孫遠韜 駱禮福 吳 丹 潘松勝 張 氫
0 概述堆料機是將散狀物料（如煤炭、礦石、化工原料）在均化過程中按某種堆料方法連續堆成料堆的設備。隨著中國社會、經濟、文化以及工業技術的迅速發展，堆料機系統日益廣泛地應用於大型火力發電廠的煤炭運輸系統、大型糧食儲備基地及糧食轉運碼頭的運輸系統、散狀物料( 水泥、沙子等) 的大型儲藏基地和運輸系統以及大中型的煤炭、礦石碼頭等地。為了節省堆場空間，往往需要將物料堆放得儘可能高，內河碼頭場內堆料工藝方案分為：1）軌道式堆料機，設備特點是需要在堆場製作基礎並鋪設鋼軌，設備投資巨大，同時，由於軌道是固定的，堆料機只能沿著軌道布料，若要整個堆場全部布滿物料，需要幾臺軌道式堆料機才能完成作業任務；2）6 臺挖掘機加2 臺裝載機堆料，由於裝載機堆高的高度有限，往往需要二次裝載或三次裝載才能堆到一定的高度，目前採用該工藝堆料的高度經過三次裝載後也只能達到8 m，其堆放能力極限為800 t/h。而中小型堆場和散雜兼顧的堆場，一般不會鋪設軌道基礎，沒有固定的帶式輸送機系統。此類堆場往往採用卡車作為水平運輸設備，直接倒料後通過多臺裝載機和挖掘機配合進行一次堆料和二次堆料，甚至還需三次堆料[1]。這種作業方式雖然初期投入成本低，作業靈活，但是比較原始，作業效率低，相對比較粗獷。在二次、三次堆料過程中，挖掘機的碾壓會對一次、二次堆放的物料造成損壞，不但堆料作業效率低，而且還會影響物料的品質。同時，該種作業方式料堆高度也受到限制，一般經過挖掘機堆高的料堆高度普遍為6~8 m，與傳統軌道式堆料機12 m 以上的料堆高度相比，堆場的利用面積大打折扣，且油耗高，堆料過程粉塵汙染嚴重，影響司機健康，不利於環保。由於在狹窄的空間裡同時有多臺設備長時間重複作業，容易出現意外事故。本項目研發、設計、製造的輪胎式移動智能堆料機，可以自由地在堆場內布料，無需碼頭再建設基礎和布設鋼軌。此外，該智能堆料機只需1 人操作，堆放高度可達12 m，堆放效率為3 000 t/h，可顯著提高碼頭物料堆放效率，同時可降低能耗及物料堆放成本。該輪胎式移動智能堆料機的投入使用，可以降低中小型散貨碼頭的綜合投資，縮短設備的採購及建設周期，同時能夠極大程度地提高生產效率，增加堆場存儲量，為碼頭帶來實質性的經濟效應，提高碼頭的綜合競爭力。 輪胎式移動智能堆料機設計工作如下：1）利用差速原理，對輪胎式移動智能堆料機的行走機構形式進行了設計，並明確了其總體方案，可自由地在堆場進行布料，無需碼頭再建設基礎和布設鋼軌；2）根據移動堆高機的主要設計參數，從物料輸送系統原理出發，確定物料輸送機構的布置方案，並利用離散元仿真軟體EDEM 進行物料輸送過程的仿真，模擬其輸送和堆高過程，分析其堆高效率與效果。
1 行走驅動機構行走驅動機構的總體布置見圖1。為了提高整機的工作範圍與靈活性，本設計採用輪胎式行走方式並結合液壓轉向機構，使得堆料機可以在作業區域靈活地轉向、直行、橫走，方便轉移至別的作業區域，提升了堆料機的作業能力，擴展了其工作區域；左右兩側的車輪可以通過差速機構的自動調節實現轉彎的線速度速差，從而保證轉彎的平穩性。從工作效率和使用穩定性的綜合角度出發，行走機構配置了3 臺液壓泵，在車輪轉向和抬起時，3 臺液壓泵站同時開啟，始終保持所有的車橋組同時轉向或同時抬放，提高了效率且降低了結構的載荷；在長距離行走時，液壓泵站只開啟1 臺泵，其目的是使行走機構可以通過頂升液壓缸來調節堆料機與地面的高度，以確保堆料機在不平整地面行走時具有良好的使用穩定性。行走機構可以自動轉向、抬起，將承載結構放低在地面上，受料時通過整個結構支撐在地面來承擔物料重力。
圖1 行走驅動機構的總體布置圖
堆料機主車4 輪臺車車體設計如圖2 所示，尾車部分的臺車設計如圖3 所示。
圖2 堆料機主車4 輪臺車
圖3 堆料機尾車部分臺車
