基于 EDEM对散状物料转载系统优化设计的分析.docx

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基于EDEM对散状物料转载系统优化设计的分析

基于EDEM对散状物料转载系统优化设计的分析

湖北凯瑞知行科技有限公司技术研发部胡平

摘要：

随着国内散状物料输送的快速发展，对高带速、大运量的

需求越来越大，传统散状物料转载系统的设计已经不能满足现有高

带速、大运量皮带输送系统的使用要求，物料输送系统转载点粉尘

污染、溜槽堵塞、皮带偏载跑偏、撒料严重、设备磨损等越来越成

为整个输送系统的突出问题。

3-DEM曲线溜槽系统采用流线型优化

截面设计，能够很好的汇集物料，减缓物料下落速度、保证料点对

中、避免堵料、撒料等现象。

本文利用颗粒力学仿真软件EDEM分

别对唐山港曹妃甸港区T3转载点的传统设计和3-DEM曲线溜槽技

术设计进行了对比仿真分析，仿真分析表明转载点采用3-DEM曲线

溜槽系统设计不仅很好地避免溜槽堵塞、皮带偏载跑偏等问题，同

时对于粉尘的控制也起到了良好的效果，设备运行更加可靠、经济、

稳定。

关键词：

EDEM;曲线溜槽；物料转载

1转载点传统溜槽设计与3-DEM曲线溜槽设计的区分

在散料输送与装卸系统中，转载点溜槽系统是整个系统的咽喉，

转载点溜槽系统设计的好坏严重影响着整个系统的输送效率和运行

安全。

现有的转载点溜槽系统通常利用“料磨料”的设计思路，溜

槽普遍采用直线型结构，截面形状一般为矩形截面，溜槽出口距离

皮带底部较高，出口宽度也比较大，其具有制作简单、方便安装以

及造价低等优点，但却不能很好地控制物料流动，在实际复杂工况

作业下，造成物料堵塞、落料点不正引起的偏载跑偏、撒料严重、

对胶带冲击大、粉尘浓度高、溜槽磨损严重等一系列问题，不仅影

响了正常的工业生产、增加了生产成本，同时也影响了设备的安全

运行。

如图1为转载点采用传统溜槽实际运行时存在的常见缺陷。

图1转载点传统溜槽常见缺陷

3-DEM曲线溜槽技术基于离散元方法，采用SolidWorks三维立

体设计建模技术，借助于先进的颗粒学仿真软件，对散状物料输送

过程中颗粒体系的行为特征进行较真实的模拟，从而协助设计人员

对散状物料处理设备进行设计、测试和优化。

3-DEM曲线溜槽机头

部位设计有弧形导流装置，使料流以较小的冲击角度（理论切入角

小于30°）与导流挡板渐变接触，以减小料流对挡板的冲击；溜槽

本体采用弧形流线型结构，截面形状多为“U”形或圆形截面；出

口采用向前扩容变截面的匙形结构，并深入导料槽内部，距离皮带

底部350左右。

3-DEM曲线溜槽通过汇集物料，实现不规律散状物

料的可控化，从而防止溜槽堵塞、减小冲击、抑制诱导风、降低粉

尘浓度等。

如图2为转载点3-DEM溜槽实际运行时效果。

图2转载点3-DEM溜槽实际运行时效果

2、三维设计、建模与仿真

采用SolidWorks三维立体设计和建模技术分别建立转载点传统

溜槽和3-DEM曲线溜槽的三维模型，并利用EDEM分别做相对应

仿真分析，模拟分析物料在两种不同溜槽系统内的运动情况。

2.1、基于SolidWorks的三维立体建模

以T3转载点溜槽布置CAD图纸为基础，通过对传统设计可能

存在缺陷的分析，我们不难看出该转载点主要存在以下几个问题：

1、皮带机头部漏斗采用“料磨料”设计，物料先在漏斗后部台

阶处堆积一定量后再下落，该设计方案虽然减缓了漏斗的磨损，但

当物料含水量超标时，物料易在此处堆积、粘接成块，进而造成头

部漏斗的堵料现象，同时粘接在一起的大量物料容易形成突然垮塌

现象，垮塌后粘接在一起的物料瞬间进入溜槽内部，容易造成溜槽

的堵塞，也容易因为胶带瞬间输送量超载而出现撒料现象；当物料

过于干燥时，物料之间的撞击又会产生大量的粉尘，污染转载点周

围环境；

2、物料由BH2-1——BH2-2或BH3-1——BH3-2输送时为平行

转运，但由于受空间布局限制，该处溜槽与皮带中线存在1000mm

的偏移，物料下落到下级皮带时必然会造成下级皮带因落料点不正

而产生跑偏现象；

3、出口管底部采用折线结构，过渡不平滑，容易在拐角处产

生积料现象。

综上所述，我们提出相应的优化解决方案（详见CAD图纸），

主要包括以下几个方面：

1、头部根据物料抛料轨迹设计安装弧形头部集流导流装置，

以避免漏斗的堵料现象，同时抑制诱导风，降低粉尘；

2、将原有正三通结构更改为非标的Y形三通，使该处落料点

对中下级皮带，避免皮带重载跑偏；

3、溜槽采用3-DEM曲线溜槽结构，过渡平滑，保证物料汇集，

