基于离散元法的斗轮堆取料机斗轮机构取料过程仿真分析

基于离散元法的斗轮堆取料机斗轮机构取料过程仿真分析

0斗轮堆取料机仿真结果与分析斗轮炉料机是世界上广泛使用的大型连续分散处理设备。广泛应用于矿山、冶金、能源、交通、地板、木材和化工领域的大型露天矿储蓄所、仓库、水库、，主要从事采矿和大型港口码头。其中，悬臂式斗轮炉的收获机具有灵活的工作结构、多种作业和相对较低的对现场要求等优点，已成为世界上最常用的结构形式。斗轮装置是实现料提取功能的主要设备。然而,目前斗轮堆取料机传统的设计方法并不准确,现有设计计算主要依据《斗轮挖掘机设计规范》,由于斗轮挖掘机主要用于采煤和土方挖掘作业,斗轮堆取料机主要用于装卸散粒物料,两者工作性质、工作条件不尽相同,导致斗轮堆取料机的设计偏于保守、不准确.而且,计算中大多采用经验参数,缺乏理论支持.本文利用离散元法(discreteelementmethod,DEM),应用离散元分析软件EDEM对不同斗轮转速下斗轮机构取料过程(包含挖料、提升和卸料)进行仿真,并对仿真结果与理论计算结果进行比较分析,探究斗轮机构取料机理,为斗轮机构的优化设计、工作参数的选取和工作性能的预测提供一种新的途径.1edem软件模拟离散元法是一种研究不连续体(离散体)力学行为的数值方法,其最初由Cundall和Strack于1979年提出,该法将散粒体划分为离散单元的集合,根据牛顿第二定律建立每个单元的运动方程,当颗粒碰撞时考虑颗粒间的相互作用,利用动态松弛法迭代求解,就可以得到不同颗粒体间力和位移的关系,从而求得散粒体的整体运动状态.目前离散元法已广泛应用于岩土工程、采矿工程等领域中,在没有可靠理论研究工业生产设备中物料运动的情况下,可以通过离散元法模拟物料运动行为,节省了大规模试验需要的费用,还可以得到实验中不易测量的数据信息,更好地理解物质运动的本质,优化设备的设计,提高设备的使用效率.DEMSolutions公司的EDEM软件是用现代化离散元模型来模拟和分析颗粒系统处理和生产操作的通用CAE软件,它可以为固体颗粒系统建立参数化模型,通过导入真实颗粒的CAD模型来准确描述颗粒的形状,通过添加力学性质、物料性质和其他物理性质来建立颗粒模型,并且在模拟过程中把生成的数据储存到相应的数据库中,以供分析提取.2edem模拟斗轮装置的取样过程2.1模型参数定义在利用EDEM软件进行仿真之前,需在其前处理器模块设置相应仿真模型与参数,包括:颗粒与几何体的材料属性,颗粒之间、颗粒与几何体之间的接触属性,颗粒粒径分布,斗轮机构工作条件等.本仿真中的颗粒是经过处理的铁矿石,呈球形,斗轮机构的材质为钢.见表1.22颗粒、颗粒和几何体之间的接触属性3运动学模型的变化本仿真分为挖料、提升与卸料3个过程,其间,料箱均保持静止,斗轮机构进行绕斗轮中心轴的匀速转动和平行于EDEM软件世界坐标系Y轴正方向的匀速平动,见图1.由于实际作业的斗轮机构相对于斗轮机悬臂偏转了13°,所以斗轮中心轴并非平行于水平面.斗轮机构组合运动各组参数见表4.2.2模拟过程描述2.2.1料堆、斗轮机构模型根据本斗轮堆取料机实际的作业工艺,将仿真中铁矿石料堆尺寸定为4.8m×2m×5m.颗粒生成时仅受重力,因此料堆是自然堆积而成并完全静止,在料堆左上角有一个因自然滑落形成的坡角,接近实际料堆的形状.料堆生成后,再导入斗轮机构的三维模型,进行取料过程EDEM仿真.