2 物料輸送系統2.1 輸送系統構成輸送系統包括臂架帶式輸送機和上料帶式輸送機，均採用變頻驅動。為了更好地適應工況需求，上料帶式輸送機分為爬坡段和受料段，其中受料段為設備的核心區域，其工作情況直接影響到設備整體運行性能，該部分將託輥槽角設置為10°，以便更好地承受物料的衝擊載荷，此外，在託輥上部設置了緩衝格柵結構，該結構可以承受卡車倒料過來的大部分物料重力，避免物料直接壓在膠帶上出現壓死的現象[2]。爬坡段的託輥採用35°槽角，增加了膠帶的通斷面，使得料流始終暢通，避免堵料對驅動設備造成額外負載。上料帶式輸送機還設置有料流檢測傳感系統，當檢測到料流時，帶式輸送機系統處於滿速運行狀態；沒有料流時，帶式輸送機系統低速運行，以達到節能的效果。臂架帶式輸送機採用內藏式設計，上託輥的支架與臂架桁架的水平撐杆採用一體化設計，整條帶式輸送機在桁架內部運行，充分利用桁架高度，以減少迎風面積，並優化了整機的布置高度。同時桁架上部採用非封閉式結構，使得託輥的更換和維護更加方便快捷。2.2 相關技術參數驗算1）物料輸送系統生產率驗算Q = AvKρ式中：Q 為生產率，kg/s；v 為帶速，v =3.15 m/s；K 為輸送機傾角影響係數，查閱《機械設計手冊》第二卷[3]，取K=0.81；A 為膠帶上物料最大斷面積，查閱《機械設計手冊》第二卷[3] 表8.2-27，取A=0.446 m2；ρ 為散料密度，ρ =1 000 kg/s。代入數據求得Q=4 096.7 t/h，可知本設計滿足最大生產率3 000 t/h 的技術要求。2）最大堆高高度驗算塊煤的安息角約為30°，本設計的移動堆料機輸送物料為塊煤，其安息角大於臂架的最大俯仰角，當臂架處於最大俯仰角20°時，臂架頂端距地面的高度為12.83 m，當塊煤堆積到12 m 時，煤堆並不會將堆料機輪子埋沒, 可知堆料機的設計滿足最大堆高高度的要求。
3 物料輸送系統輸送和堆高過程仿真散體物料（如藥品、化肥等）在實際生產和試驗中表現出十分複雜的運動和力學行為，這些行為通常無法直接使用基於連續介質理論的方法來解釋。離散單元法是把介質看作由一系列離散的獨立運動單元( 粒子) 組成的，根據離散物質本身所具有的離散特性建立數學模型，將需要分析的物體看作離散顆粒的集合，這與離散物質本身的性質一致[4]。因此，離散單元法在分析具有離散體性質的物料時具有很大的優越性，它可以直接獲得離散物質大量的複雜行為信息以及不易測量的顆粒尺度行為信息，並可以為粒子流的運動、受力、熱量和能量傳遞提供高級的解決途徑[5]。在SolidWorks 中已經建好移動堆料機的三維模型，但是如果將整體模型全部導入到EDEM 軟體中，會導致仿真速度過慢，且參數定義十分繁雜，故重新在SolidWorks 中建立輸送部分的幾何體模型，總共分4 部分：上料帶式輸送機、漏鬥、臂架帶式輸送機和地面。將模型保存為step 格式文件，即可導入EDEM。新型輪胎式移動堆料機的三維模型如圖4 所示，輸送系統的幾何體三維模型如圖5 所示。
圖4 新型輪胎式移動堆料機三維模型
圖5 輸送系統的幾何體三維模型
1）設置全局模型參數包括單位、接觸模型、材料屬性以及材料間的相互作用參數的設定。單位統一採用國際單位制，接觸模型選擇「Moving Plane」，材料參數的設定包括彈性模量、泊松比及密度，材料間的相互作用參數的設定包括恢復因數、靜摩擦因數和動摩擦因數。 2 ）定義基礎顆粒EDEM 中的顆粒由一個或多個球面組成。本例中的塊煤顆粒近似正四面體，每個顆粒由4 個球體填充，定義基礎顆粒名稱為keli，設置顆粒表面半徑為0.04 m，同時還需設置顆粒的材料和重心位置。 3 ）定義幾何體導入在SolidWorks 中建立好的輸送部分的幾何體模型，設置膠帶為移動平面「Moving Plane」，為加快仿真速度，各部分帶速均設置為6 m/s。 4）創建顆粒工廠首先在上料帶式輸送機水平部分的中間位置創建一個虛擬的矩形，用來定義模型中顆粒的生產區域，本例工廠的大小為邊長1 m 的正方形。其次，創建一個新的顆粒工廠，設置工廠類型為動態模型（Dynamic），並設置工廠的初始條件：顆粒尺寸服從正態分布，均值為0.04 m，變異係數為0.05，Position 設置為random，確保顆粒在整個平面區域內隨機產生，設置顆粒在高度方向z 的下落速度為-10 m/s。 5）設置時間選項包括時間步長、仿真時間和數據寫出時間間隔的設置。