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斗式提升机机头滑轮过渡区离散元模型分析
W. McBride M. Sinnott P. W. Cleary
本文介绍了在斗式提升机模型上应用离散元模拟的结果，特别是关于头部滑轮过渡区的模拟。这是一个更大的研究的第一阶段，以更好地了解机械斗式升降机的运作，参考排放的颗粒在头端。在头端出现两个问题；机械上，吊篮螺栓固定在输送介质（通常为织物加固带）上，在吊篮头端与滑轮相切处，吊篮头端发生理论上的速度阶跃变化。这一理论阶跃变化导致桶尖速度的经典欠阻尼响应。在进行该运动时，有应力传递到输送介质的胎体；了解这些应力的大小是本研究的一个较长的目标，可为现有的定性设计指导原则提供定量依据，例如（《输送机和升降机皮带输送手册》，Apex belting Pty Ltd）。Beverly 等人已解决了从桶中排出散装材料的问题。(Bulk Solids Handling，1983) 但这种分析依赖于简单但常见的吊篮几何形状，并忽略了到头带的初始过渡。忽略低速放电升降机的过渡过程对预测的放电模式影响不大，而高速放电升降机的过渡过程的不稳定效应会促使料斗中的块状物料过早放电。取决于提升机机壳的设计这种提前卸料可能会也可能不会影响整体输送效率。
关键词：斗式提升机、散装物料、机械装卸、DEM
1、介绍
斗式提升机是散装物料处理行业中常用的工业设备。它们为各种散装材料的垂直高度提供紧凑的占地面积。高程高度几乎没有限制，吞吐量可以广泛扩展。斗式提升机的机械结构相对简单，大多数电梯使用织物增强的“传送带”材料进行动力传输和铲斗连接，大型电梯可以使用钢芯带，混合带或链条。出于本文的目的，在结构中假设有柔性带。
通常，使用专门设计的斗式提升机螺栓将铲斗用螺栓固定到安全带上，该斗式提升机螺栓具有大直径头部，该头部嵌入带罩中以在带的下侧提供齐平的饰面。铲斗通常具有平坦的内/后壁，紧固件穿过该内壁/后壁，这些确定了铲斗在带上的有效枢转。图1显示了Starco Jumbo铲斗的形状以及将这些铲斗安装到典型的皮带上（隐藏在铲斗后面）。
在操作上，斗式提升机内的铲斗通过称为“靴子”的电梯的最下部。待升高的材料由位于靠近靴子端的电梯的向下或向上的绳索上的滑槽供应。一部分材料升高将通过头部溢出返回到靴子
图1压制钢桶说明形状，保持孔位置和指示性配件（图1）。这些铲斗的几何形状和模拟中使用的几何形状都基于Starco Jumbo铲斗[3]。具体数据B = 260mm，C = 130mm，F = 55mm，D = 190.5mm
滑轮末端。不管喂料方式如何，在启动区过后不久的某一时刻，水桶就会被填满到与公称吨位率相当的水平。图 2 说明了这些部分在实验室吊篮升降机上的位置。在头部和尾部滑轮之间的横向过程中，吊篮、吊篮内容物和吊带必须以相同的速度运动。然而，当水桶通过任一皮带轮时，水桶的顶端速度必须通过水桶顶端半径除以皮带轮半径的比值来增加。由于这种速度的增加显然是不可能瞬间发生的，显然传送带在一段有限的时间内发生变形以促进加速阶段。这已经观察到的高速视频片段显示桶经历一个阻尼振荡响应的步进变化的速度（表 1）。
在这些振荡期间，由于在局部减速阶段中材料和铲斗之间的接触力减小，铲斗中承载的材料将具有更大的排放倾向。
2、恢复力
由于皮带在切点处的变形导致两个恢复力。第一个，如图3b所示，在几何上由带的位移限定。可以看出，由于铲斗运动产生的偏转，局部带纤维张力的增加可以忽略不计，并且接受这一点，可以证明施加在铲斗上的力使其加速，这是由长度决定的。头部和尾部皮带轮中心之间的皮带，以及皮带连接螺栓之间的距离和皮带与铲斗之间的最低接触点。当铲斗的底部推到皮带上时，将从连接点到铲斗接触的最低点形成一个角度，并且朝向尾部滑轮形成相应的较小角度。
考虑图3b，力F的大小可以从等式1滑轮端确定。无论进料方式如何，在靴子区域后不久的某个时刻，铲斗被填充到与标称吨位率相称的水平。图2显示了这些部分在实验室斗式提升机上的位置。
在头部和尾部滑轮之间的横向移动期间，铲斗，其内容物和皮带必须以相同的速度行进。然而，当铲斗绕过任一滑轮时，铲斗的铲尖速度必须增加铲斗铲尖半径除以滑轮半径的比率。由于速度的这种增加显然不可能立即发生，很明显，皮带在有限的时间内变形以促进加速阶段。已经观察到高速视频镜头显示铲斗经历了对速度阶跃变化的阻尼振荡响应（表1）。
