秦 翥

(中煤科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030)

帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)作為離散煤料運(yùn)輸過程中的重要組成部分，需要在完成煤料轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)保證整機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。受料輸送帶作為落料轉(zhuǎn)運(yùn)的承接環(huán)節(jié)，由于煤料沖擊及動(dòng)力傳遞等因素疊加，設(shè)備磨損現(xiàn)象普遍存在，由此造成生產(chǎn)成本及安全事故增加[2]。在轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，由于離散煤料的轉(zhuǎn)運(yùn)軌跡無法在工程前期得到精準(zhǔn)分析，僅依據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)料流計(jì)算難以評(píng)估不同轉(zhuǎn)運(yùn)參數(shù)下離散煤料對(duì)受料輸送帶的磨損程度，較難完成符合煤料動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3]。目前，國內(nèi)外主要通過更換零部件的方式規(guī)避受料輸送帶磨損嚴(yán)重的問題[4]，由于缺少從單元煤料受力分析及能量損耗機(jī)理出發(fā)，研究影響離散煤料轉(zhuǎn)運(yùn)軌跡對(duì)受料輸送帶產(chǎn)生磨損的轉(zhuǎn)運(yùn)參數(shù)誘因[5]，無法從根源減少轉(zhuǎn)運(yùn)過程中由于轉(zhuǎn)運(yùn)條件與結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置不合理對(duì)受料輸送帶造成的沖擊力過大及堵料揚(yáng)塵等問題[6]。

受料輸送帶所受的磨損主要包括煤料下落過程中對(duì)其產(chǎn)生的沖蝕磨損[7]，當(dāng)煤料表面越粗糙、形狀越不規(guī)則時(shí)，所產(chǎn)生的破壞性越強(qiáng)。尤其在煤料與受料輸送帶瞬間接觸時(shí)，由于煤料的運(yùn)行速度及方向發(fā)生較大改變，導(dǎo)致煤料對(duì)受料輸送帶的沖擊更為嚴(yán)重。受料輸送帶上常見的另一種磨損為磨粒磨損[6]，主要由煤料在受料輸送帶上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的摩擦作用引起。本文利用曲線型轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)單元煤料力學(xué)模型與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，得出影響受料輸送帶磨粒磨損與沖蝕磨損的轉(zhuǎn)運(yùn)條件與結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用EDEM Bulksin軟件進(jìn)行離散元仿真，利用Hertz- Mindlin with JKR、Archard Wear及Standard Rolling Friction模型，分析煤料在不同卸料輸送帶帶速及曲率半徑下，對(duì)受料輸送帶的磨損程度。研究結(jié)果旨在通過優(yōu)化影響受料輸送帶沖蝕磨損與磨粒磨損的轉(zhuǎn)運(yùn)條件與結(jié)構(gòu)參數(shù)，延長輸送帶的使用壽命、降低轉(zhuǎn)運(yùn)過程中引起的揚(yáng)塵，為礦用裝備綠色化發(fā)展提供合理依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 受料輸送帶磨損影響因素與評(píng)價(jià)參數(shù)分析

帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)主要包括：卸料輸送帶、卸料漏斗、落料溜槽及受料輸送帶四部分[8]，煤料的卸運(yùn)過程將經(jīng)歷勻速直線運(yùn)動(dòng)、離心加速下落、擋板沖擊回彈、自由重力下落再到勻速直線運(yùn)動(dòng)五個(gè)狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 離散煤料轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖

1.1 受料輸送帶磨損影響因素分析

煤料經(jīng)過卸料輸送帶滾筒處做自由落體運(yùn)動(dòng)到達(dá)溜槽曲線段后運(yùn)輸至受料輸送帶，不同曲率半徑使得煤料到達(dá)受料輸送帶的作用力隨之發(fā)生變化。建立單元煤料在溜槽曲線段的力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 離散單元煤料在曲線型轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)的受力

在忽略空氣阻力和煤料粘性的前提下，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，離散煤料對(duì)曲線型轉(zhuǎn)載溜槽的法向沖擊力dF可以用式(1)進(jìn)行描述：

