張文超1 黃 強1 黎勝龍1 Andrew Grima21 泰富重裝集團有限公司 湘潭 411100 2 BMEA wollongong （澳大利亞）新南威爾斯 2522
摘 要：對典型性難流動物料進行剪切測試，確定物料流動特性。建立分析模型，根據安息角和摩擦角測試進行參數校準。基於物料流動性分析對轉運料鬥進行優化設計，物料流動性分析真實地模擬物料在實際工況條件下的運動特徵（平均速度、質量流速、衝擊作用力等），進而改進轉運料鬥結構，避免物料產生偏載、堵料、積料、撒料等問題。
關鍵詞：轉運料鬥；剪切測試；流動特性；模型校準；離散元技術
中圖分類號：TH237 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）07-0075-05
0 前言散料輸送系統主要應用於港口碼頭裝卸系統、水泥廠料場系統、火力發電廠輸煤系統、鋼鐵原料廠系統、煤化工料場系統等。散狀物料的輸送與轉載是廣泛存在的基本環節，隨著散狀物料處理量增大及物料種類不斷增加，轉運料鬥的運行問題日益突出，如料鬥磨損、受料輸送帶偏載、揚塵、撒料等[1] ，因此，料鬥的設計研究得到了更廣泛的關注。
本文以某碼頭運行轉運料鬥為例，進行轉運料鬥的優化設計。實際工程中轉運料鬥採用「料磨料」的設計思路，對於流動性較好的物料（如球團礦），不影響其輸送性能；對於一些流動性差的物料（如精礦粉），物料含水率超標時易堆積、粘結成塊，進而發生堵料現象，造成輸送能力下降以及輸送帶偏載等，同時也會出現撒料、回流現象，造成現場環境汙染。見圖1 ～圖3。
1 試驗測試為了更好地研究散料性能對轉運料鬥的影響，對典型難流動物料進行試驗測試，研究物料的流動性能。1.1 剪切試驗
圖1 料鬥積料
圖2 輸送帶偏載圖3 現場環境
圖3 現場環境
對秘細粉進行剪切試驗主要為獲得物料的流動性能。對秘細粉的剪切主要採用Jenike 剪切儀單面直剪的方法[2]，首先在剪切蓋上放置砝碼作為正壓力，在剪切環與基環之間的剪切面上，電機驅動的推桿作用在剪切蓋的頂針上，推動剪切環做剪切運動，設置在推桿上的力傳感器測得剪切力信號，再傳送到圖紙記錄儀或計算機，直剪儀如圖4 所示。
顆粒物料經過多次剪切試驗, 可以得到圖5 所示的物料一系列瞬態屈服軌跡，破壞包絡線和莫爾圓。根據莫爾—庫侖理論得到物料的內摩擦角、有效摩擦角、無約束屈服應力及壁面摩擦角[3]。
圖4 剪切儀
圖5 屈服軌跡莫爾圓
1.2 物料的流動性函數Jenike 定義了流動函數FF ，用流動函數表示鬆散顆粒粉末的流動性能。鬆散顆粒粉體的流動取決於由物料壓密實而形成的強度。自由屈服強度就是這種強度的量值f ，並且是密實主應力σ1 的函數，即
式中：FF 為流動函數，無量綱； f 為自由屈服強度，MPa； 1 σ 為密實主應力，MPa。
取惡劣難流動秘魯細精礦粉（以下簡稱秘細粉）進行實際測試分析，見圖6，隨著含水率的增加，流動函數FF 值減小，流動性能變差，秘細粉在含水率12.33% 時，流動性能最差，其FF 值為1.5，強附著，流動困難。圖6 不同含水率下秘細粉流動函數值
2 模型分析物料採用離散單元方法建模，離散單元為顯式求解，研究顆粒的集合，結合顆粒體間不同的本構關係建立每個單元的運動方程，當顆粒碰撞時考慮顆粒間的作用包括彈簧、阻尼、摩擦和液態橋力等。
2.1 計算模型建立該碼頭轉運料鬥幾何模型如圖7 所示，該項目的基本參數為：物料為秘細粉，設計運量Q=4 200 t/h，帶寬B =1 600 mm，帶速v =3.15 m/s，落料高度H=4.5 m。受料輸送帶與送料輸送帶沿Z 向( 正向) 夾角13.996，沿Y 向( 豎直方向) 夾角21.398。
圖7 轉運料鬥幾何模型布置
離散元模型如圖8 所示，本文計算所採用的物理模型包括物料與物料、物料與襯板、物料與輸送帶的相互作用模型。其中前者包括傳統的動力模型 Hertz-Mindlin和研究含水物料相互之間作用力的黏結模型Linear Cohesion，後者包括傳統的動力模型Hertz-Mindlin（noslip）、輸送帶傳動模型 Moving plane 和研究含水物料與幾何體之間作用力的黏結模型 Linear Cohesion[4]。