应该注意的是，由于皮带和铲斗的质量，头端的张力将大于尾端的张力，但是在方程式中需要在偏转点处的局部张力。1。
第二恢复力是赫兹接触力，当铲斗试图将皮带胎体压靠在头部滑轮面上时产生。如果头部滑轮具有橡胶包胶，那么由于接触点处的顺应性增加，这将促进更大的偏转。力的产生速率和与该接触相关的压力中心取决于带的横向弹性模量和封头材料在头部带轮上的顺应性。在迄今为止的模拟工作中，这两个有所贡献。
图3a是皮带变形的图示，当皮带转变到头部皮带轮时，导致铲斗速度变化。b恢复力图
3、离散元素法
离散元素法（DEM）是一种用于对粒度级粒度流进行建模的数值工具。作为处理颗粒材料的各种行业的优化工具，它显示出巨大的希望[4]。在每个计算时间步长，DEM跟踪系统中的所有单位粒子，并计算粒子之间以及粒子与边界之间的力。对于每次碰撞，应用接触力模型。可以获得各种不同复杂程度的不同接触模型[5,6]，但为了正确预测非常大的流量，在颗粒物水平上需要更复杂（且计算成本更高）的力模型并不是先验的。粒子组件。我们使用CSIRO开发的DEM求解器，已成功应用于采矿中的颗粒流[7,8]，散装固体处理[9,10]，地球物理[11]和药物[12]应用。线性弹簧用于模拟粒子的弹性载荷，缓冲器模拟非弹性碰撞中消散的能量。该接触模型简化了计算，允许实际建模大量粒子（107）。
为了便于所呈现的模拟，在DEM软件中创建了无限刚性的路径。连接到该路径的是“桶”物体，其被约束为围绕平行于头部滑轮轴线的水平轴线旋转。铲斗旋转由一对弹簧触点控制。弹簧任意位于上方10毫米和下方10毫米处
图4 a围绕头部滑轮和b型铲斗几何形状的“无限刚性”坐标系路径指示铰接点坐标系统，并示意性地示出弹簧位置。两个坐标系统点（CYS）在模型中被“固定”在一起作为铰链接头。当铲斗使皮带变形时，弹簧用于模拟以模拟恢复力。铲斗CYS的选择与所研究的铲斗制造商提供的几何信息一致; Starco Jumbo [3]
铲斗枢转并针对实验室电梯进行校准，以实现等效的恢复力矩。图4中的CYS指示表示制造商网站[3]上提供的铲斗固定螺栓的中心线。这使我们能够模拟支撑带的变形，因为这些弹簧适应不同的负载状态。
对于所提出的模拟，我们将“软”情况定义为对于皮带的接头具有5.0times;106N / m的有效弹簧常数，这通过对铲斗尖端偏转与载荷的实验室测量进行验证。为了获得这些实验室测量结果，将小型斗式提升机上的铲斗定位在切点处，其中头部滑轮和一系列质量施加在铲斗尖端处。记录每个质量的偏转测量结果
连接转动刚度数据。该数据用于计算DEM过程中用作软弹簧壳体的有效弹簧刚度。使用具有5.0times;108N / m的任意关节弹簧常数的“刚性”壳体来模拟更高的电梯。
对于此处报道的DEM模拟，使用直径在2times;10mm范围内的球形颗粒，在每种尺寸等级中具有相等的质量分布。应用于颗粒的材料参数包括1,100kg / m 3的固体密度，颗粒 - 颗粒和颗粒 - 边界碰撞的摩擦系数为0.5，以及颗粒 - 颗粒和颗粒 - 边界碰撞的恢复系数为0.5。
在该模拟的设置中，铲斗静态地填充有距离头部一定距离的铲斗。粒径在每个尺寸范围内的总等质量的约束内是随机的。CYS点的速度达到测试速度，确保在头部过渡之前，与CYS的加速阶段相关联的铲斗或颗粒的任何瞬时运动都已减弱。
4、结果
4.1料斗断开连接观察
图5a，b，c示出了在软/低弹簧刚度条件的放电循环期间的不同时间拍摄的图像，图5d，e，f示出了高/刚弹簧刚度情况的等效定时图像。桶的内容是
最初用垂直带着色以指示在放电循环期间颗粒的原始位置。在整个模拟过程中保持这些颗粒颜色，允许在放电循环期间可视化料斗内的物料流。从视觉比较中可以看出，较低的弹簧刚度促使较早的材料从铲斗中排出，这最好通过仔细比较图5b，e。在图5b中，更多的材料撞击了电梯的上部外壳，并且更多的材料开始下降。首先排出的许多颗粒的水平速度（图5a，d）不足以确保它们可以从电梯中排出而不与其他颗粒或桶相互作用。这在图像5c和5f中通过落回头部并最终降落到电梯的颗粒的量来说明。这些模拟预测4％的初始载荷返回到刚性弹簧箱的靴子，8％返回弹簧情况较软。这与我们实验室在斗式提升机合同研究期间获得的实验数据大体一致。在实验工作中，单个铲斗手动装载有预定义的产品质量，该铲斗与头部滑轮有足够的距离，以确保在排出之前获得全速。一旦该桶卸下，电梯就停止，隔离，并且靴子区域扫过以捕获未离开电梯排出口的材料。