式中，Vt為煤料離開溜槽曲線段的運(yùn)行速度；r為表示曲率半徑；θ為轉(zhuǎn)載溜槽與x軸的夾角。

由式(1)可知，當(dāng)曲率半徑不同時(shí)，煤料離開溜槽曲線段的法向沖擊力隨之變化，從而影響煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后對(duì)受料輸送帶的沖蝕磨損。煤料的轉(zhuǎn)運(yùn)過程是由勢能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的過程[9]，煤料在轉(zhuǎn)載溜槽曲線段的下滑運(yùn)動(dòng)過程，可分解為沿溜槽方向的切向作用力及垂直于溜槽方向的摩擦阻力[10]。根據(jù)牛頓第二定律和能量守恒方程，可將單元煤料在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可用式(2)進(jìn)行描述：

式中，Vo表示卸料輸送帶運(yùn)行速度；r表示曲率半徑；θ表示轉(zhuǎn)載溜槽與x軸的夾角；H表示溜槽垂直卸料高度；h表示轉(zhuǎn)載點(diǎn)到溜槽入口處的垂直距離。

由式(2)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽卸料高度、曲率半徑一定時(shí)，煤料下落時(shí)的能量轉(zhuǎn)換與卸料輸送帶帶速有關(guān)，當(dāng)能量較大的煤料下落至受料輸送帶時(shí)，煤料對(duì)受料輸送帶的法向載荷較大，從而影響煤料對(duì)受料輸送帶的磨粒磨損。綜上所述，卸料輸送帶帶速、曲率半徑對(duì)受料輸送帶的磨損程度具有一定影響。

1.2 受料輸送帶磨損評(píng)價(jià)參數(shù)分析

離散煤料對(duì)受料輸送帶的沖蝕磨損，是導(dǎo)致受料輸送帶接觸表面產(chǎn)生赫茲裂紋的主要原因，并隨煤料沖擊載荷的增加而逐漸增大并沿徑向伸展[11，12]，可用式(3)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中，ρ為煤料堆積密度；νy為煤料速度在受料輸送帶的垂直分量。

當(dāng)ρp數(shù)值越大時(shí)，煤料對(duì)受料輸送帶產(chǎn)生的強(qiáng)度破壞和沖蝕磨損越嚴(yán)重，因此，煤料在受料輸送帶垂直方向分速度與煤料對(duì)受料輸送帶產(chǎn)生的沖蝕磨損成正比。

此外，由于煤料在受料輸送帶運(yùn)輸過程中的滾動(dòng)摩擦而造成的磨粒磨損，使得受料輸送局部形變嚴(yán)重、粉塵濃度增加，可用式(4)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中，μ為煤料與受料輸送帶之間的摩擦系數(shù)；νr為受料輸送帶帶速；νx為煤料速度在受料輸送帶的水平分量。

從式(4)可以看出，受料輸送帶帶速與煤料在其水平方向上的分速度與磨粒磨損程度成正比。因此，通過建立仿真模型，在受料輸送帶上添加速度傳感器數(shù)組，導(dǎo)出各數(shù)組在水平方向以及垂直方向上的速度分量，可以對(duì)相關(guān)參數(shù)變化所引起的受料輸送帶磨損程度進(jìn)行分析[13]。

2 仿真模型建立

根據(jù)工程實(shí)例，利用三維建模軟件SOLIDWORKS建立曲線型轉(zhuǎn)載溜槽幾何模型并以igs格式保存后導(dǎo)入EDEM BulkSin軟件，實(shí)現(xiàn)離散煤料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)的力學(xué)模擬[14，15]。本仿真所用的曲線型轉(zhuǎn)載溜槽模型，如圖3所示。其中，滾筒直徑為1040mm，上下行輸送帶垂直高度為8800mm，運(yùn)量為1944kg/s，上下行輸送帶帶寬為1800mm。

圖3 曲線型轉(zhuǎn)載溜槽幾何模型

通過添加不同形狀的CAD模板并填充不同數(shù)目、直徑、位置的小球組成形態(tài)各異的離散煤料顆粒[16]，如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)仿真中，圖4的四種煤料顆粒在總量中的占比均為25%，每種顆粒形狀具體的粒徑分布見表1，最終形成顆粒大小不均的煤流。