圖8 離散元模型建立
2.2 物料模型秘細粉為均質顆粒，在水分作用下出現團聚，其含水率為10.33%，選擇球形顆粒，半徑為12 mm。 在實際系統的仿真中，物料力學性質的合理確定是保證仿真結果的關鍵因素，仿真中涉及的各部分結構的材質為：物料為精礦粉，轉運料鬥為耐磨鋼材，輸送帶為橡膠。根據物料的安息角和壁面摩擦角測試（見圖9、圖10）及剪切試驗的結果，進行物料模型校準[5]，使離散元顆粒與實際秘細粉保持一致，參數標定後材料接觸參數如表1 所示。
2.3 弧形導流罩理論設計物料在料鬥轉運過程中，約82% 的能量損失在物料與導料罩底面的接觸面，約9% 的能量損失在物料與導料罩側壁的接觸面，其餘的能量損失在物料之間的相對流動[6]。物料流的物料運動簡化為物料凸弧和凹弧運動的複合，如圖11 和圖12 所示，根據理論運動的計算，物料在導料罩凸弧和凹弧的平衡方程式分別為[7]
式中： v 為瞬時速度，m/s； R 為曲率半徑，m；θ 為垂直方向與v 的夾角，（°）； t 為運動時間，s；Δm為物料的質量，kg；μ 為等效摩擦因數。
圖9 安息角測定
圖10 壁面摩擦角測定
圖11 凸弧理論運動模型
圖12 凹弧理論運動模型
根據物料理論瞬時速度的計算，使物料在導流罩出的產生，同時避免在溜槽區域積料，因此弧形導流罩凸弧和凹弧採用等曲率半徑的形式，物料入料角度和卸料角度為20°，理論計算弧形導流罩R =2.5 m。
3 結果分析3.1 速度分析安裝頭部弧形導流罩，以避免漏鬥堵料，同時抑制誘導風，降低粉塵。在物料衝擊溜槽時，速度降緩，如圖13 所示，秘細粉整體速度保持穩定。在料鬥1 ～ 1.5m 這段高度，物料的速度出現了一個明顯的上升趨勢，v 最高達到6.8 m/s，這表明經過弧形導流罩的物料下落時還未接觸到溜槽，接觸溜槽後，物料速度有明顯的下降。在料鬥3 ～ 4 m 這段高度，物料在弧形導流罩運動，動能基本保持不變，能量未損耗，速度v 保持在3.15 m/s 左右，如圖14 所示。將溜槽角度由49 增加至70，弧形導流板與物料拋料成18。同時增加對中裝置和刮板清料機，改善物料在受料輸送帶的對中性能，使清掃器清掃的物料進入轉運料鬥，改善現場的作業環境。
圖13 秘細粉速度雲圖
圖14 秘細粉速度曲線
3.2 輸送量分析為了判定轉運料鬥是否容易堵塞，質量流速能夠直觀對流入和流出轉運料鬥的精礦粉物料轉運能力進行評估。在給料輸送帶（拋料的前端）和接料輸送帶（物料流出料鬥穩定區域）建立質量流量傳感器，對進出料鬥的輸送量進行測量。
圖15 為秘細粉（10.18%）在轉接料鬥出入口的質量流速曲線，物料在2.5 s 時，入口質量流速達到平衡，其值在1 166 kg/s（4 200 t/h）小範圍波動， 2.5 s 後，物料運送至給料輸送帶拋料的前端，入口輸送能力穩定。秘細粉（10.18%）進入並最終排出轉運料鬥時有一個初始的滯後，在3.7 s 後，物料開始流入出口檢測區域。2.5s 至3.7 s 的滯後時間區間，即為物料在料鬥中的輸送時間。在5.76 s 之後達到了穩定狀態，流入和流出轉運料鬥的物料質量流量基本相等，秘細粉運量達到平衡。
圖15 出入口流量曲線
3.3 弧形導流罩衝擊作用分析物料由送料輸送帶送至轉運料鬥中，在弧形導流罩的作用下，物料沿導流罩軌跡線流動，因此導流罩承受物料的衝擊作用力，弧形導流罩如圖16 所示。弧形導流罩內側受物料衝擊力作用隨時間的變化如圖17所示，在2.5 s 之前，物料並未與導流罩接觸，在2.52 s 時，衝擊作用力為516.3 N，此時為衝擊作用力的最大值，隨著物料進入，衝擊作用力又降至282.3 N。衝擊作用力隨時間變化而波動，其平均作用力為395 N。表明帶速3.15 m/s 時，弧形導流罩受力數據的變化總體範圍是一定的，總在均值附近波動。
