状态；没有料流时，带式输送机系统低速运行，以达到节能的效果。臂架带式输送机采用内藏式设计，上托辊的支架与臂架桁架的水平撑杆采用一体化设计，整条带式输送机在桁架内部运行，充分利用桁架高度，以减少迎风面积，并优化了整机的布置高度。同时桁架上部采用非封闭式结构，使得托辊的更换和维护更加方便快捷。2.2 相关技术参数验算1）物料输送系统生产率验算Q = AvKρ式中：Q 为生产率，kg/s；v 为带速，v =3.15 m/s；K 为输送机倾角影响系数，查阅《机械设计手册》第二卷[3]，取K=0.81；A 为胶带上物料最大断面积，查阅《机械设计手册》第二卷[3] 表8.2-27，取A=0.446 m2；ρ 为散料密度，ρ =1 000 kg/s。代入数据求得Q=4 096.7 t/h，可知本设计满足最大生产率3 000 t/h 的技术要求。2）最大堆高高度验算块煤的安息角约为30°，本设计的移动堆料机输送物料为块煤，其安息角大于臂架的最大俯仰角，当臂架处于最大俯仰角20°时，臂架顶端距地面的高度为12.83 m，当块煤堆积到12 m 时，煤堆并不会将堆料机轮子埋没, 可知堆料机的设计满足最大堆高高度的要求。3 物料输送系统输送和堆高过程仿真散体物料（如药品、化肥等）在实际生产和试验中表现出十分复杂的运动和力学行为，这些行为通常无法直接使用基于连续介质理论的方法来解释。离散单元法是把介质看作由一系列离散的独立运动单元( 粒子) 组成的，根据离散物质本身所具有的离散特性建立数学模型，将需要分析的物体看作离散颗粒的集合，这与离散物质本身的性质一致[4]。因此，离散单元法在分析具有离散体性质的物料时具有很大的优越性，它可以直接获得离散物质大量的复杂行为信息以及不易测量的颗粒尺度行为信息，并可以为粒子流的运动、受力、热量和能量传递提供高级的解决途径[5]。在SolidWorks 中已经建好移动堆料机的三维模型，但是如果将整体模型全部导入到EDEM 软件中，会导致仿真速度过慢，且参数定义十分繁杂，故重新在SolidWorks 中建立输送部分的几何体模型，总共分4 部分：上料带式输送机、漏斗、臂架带式输送机和地面。将模型保存为step 格式文件，即可导入EDEM。新型轮胎式移动堆料机的三维模型如图4 所示，输送系统的几何体三维模型如图5 所示。图4 新型轮胎式移动堆料机三维模型图5 输送系统的几何体三维模型1）设置全局模型参数包括单位、接触模型、材料属性以及材料间的相互作用参数的设定。单位统一采用国际单位制，接触模型选择“Moving Plane”，材料参数的设定包括弹性模量、泊松比及密度，材料间的相互作用参数的设定包括恢复因数、静摩擦因数和动摩擦因数。 2 ）定义基础颗粒EDEM 中的颗粒由一个或多个球面组成。本例中的块煤颗粒近似正四面体，每个颗粒由4 个球体填充，定义基础颗粒名称为keli，设置颗粒表面半径为0.04 m，同时还需设置颗粒的材料和重心位置。 3 ）定义几何体导入在SolidWorks 中建立好的输送部分的几何体模型，设置胶带为移动平面“Moving Plane”，为加快仿真速度，各部分带速均设置为6 m/s。 4）创建颗粒工厂首先在上料带式输送机水平部分的中间位置创建一个虚拟的矩形，用来定义模型中颗粒的生产区域，本例工厂的大小为边长1 m 的正方形。其次，创建一个新的颗粒工厂，设置工厂类型为动态模型（Dynamic），并设置工厂的初始条件：颗粒尺寸服从正态分布，均值为0.04 m，变异系数为0.05，Position 设置为random，确保颗粒在整个平面区域内随机产生，设置颗粒在高度方向z 的下落速度为-10 m/s。 5）设置时间选项包括时间步长、仿真时间和数据写出时间间隔的设置。时间步长是求解器（Simulator）的迭代（计算）时间。本模型中的块煤颗粒排列紧密，将仿真时间步长（Timestep）设置为30%。如想加快仿真速度，可以适当将此值调大。仿真时间是仿真所代表的真实时间。