圖4 仿真顆粒模型

表1 離散煤料顆粒模型粒徑分布參數(shù)表

仿真過程中忽略煤料顆粒間的黏粘性，且不考慮卸料過程中氣壓梯度對(duì)煤料流動(dòng)特性的影響，采用單一參數(shù)變量法討論在不同卸料輸送帶帶速及曲率半徑下，離散煤料在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中對(duì)受料輸送帶的磨損沖擊變化。構(gòu)成待仿真的曲線型轉(zhuǎn)載溜槽及輸送帶材料主要包括鋼和橡膠，轉(zhuǎn)運(yùn)煤料為煤矸石，仿真時(shí)對(duì)煤料、橡膠及鋼材的取值參數(shù)詳見表2。

表2 材料參數(shù)取值表

仿真中的接觸關(guān)系主要包括三種：煤與煤接觸、煤與鋼接觸、煤與橡膠接觸。材料間的接觸參數(shù)詳見表3。

表3 各材料間的接觸參數(shù)取值表

應(yīng)用Hertz-Mindlin with Archard Wear模型，選取分別相差10倍的磨損系數(shù)進(jìn)行EDEM BulkSin仿真，通過數(shù)據(jù)處理分析得到磨損系數(shù)取值區(qū)間為[10-13，10-12]，依據(jù)二分法對(duì)EDEM BulkSin中磨損常量進(jìn)行標(biāo)定，選取仿真磨損常量為5×10-13。

3 仿真結(jié)果分析

通過建立仿真模型，在受料輸送帶上添加速度傳感器數(shù)組，導(dǎo)出各數(shù)組在水平方向、垂直方向上的速度分量，對(duì)轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)因相關(guān)參數(shù)變化所引起對(duì)受料輸送帶磨損程度進(jìn)行分析。

3.1 曲率半徑對(duì)受料輸送帶磨損分析

對(duì)于某一實(shí)際工況，轉(zhuǎn)載溜槽在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的上下行輸送帶垂直高度以及場地建筑尺寸均已固定，由分析可知，煤料離開溜槽曲線段的運(yùn)行速度與溜槽的曲率半徑具有關(guān)聯(lián)關(guān)系。利用EDEM BulkSin軟件中的Hertz- Mindlin with JKR、Archard Wear及Standard Rolling Friction模型，采用單一數(shù)值變量法，設(shè)置煤粒生成速度為1944.44kg/s，卸料輸送帶帶速為5.8m/s，分別選取5000mm、5500mm、6000mm三組曲率半徑進(jìn)行30s時(shí)長的煤料轉(zhuǎn)運(yùn)仿真，通過后處理導(dǎo)出煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后對(duì)受料輸送帶在水平方向與受料輸送帶的差值及垂直方向上的運(yùn)動(dòng)速度，將仿真結(jié)果導(dǎo)入Origin軟件繪制數(shù)值趨勢，如圖5所示。

圖5 不同曲率半徑下煤料在受料輸送帶上 速度分量對(duì)比趨勢圖

由圖5可知，當(dāng)曲率半徑較小時(shí)，煤料沿受料輸送帶水平方向的相對(duì)速度產(chǎn)生時(shí)間較早、數(shù)值較小，煤料在受料輸送帶垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度較小。說明當(dāng)曲率半徑較小時(shí)，煤料因滾動(dòng)而產(chǎn)生的磨粒磨損較小，對(duì)受料輸送帶的沖蝕磨損較低。因此，在滿足工況現(xiàn)場參數(shù)的條件下，通過減少曲率半徑的方式降低煤料對(duì)受料輸送帶的沖擊粒度與落料出口處的粉塵濃度。