衝擊是引起轉料鬥工作失效的主要形式，為了減小這些結構的受力，更好地選擇耐磨材料，對衝擊作用區域進行定性定量分析，提高弧形導流罩的工作壽命，增加經濟效益。
圖16 弧形導流罩
圖17 弧形導流罩衝擊作用力隨時間變化的曲線
3.4 不同含水率物料流動分析含水率對物料的特性影響比較大，尤其對精粉材料，圖18 為含水率8.53%、10.18%、12.33% 秘細粉在轉運料鬥中平均速度隨時間的變化，2.02 s 時物料開始進入轉接料鬥，含水率8.53% 的秘細粉初始平均速度為3.15m/s，與輸送帶的速度基本保持一致，隨著含水率的增加，12.33% 秘細粉的初始平均速度為2.88 m/s。
物料平均速度曲線在不同的含水率下的變化規律一致，3 ～ 3.8 s 時，物料的平均速度顯著增大，在4 s 後，速度基本穩定下來，8.53% 秘細粉的穩定速度為3.67 m/s，10.18% 秘細粉穩定速度為3.58 m/s，12.33% 秘細粉穩定速度為3.08 m/s。物料平均速度的顯著上升，主要是物料經過弧形導料罩後，在料鬥中自由落體造成的。12.33% 秘細粉穩定速度低於輸送帶的送料速度3.15 m/s，表明在轉運料鬥中物料發生積料，這與剪切試驗建立的流動性函數保持一致，秘細粉在含水率12.33% 時，流動性能最差，其FF 值為1.5。
4 結論1）通過對秘細粉相關物理試驗如剪切試驗、堆積角試驗及壁面傾斜試驗，測試秘細粉的流動性能，並將物理試驗數據和虛擬建模結合，建立了參數校準模型。
圖18 不同含水率物料的平均速度
2）通過實例驗證基於物料流動性分析能夠較真實地模擬物料在實際工況條件下的數據信息，如分布狀態、運行速度、質量流速、衝擊力等，同時可以比較分析不同含水率對物料在料鬥內平均速度的影響。該技術可用於優化轉運料鬥的結構設計，避免物料產生偏載、堵料、積料、撒料等現象。
參考文獻[1] 宋偉剛，王天夫. 散狀物料轉載系統設計仿真方法的研究[J]. 工程設計學報，2011（12）：428-436.[2]ASTM D6128-06. Standard Test Method for Shear Testing ofBulk Solids Using the Jenike Shear Cell [S]. （USA）ASTM：Wes Conshohoeken, 2003.[3]Pillai J R, Bradley M S A，Berry R J. Comparison betweenthe angles of wall friction measured on an online wall friction tester and the Jenike wall friction tester[J]. Powder Technology, 2007，174（1/2）：64-70.[4] 胡國明. 顆粒系統的離散元素法分析仿真[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2010.[5]Andrew Grima ， Peter Wypych. Discrete element simulationof a conveyor impact-plate transfer: calibration, validation andscale-up[J]. Australian Bulk Handling Review， 2010（5/6）：64-72.[6]Roberts A W. Transaction of ASME[J]. J. Eng. Industry（SeriesB），1969，91(2)：373.[7]Roberts Alan W. Chute Performance and Design for RapidFlow Conditions[J]. Chem.Eng.Technol， 2003，26（2）：163-170.