時間步長是求解器（Simulator）的迭代（計算）時間。本模型中的塊煤顆粒排列緊密，將仿真時間步長（Timestep）設置為30%。如想加快仿真速度，可以適當將此值調大。仿真時間是仿真所代表的真實時間。設置總仿真時間（Total simulation time）為20 s，寫出時間間隔為0.01 s。 6）設置網格大小（Grid size）應用Grid options 選項來設置網格大小， 將Gridsize 設為20R min；確保總的網格數目小於100 000，否則，逐步增加網格大小直到網格單元數目小於此極限值。仿真結果不受網格單元數目影響，只有得到仿真結果的時間受網格數目的影響。 7）運行仿真在運行仿真之前，要注意使用一些縮短仿真時間的方法和技巧：關閉求解器報告（Data browser），並確保Auto-update 也是關閉的。單擊仿真窗口下部的Start Progress 按鈕開始仿真分析。在任何一點都可以單擊Refresh Viewer 按鈕，觀察仿真的進度。為了更好地觀察仿真中的真實情況，可以改變幾何體的顯示方式。仿真結束後，進入Analyst 進行仿真結果分析。由於在本設計中並不關心粒子間和粒子與幾何體間的相互作用，只是觀察輸送和堆高過程，故只需得到仿真過程的視頻即可。為了更好地展示運送物料的過程，可以把顆粒按照不同的速度進行著色，具體方法如下：
1）進入Select Element 部分，將Element 設置為已經定義好的基礎顆粒keli，Type 為All。2）在Attribute coloring 部分，將Attribute（屬性）設置為velocity（速度）。3）設置min、mid 和max 的著色為紅、綠和藍。4）單擊緊靠min 和max value 的按鈕，這樣可直接將現在窗口中顯示的仿真點的值讀入。打開auto-update選項，當仿真繼續播放時可以自動更新著色。5）單擊Apply 按鈕給顆粒著色。6）回放仿真。單擊Play 按鈕，觀察仿真回放過程中顏色的變化，圖6 為物料輸送系統輸送過程的仿真截圖，圖7 為輸送系統物料堆高過程的仿真截圖。
圖6 物料輸送系統輸送過程仿真
仿真結果分析：1）物料在上料帶式輸送機和臂架帶式輸送機上的顏色顯示是均勻的，表明物料在帶式輸送機上的速度均衡穩定，不會出現滑料和溢料的情況。
圖7 輸送系統堆高過程仿真
2）物料在漏鬥中發生猛烈的碰撞，但不會堆積在漏鬥中，輸送系統仍然可以順暢運料。3）在漏鬥下口臂架帶式輸送機的受料段會發生輕微積料，但塊煤顆粒並不會從膠帶上溢出。由於顆粒的數目對仿真速度有很大的影響，數目越多，仿真時間越長，這裡只用少量顆粒來模擬塊煤顆粒的輸送和堆高過程，所以無法完整模擬堆高效果。但從物料的堆積情況來看，模型符合技術要求。
4 運行調試情況本文設計的新型散貨移動式堆料機目前已在靖江港務等多個堆場面積受限的碼頭公司順利運營，圖8 為該新型堆料機的港口工作圖。以連續作業卸載5 萬t 煤料為例，單機連續作業26 h 可將該散貨船的所有物料堆高12 m，且該機可以在堆場內按要求移動至任意工作位置進行堆料，完全滿足業主要求，其用於卸載堆料的兩條上料卡車線基本沒有等待，處於連續上機堆料狀態，效率極高。經過多次實際工作統計，所設計的移動式堆料機瞬間堆料能力達到5 300 t/h，平均堆料能力3 000 t/h，綜合堆料能力2 000 t/h，綜合堆料能力是綜合了碼頭前沿的取料設備能力、卡車周轉能力、清倉時效等因素下堆高12 m 條件下所得出的實際數據。該機可使用柴油發電機和岸電2 種供電方式，而完成這些堆高工藝僅需配備1 名司機，極大縮減了碼頭司機的配備數量，提高了港口生產效率，方便了港口的堆高作業，節省了碼頭堆場空間和人員成本。
圖8 新型移動式堆料機港口工作圖
5 結論為了改進目前堆料機的不足，減少設備對碼頭再建設基礎和布設鋼軌的要求，設計製造了一種帶有自驅動和迴轉功能的新型移動式堆料機，可以自由地在碼頭緊湊的空間內進行布料。實踐證明該設備可以大大提高碼頭的堆放效率，降低能耗，解放人力，降低碼頭堆放成本。