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基于DEM的电液动犁式卸料器的犁头优化设计

编辑:扬州中悦机械有限公司时间:2020-08-17

针对带式输送机电液动犁式卸料器多点卸料卸不干净、撒料等问题,分析犁式卸料器卸料工作原理和犁头结构,采用 DEM 离散元理论对卸料过程进行仿真分析,计算犁头卸料最佳物料轨迹和卸料角度,通过结构改进和设计优化,彻底解决卸料器撒料问题。


在电力、港口、煤炭等行业,散料输送过程中带式输送除了头部卸料外,工艺需要沿带式输送机中部多点卸料,目前国内其他卸料方式主要是卸料小车和犁式卸料器。卸料小车串联在带式输送机上,根据物料的堆积角,使物料随卸料车角度提升一定高度,然后通过三通向单侧、两侧或中间卸料。犁式卸料器是一种常规的带式输送机卸料装置,可配置于带式输送机上作为中部卸料,实现沿带式输送机多点卸料。卸料器较卸料车结构简单,使用方便,易实现自动化控制,因此广泛应用于散料输送行业,尤其在火力发电厂车间卸料和分煤作业。但普遍存在撒料及卸料不干净问题,尤其针对不同煤种或雨季物料含水量变化较大时,经常出现卸料器卸料不畅、堵料等问题,严重影响生产顺利进行。 本文重点分析卸料器卸料原理,通过三维建模和离散元分析对卸料器犁头结构进行优化设计,并在工程项目中应用。


1 卸料器结构及原理分析

犁式卸料器主要由电动推杆、支架总成、犁头、升降托辊架、滑架、升降横梁、驱动摆杆、连杆、辊子、

电控箱等组成,见图 1。

卸料工况:电动推杆伸出,带动驱动摆杆逆时针转动,驱动摆杆通过连杆使犁头下落,通过带动滑架向后运动使升降托辊架抬起,摆动托辊升起将胶带展平,犁头与胶带贴紧时触动电动推杆限位开关,电动推杆停止运动,开始卸料。

通过工况:电动推杆收缩,带动驱动摆杆顺时针转动,驱动摆杆通过连杆使犁头抬起,通过带动滑架向前运动使升降托辊架落下,摆动托辊落下将胶带变为槽形,犁头抬到指定位置时触动电动推杆限位开关,电动推杆停止运动,物料可以通过。

为了解决犁式卸料器撒料、堵料等问题,首先分析卸料器在工作时物料的运动状态。物料沿胶带运输方向以带速v 冲向犁头,在犁头的作用下沿犁头方向有一个分速度v 0,要保证物料在冲击犁头后顺利沿犁头落进漏斗不出现堵料,从理论上分析犁头与煤流撞击后,物料应沿犁头方向运动至犁头尾部时才能落入料斗,但实际上由于撞击和物料与犁头衬板的摩擦,与犁头接触后煤流的运动速度低于胶带的运行速度,因此在犁头附件出现一个短暂的料流堆积区,物料在犁头中部开始堆积下落,出现撒料。因此,卸料器犁头与胶带之间的夹角尤为关键,务必保证在物料撞击犁头后,不能出现物料运行速度为零的状态。一旦出现物料与犁头接触后运行速度为零,就会出现大量物料瞬间聚集,造成严重撒料问题。因此,分析犁头与煤流接触后沿犁头方向的分速度是卸料器犁头设计的关键,而卸料器犁头与输送带的角度α 是解决卸料器堵料问题的关键。见图 2。

2 卸料器犁头仿真分析

2.1 物料参数模型建立

EDEM 是用离散元模型设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用 CAE 软件,通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征,协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。本文借助EDEM 分析建立卸料器犁头卸料数学模型,最终获得卸料器犁头角度的最佳参数。首先建立物料颗粒模型,考虑到物料含水量的变化,需将物料粘结考虑在内,颗粒间接触模型及颗粒与结构接触模型均选择 Hertz-mindlin with JKR 模型,见图 3。

物料特性见表 1,物料均为颗粒煤,粒度 300 mm,设计运量Q=600 t/h, 带宽 1 000 mm,带速 2.5 m/s,根据现场煤粒度分布实验,选择合适的粒度比例。建立颗粒模型后,根据物料的安息角做相应的物料校准实验,进行物料模型校准,使离散元颗粒模型与实际煤保持一致,参数标定后物料与材料接触参数见表 2。

2.2 几何模型创建

为了方便观察、比较不同犁头的卸料情况,建模时将不同犁头放于同一个模型中。利用 SolidWorks 对输送带和卸料器犁头进行简单建模,如图 4。

2.3 仿真过程及结果分析

图 5 从右往左梨头倾角分别为 35°、30°、25°、20°,图示中卸料器处蓝色部分说明物料撞击犁头后瞬间速度较低,可能存在物料集聚。图中不同颜色代表物料运行速度,其中蓝色最小,红色最大。通过仿真模拟,改变卸料器与输送带之间的夹角,实现卸料轨迹的变化以及卸料速度的变化,速度变化与犁头倾角关系见表 3。

通过仿真分析可以看出,随着犁头倾角的减小,物料动能损失减小,沿带式输送机运行方向的平均速度逐渐增大,同时受料槽沿带式输送机方向的受料长度也会增大。

3、结论。

通过计算和仿真分析找到了犁式卸料器撒料堵塞的主要原因,并根据计算仿真得出卸料器不同带速、运量情况下,犁头结构设计的最佳方式,尤其是犁头侧板与胶带之间的夹角;通过分析可以直观地看到物料卸料的截面宽度,便于犁式卸料器卸料漏斗开口宽度的设计及与犁头安装位置的确定;确定犁式卸料器犁头结构形式,犁头与胶带之间的夹角 30°为宜;改进卸料器犁头设计,有利于环保。

本文以单侧电液动犁式卸料器犁头设计为基础,通过实例分析较真实地反应了卸料器在实际工况条件下的数据信息,如物料撞击后运行速度、卸料宽度、冲击力等,分析比较了不同夹角α 对物料卸料速度的影响,对卸料器犁头设计具有一定的指导意义。