3.2 卸料輸送帶速對(duì)受料輸送帶磨損分析

溜槽結(jié)構(gòu)應(yīng)保持煤料離開溜槽后加載到受料輸送帶中心，且煤料出口處的水平速度應(yīng)盡可能接近受料輸送帶的水平速度。根據(jù)《DTII(A)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，轉(zhuǎn)載溜槽的卸料輸送帶帶速主要根據(jù)運(yùn)量及卸料輸送帶帶寬取值，由分析可知，不同卸料輸送帶帶速將影響煤料在下落時(shí)的能量轉(zhuǎn)換。設(shè)定曲率半徑為5000mm，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)輸送帶帶寬為1800mm、運(yùn)量為1944.44kg/s時(shí)，卸料輸送帶的推薦帶速為5.8m/s，分別選取低于或高于推薦帶速20%的數(shù)值進(jìn)行仿真，即選取4.64m/s、5.8m/s、6.96m/s三組卸料輸送帶帶速進(jìn)行仿真(仿真過程中，假設(shè)卸料輸送帶帶速與受料輸送帶帶速相同)。通過后處理導(dǎo)出煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后對(duì)受料輸送帶在水平方向與受料輸送帶的差值及垂直方向上的運(yùn)動(dòng)速度，并將結(jié)果導(dǎo)入Origin軟件繪制數(shù)值趨勢，如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)卸料輸送帶帶速較小時(shí)，受料輸送帶帶速與煤料在其水平方向上的分速度及煤料在受料輸送帶垂直方向分速度均較小，隨著煤料離落料出口處沿受料輸送帶運(yùn)煤方向的距離增加，煤料在受料輸送帶上速度分量與受料輸送帶速度分量保持一致。說明當(dāng)卸料輸送帶帶速較小時(shí)，煤料對(duì)受料輸送帶的磨粒磨損與沖蝕磨損較低。因此，在滿足運(yùn)量要求時(shí)，可以減少卸料輸送帶的運(yùn)輸速度，減少煤料對(duì)受料輸送帶的磨粒磨損，延長輸送帶的使用壽命。

4 結(jié) 論

1)建立單元煤料在溜槽曲線段的力學(xué)模型，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理得出當(dāng)曲率半徑不同時(shí)，煤料離開溜槽曲線段的法向沖擊力隨之變化，進(jìn)而影響煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后對(duì)受料輸送帶的沖蝕磨損，根據(jù)磨損評(píng)價(jià)關(guān)系式得出，煤料在受料輸送帶垂直方向上的分速度與煤料對(duì)受料輸送帶產(chǎn)生的沖蝕磨損成正比。

2)根據(jù)單元煤料在溜槽內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用牛頓第二定律和能量守恒方程，得出煤料下落時(shí)的能量轉(zhuǎn)換與卸料帶式輸送帶帶速具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)能量較大的煤料下落到受料輸送帶時(shí)，在受料輸送帶的法向載荷較大，從而影響煤料對(duì)受料輸送帶的磨粒磨損，根據(jù)磨損評(píng)價(jià)關(guān)系式得出，受料輸送帶帶速與煤料在其水平方向上的分速度與磨粒磨損成正比。

3)建立曲線型轉(zhuǎn)載溜槽三維建模并導(dǎo)入EDEM BulkSin軟件，采用Hertz- Mindlin with JKR、Archard Wear及Standard Rolling Friction模型，利用單一變量法，對(duì)不同曲率半徑及卸料輸送帶帶速下的煤料轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在受料輸送帶上添加速度傳感器數(shù)組，導(dǎo)出不同仿真變量下各數(shù)組在水平方向以及垂直方向上的速度分量，進(jìn)一步評(píng)價(jià)受料輸送帶的磨損程度。

4)由結(jié)果可知，當(dāng)曲率半徑為5000mm時(shí)，受料輸送帶在煤料轉(zhuǎn)運(yùn)后產(chǎn)生的沖蝕磨損較低、因煤料滾動(dòng)而產(chǎn)生的磨粒磨損較小；當(dāng)卸料輸送帶帶速為4.64m/s時(shí)，受料輸送帶帶速與煤料在其水平方向上的分速度差值及煤料在受料輸送帶垂直方向的分速度均較小，說明此時(shí)煤料對(duì)受料輸送的沖蝕磨損及磨粒磨損較低。