基于离散元素法的矿石码头转料溜筒优化设计

朱成

（佛山井松智能科技有限公司，广东 佛山 528225）

1 原理及软件简介

EDEM 是全球首个多用途离散元素法建模软件，可用于工业生产中的颗粒处理及其制造设备的生产过程的仿真和分析。EDEM 可以设定每个颗粒的属性以及作用在颗粒上的力，可以导入用三维软件建立实际机械设备的几何模型，根据实际情况对机械零部件赋予运动参数，从而实现对实际工作工况进行仿真模拟。EDEM 还可以与有限元分析工具耦合，可以对施加在机械零件上的载荷进行仿真分析，并将结果直接导出到所选的有限元分析工具中。本文根据实际工作情况和尺寸，利用SolidWorks 建立上、下皮带机、滚筒和溜筒的机械结构，并在EDEM 中赋予皮带机的运动速度和滚筒的转速，利用矿石的属性建立颗粒和颗粒工厂，实现对真实现状的仿真模拟。根据模拟结果，从改造的可行性、经济性、维护的便利性和制造的工艺性多方面考虑，仅对溜筒结构进行改造，大幅改善溜筒磨损和皮带受冲击影响，降低设备维修率，延长使用寿命。

2 现状模拟及分析

矿石码头BC3A 皮带机的尾部与BC2A 皮带机的头部连接，物料从BC2A 转运至BC3A，落差约8.7m，两条皮带机呈90°布置。皮带机带宽1600mm，带速3.15m/s，运量为4200t/h，入料皮带机角度为0°，出料皮带机角度为5°。根据转运站现有设备建立的三维简化模型模拟计算结果如图1。

图1 现有物料转运的EDEM 模拟分析图

模拟结果显示，物料在溜筒下方和出料皮带处速率变化较大，物料能量衰减迅速，表明物料对溜筒和皮带的冲击较大，容易造成溜筒磨损，对皮带下方的缓冲托辊造成较大冲击。如图2 现场溜管磨损实际照片看，模拟分析结果与实际使用情况完全吻合。

3 优化改进后的模拟和分析

考虑到改造的可行性和工程量，仅对溜筒下方的溜管进行优化。优化设计的思路是，改变溜管导向板的倾角，使溜管出来的物料多次改变速度方向，以一个较小的切向角度进入皮带，使物料进入皮带的速度与皮带速度相匹配，减小物料对皮带垂向的冲击，减少物料的堆堵。

最优理论设计方案是溜管下方为弧形结构，对物料流的导向效果最好，但考虑到实际制作工艺，溜管内壁是用小块的陶瓷衬板拼装成耐磨层，而陶瓷衬板是安装面为平面的标准产品，使用弧形结构不利于陶瓷衬板与溜管内壁贴合。

因此，溜管下方导向板设计为多段折线型式，对物料流能起到较好的导向作用，同时，不影响陶瓷衬板安装，方便溜管制作和维护。优化后的模拟结果如图3。

图2 现场溜管磨损照片

图3 优化后的EDEM 模拟分析图

从仿真结果可以看出，物料流在进入皮带时速度变化小，表明物料对溜筒、皮带及皮带下方的缓冲托辊的冲击较小。

4 优化改进前后的对比分析

按工作30s 即转运35t 物料后，物料对溜管和皮带机的累积冲击能量以及对皮带的冲击力对比分析（如表1）。

表1 优化前后对比分析表

结论：结果显示，物料颗粒最大速度下降10.5%，物料对溜管的累积冲击能量降低20%，对下面出料皮带数值方向的作用力也降低7%，且较大冲击力出现的频率大幅降低。

5 缓冲托辊强度及疲劳分析

利用EDEM 软件后处理得到的对皮带作用力的数据，在ANSYS 有限元软件中对缓冲托辊进行强度及疲劳分析。选择受力情况最恶劣的中间托辊和支架为对象，用SHELL181 板单元对托辊支架建模，根据EDEM 计算的结果，计算出缓冲托辊的脉冲受力及频次，输入ANSYS 后计算。计算结果如图4：

图4 优化前后的托辊支架应力云图

根据疲劳分析结果，优化前托辊支架疲劳寿命约3.14个月，优化后疲劳寿命约3.47 个月，寿命可提升10.51%。

6 优化改进方案

优化方案是基于改造可行、改造工作量小、不影响现有备品备件的使用及现场生产不受较大影响的要求和前提下设计。

（1）溜槽改进方案。最下端溜管的导向板部分设计为两段折线型式，可以改变物料颗粒进入皮带的方向和速度，使之与皮带速度相匹配，有效减小对皮带冲击，同时，方便耐磨陶瓷衬板的安装。同时，加大溜管头部尺寸，使空间加大，有效抑制诱导风，降低诱导风风速，并使诱导风在溜管内形成涡流，从源头降低粉尘。如图5 所示。

图5 诱导风涡流效应图

（2）托辊及支架改进方案。由ANSYS 计算的应力云图可以看出，托辊支架的耳板部分应力较大，是容易疲劳磨损的位置。在托辊轴端增加耐磨材料制作的垫圈，增大接触面积同时抗磨性能增强，且垫圈磨损后直接更换即可。