料堆、斗轮机构模型及两者之间的位置关系见图2.2.2.2样品取样过程的模拟图3显示了斗轮机构挖料、提升和卸料过程所对应的角度区间,图4展示了EDEM软件中三个仿真过程中某时刻的情况.3模拟结果分析3.1料斗所受挖掘阻力和挖料量的定量分析挖料过程可获取不同工作条件下每一数据存储时间点上单个料斗所受的挖掘阻力合力及其在X,Y,Z各方向的合力分量,单个料斗内颗粒的总数量、总质量.这些数据有助于对料斗所受挖掘阻力和挖料量的变化趋势进行定量分析.3.1.1斗轮转速对料斗受合力的影响式中:fL为单位挖掘阻力,N/cm;L为切割边总长度,cm。单位挖掘阻力与很多因素有关,目前其相对准确的数值只能通过实验得到,显然对每个挖掘阻力计算都用试验方法测试并不现实,目前往往在已有挖掘阻力基础上,根据相关参数(如物料类型,切削刃形状等)进行经验选择,另对于确定的料堆,切割边总长度一定,所以传统设计计算中,挖掘阻力不受斗轮转速的影响,这导致传统设计计算结果与实际偏差较大.图5显示了仿真中4种不同转速下料斗所受合力随斗轮转角的变化规律.由图知,4条曲线变化趋势相似,转速一定时,随转角增大,料斗受力逐渐增加,随着挖料结束,料斗开始提升,受力又相应减小。转角一定时,转速越大,料斗受力越大,斗轮的冲击振动和磨损越严重,能耗也越高,仿真结果表明实际中挖掘阻力与斗轮转速有关,且挖掘阻力随斗轮转速增大而增大,这说明斗轮转速是影响挖掘阻力大小的重要因素.3.1.2转速对物料质量的影响图6显示了仿真中4种不同转速下料斗挖料量随斗轮转角的变化规律.由图6可见,4条曲线变化趋势相近,转速一定时,随转角增大,物料质量增加并在23.84°附近达到峰值,其后略微减少或保持不变.转角一定时,不同转速下物料质量相差并不大,可见转速对单斗挖料量的影响很小,所以转速越大,单位时间内斗轮机构的生产率就越高,但是斗轮的振动、磨损与能耗都同步倍增,对相应辅助机构的要求也越高,因此转速并非越大越好.3.2结果分析与描述卸料过程关注的是物料能否尽快卸载完全以及料斗内所有物料的运动轨迹所包络的区间.传统理论对抛料轨迹的绘制过程复杂,需要进行复杂的公式运算及推导,且需要利用图解法,得到物料颗粒在抛料每时刻的速度,计算出水平及竖直位移,以绘制抛料轨迹.该方法中斗轮中心线与悬臂皮带机中心线重合布置,斗轮体直立;但实际工程中,斗轮堆取料机采用重力侧卸式斗轮,斗轮体与悬臂间偏转13°,如图1,因而采用传统理论计算所得结论与实际有较大出入.建立在真实模型基础上的EDEM仿真,可很好解决这一问题,仿真结果可提供卸料全过程中任意时刻各颗粒位置坐标.在后处理中,在物料的最里侧和最外侧各选取了18个颗粒,导出这些颗粒在EDEM软件世界坐标系下的(x,z)坐标对.利用这些数据并借助MATLAB软件绘制物料颗粒的运动轨迹及最大卸料包络区间.图7显示了不同斗轮转速下的卸料包络区间,表5是对卸料过程的定量描述.由图7和表5可知:1)卸料开始时刻斗轮旋转角度均在127.52°附近,显示该角度与转速无关;终止卸料时刻斗轮旋转角度随转速增大而增大,说明卸料区间随转速增大而加长,过大的转速会导致卸料延迟.比如14r/min时,终止角度超过了360°.2)在高度2800mm处,X轴颗粒左极限位置坐标随转速增大而大幅左移(除去14r/min),X轴右极限位置则近乎不变,显示卸料区间大小与转速成正比.在该高度,物料越来越分散,其中4r/min卸料区间最小,物料最集中;5r/min时卸料区间不是最集中但全部落入溜槽设计卸料区间内,卸料量较大,8r/min时卸料区间过于分散,部分物料落于溜槽设计卸料区间外;14r/min时卸料完全落于设计卸料区间左侧外部.上述分析结论可以用于指导溜槽和倒料槽的尺寸与位置设计.4仿真