设置总仿真时间（Total simulation time）为20 s，写出时间间隔为0.01 s。 6）设置网格大小（Grid size）应用Grid options 选项来设置网格大小， 将Gridsize 设为20R min；确保总的网格数目小于100 000，否则，逐步增加网格大小直到网格单元数目小于此极限值。仿真结果不受网格单元数目影响，只有得到仿真结果的时间受网格数目的影响。 7）运行仿真在运行仿真之前，要注意使用一些缩短仿真时间的方法和技巧：关闭求解器报告（Data browser），并确保Auto-update 也是关闭的。单击仿真窗口下部的Start Progress 按钮开始仿真分析。在任何一点都可以单击Refresh Viewer 按钮，观察仿真的进度。为了更好地观察仿真中的真实情况，可以改变几何体的显示方式。仿真结束后，进入Analyst 进行仿真结果分析。由于在本设计中并不关心粒子间和粒子与几何体间的相互作用，只是观察输送和堆高过程，故只需得到仿真过程的视频即可。为了更好地展示运送物料的过程，可以把颗粒按照不同的速度进行着色，具体方法如下：1）进入Select Element 部分，将Element 设置为已经定义好的基础颗粒keli，Type 为All。2）在Attribute coloring 部分，将Attribute（属性）设置为velocity（速度）。3）设置min、mid 和max 的着色为红、绿和蓝。4）单击紧靠min 和max value 的按钮，这样可直接将现在窗口中显示的仿真点的值读入。打开auto-update选项，当仿真继续播放时可以自动更新着色。5）单击Apply 按钮给颗粒着色。6）回放仿真。单击Play 按钮，观察仿真回放过程中颜色的变化，图6 为物料输送系统输送过程的仿真截图，图7 为输送系统物料堆高过程的仿真截图。图6 物料输送系统输送过程仿真仿真结果分析：1）物料在上料带式输送机和臂架带式输送机上的颜色显示是均匀的，表明物料在带式输送机上的速度均衡稳定，不会出现滑料和溢料的情况。图7 输送系统堆高过程仿真2）物料在漏斗中发生猛烈的碰撞，但不会堆积在漏斗中，输送系统仍然可以顺畅运料。3）在漏斗下口臂架带式输送机的受料段会发生轻微积料，但块煤颗粒并不会从胶带上溢出。由于颗粒的数目对仿真速度有很大的影响，数目越多，仿真时间越长，这里只用少量颗粒来模拟块煤颗粒的输送和堆高过程，所以无法完整模拟堆高效果。但从物料的堆积情况来看，模型符合技术要求。4 运行调试情况本文设计的新型散货移动式堆料机目前已在靖江港务等多个堆场面积受限的码头公司顺利运营，图8 为该新型堆料机的港口工作图。以连续作业卸载5 万t 煤料为例，单机连续作业26 h 可将该散货船的所有物料堆高12 m，且该机可以在堆场内按要求移动至任意工作位置进行堆料，完全满足业主要求，其用于卸载堆料的两条上料卡车线基本没有等待，处于连续上机堆料状态，效率极高。经过多次实际工作统计，所设计的移动式堆料机瞬间堆料能力达到5 300 t/h，平均堆料能力3 000 t/h，综合堆料能力2 000 t/h，综合堆料能力是综合了码头前沿的取料设备能力、卡车周转能力、清仓时效等因素下堆高12 m 条件下所得出的实际数据。该机可使用柴油发电机和岸电2 种供电方式，而完成这些堆高工艺仅需配备1 名司机，极大缩减了码头司机的配备数量，提高了港口生产效率，方便了港口的堆高作业，节省了码头堆场空间和人员成本。图8 新型移动式堆料机港口工作图5 结论为了改进目前堆料机的不足，减少设备对码头再建设基础和布设钢轨的要求，设计制造了一种带有自驱动和回转功能的新型移动式堆料机，可以自由地在码头紧凑的空间内进行布料。实践证明该设备可以大大提高码头的堆放效率，降低能耗，解放人力，降低码头堆放成本。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 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