避免溜槽积料现象。

基于以上两种不同的设计方案，采用SolidWorks三维软件设计

分别建立溜槽系统的三维立体模型，如图3所示。

图3转载点传统溜槽与3-DEM溜槽三维立体模型图

2.2、基于EDEM的仿真分析

2.2.1EDEM简介

颗粒力学仿真专家EDEM是由英国DEMSolutions公司开发的

世界上第一款基于高级离散元方法的通用仿真分析软件，它可以细

致地模拟和分析颗粒行为，并为颗粒、流体和机械力学的结合提供

了一个平台。

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

料属性和其他物料参数来建立颗粒模型，并且在模拟过程中把生成

的数据存储到相应的数据库中。

EDEM软件主要由前处理器（EDEMCreator）、求解器

（EDEMSimulator）和后处理工具（EDEMAnalyst）三大功能模块

组成，如图4为EDEM软件功能模块框架及颗粒模型示意图。

图4EDEM软件功能模块框架及颗粒模型示意图

2.2.2、EDEM仿真分析

本文所有仿真所采用的物理模型包括2种类型：

1、颗粒与颗粒

之间相互作用的模型；2、颗粒与几何体之间相互作用的模型。

其中

前者包括传统的动力模型Hertz-Mindlin（noslip）和研究含水物料相

互之间作用力的黏结模型LinearCohesion，后者包括传统的动力模型

Hertz-Mindlin（noslip）、输送带传动模型Movingplane和研究含水物

料与几何体之间作用力的黏结模型LinearCohesion。

该项目的基本参数为：

物料：

煤；带宽：

2000mm；带速：

4.8m/s；设计运量：

6480t/h。

物料颗粒形状按两种几何外形填充，一种由2半径均为40mm

的球体填充；另一种由1个半径为40mm和2个半径为80mm的球

体填，充填充效果如图5。

图6、图7为EDEM仿真计算后的截图，

从图中可以初步看出，传统设计的溜槽头部集料严重，BC2/3-2皮

带料点不正（皮带两侧单位长度内物料质量不同），尾部物料长期停

留，易形成撒料，折线出口管底部拐角处有少量集料；优化后的3-

DEM曲线溜槽，物料流动比较顺畅，落料点对中（皮带两侧单位长

度内物料质量基本相同）。

图5颗粒形状及填充效果图

图6传统溜槽EDEM仿真分析截图

图7优化后的曲线溜槽EDEM仿真分析截图

物料颗粒是通过EDEM软件内置的颗粒工厂随机生成的，为了

保证计算结果的准确性，在进行仿真前需要确认仿真过程的参数应

与实际相符，因而对物料的安歇角、皮带输送量和带速等进行了测

试。

图8为测试物料不同含水量时物料的堆积角（通过标定物料之间不

同的静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞回复系数、表面能来获取适

合的物料参数），本文选取了堆积角约为38度时的标定参数（即图

中下排第1张图）作为仿真参数；

图9为测试输送带上物料的速度，从图中可以看出，物料的运行速

度在输送带的作用下稳定在4.8m/s，符合实际工况的要求；

图10为测试皮带单位长度（1米）范围内物料的质量，可见所测质

量在373kg/m附近波动，根据输送量为6480t/h，带速为4.8m/s，可

以推算出皮带单位长度范围内物料质量为375kg/m，符合实际运量

的要求。

图8物料含水量参数标定

图9带速

图10单位长度皮带物料质量

前面已经分析过BC2/3-2皮带料点传统设计存在落料点不正的情

况，为了更加准确、直观的了解物料在受料皮带上的分布情况，将

受料皮带上的物料按皮带中心线分成两部分，如图11。

分别统计各

部分的物料质量并进行对比分析，如图12为传统设计BC2/3-2皮带

两侧物料质量变化情况，皮带右侧物料基本在150kg/m左右，左侧

物料基本在220kg/m左右；如图13为优化后的设计，可见皮带两侧

的物料质量基本相同，均稳定在190kg/m左右。

图11受料皮带单位长度两侧物料质量

图12传统溜槽BC2/3-2皮带两侧物料质量变化折线图

图13曲线溜槽BC2/3-2皮带两侧物料质量变化折线图

3、结论

1、EDEM仿真软件能够较真实地模拟物料在实际工况条件下的运

动特征，可以准确地得到物料的分布状态、运行速度、对皮带的冲

击力等数据信息，可用于优化转载点的结构设计；

2、比较分析了传统溜槽与曲线溜槽的不同运行效果，可以得出优

化后的曲线溜槽明显优于传统的直线溜槽，避免了堵料、撒料、皮

带跑偏等转载点常见问题。