从图5中还可以看出，这种电梯的设计很差，封闭了具有显着材料冲击力的钢结构
(图5低“桶与带”弹簧刚度的放电比较5X10^6N / m（a，b，c）和高“斗到带”弹簧刚度为5X10^8N / m（ d，e，f）。在所有模拟中，重力垂直向下.斗的铰接点以逆时针方向以1.35m / s的速度移动。该模拟铲斗的相应叶尖速度为2.6 m / s，相当于1.3 g的径向加速度)
(图 6、颗粒与分流板的相互作用。在以后的时间步长中，分离器的几何形状在每个图像中与 6b 相同。从图 6a 中可以看出，大多数粒子都能从排放口排出，然而在图 6b 中可以明显看到，有中等数量的粒子返回到了升降机的引导口。如果分离器板降低了大约 50 mm，那么从分离器返回到套管的材料量将几乎被消除。实验室中类似斗式电梯的物理实验已经清楚地说明了这种效果)
套管本身。这种颗粒撞击会影响装置的输送效率，并且很可能导致套管过早失效。一些现代高速斗式提升机采用了蜗壳形状的头壳，以帮助引导颗粒排出。在头部空间很关键的情况下，或者在蜗壳形壳体的最佳设计中，图5说明了DEM方法如何具有价值。
提供图6a，b以说明排出的材料与“分离板”的相互作用，将流分流到排出口，或者回到升降机的行李箱。6a和6b都是相同的几何形状，在后面的时间步长为6b。这些图像表明，降低这个特定的分离板可能会提高这种设计效率，因为颗粒正在撞击并且流体正在被该板物理地分开。
4.2、料斗运动研究
图7显示了在模拟过程中监测铲斗转速的结果。为清楚起见，图7已标记为两个区域（，和）。该区域是铲斗加速的位置（头部滑轮的起点），并且是离开头部滑轮的空桶。在该区域中，在大约0.2秒的总时间段内观察到严重阻尼的振荡。该持续时间相当于54度的滑轮旋转。峰值桶减速发生在切点后约0.05秒; 在水平面上方约14度处。考虑到皮带在滑轮附近的入口相切点处和之后受到约束，我们期望所呈现的结果在很大程度上反映在实验评估中。实验室斗式提升机的视频片段似乎支持这个数值结果，
（图7铲斗穿过头部滑轮时的铲斗角速度。皮带到铲斗的弹簧刚度5.0 106N / m）
在该区域中，铲斗减速回到标称皮带速度，但是存在更长的振荡周期（更低的总阻尼）。由于模拟中使用的轨迹路径的无限刚度和用于数值弹簧的低阻尼值，这种长时间的振荡是“数值”。由于颗粒本身提供的阻尼，DEM弹簧中使用的低阻尼不太可能影响图形的截面。在图7的阶段中，不太可能实现振荡运动，因为一旦经过返回腿上的切点，带有效地自由振动。皮带本身振动的能力将吸收预测的振动，这主要是由于模拟中使用的约束路径的无限刚性。
返回线上的实验室观察通常显示低频振荡，我们预期这些振荡基本上是铲斗减速阶段对合理无约束带的影响。
（图8弹簧刚度对铲斗振动的影响表示为角加速度。模拟带有“斗到带”的弹簧刚度; a5.0 106N / m，b 5.0times;108 N / m）
图8a，b示出了模拟“铲斗与皮带”弹簧常数对铲斗在进入和离开头部滑轮时的运动的影响。时间= 1.8秒时的“运动”是铲斗进入头部滑轮，2.5秒处是滑轮的出口。在图8a中，加速度轨迹显示复杂的形式，我们目前不提供任何解释。弹簧常数越高（图8b），振荡衰减要快得多，峰值加速度要高得多（注意垂直刻度的变化）。运动发生在相应较短的时间范围内。由于带材料的质量和阻尼，以及在当前模拟中无法捕获的额外自由度，预计在物理测试中不会实现这些非常高的加速度。
5、结论
DEM研究了斗式提升机的顶部过渡效应。从完成的工作中可以明显看出，带/铲斗界面的有效刚度对铲斗散装物料排放模式具有显着的影响。
我们已经说明了在DEM中耦合的多体系统建模的能力，以提供使用替代方法无法实现的见解。
我们已经展示了DEM在帮助理解铲斗卸料模式方面的价值，通过考虑物理实验和数值模拟中的一系列常见铲斗型材，将在未来的工作中进行扩展。我们已经展示了在运营期间考虑“退回”的能力。这是由于过早放电和分离器或流浆箱装置的错误定位而返回到电梯行李箱的材料。
桶内散装物料的流动与纽卡斯尔大学收集的视频片段一致，这为研究更几何形状复杂的桶形状提供了信心。一般排放
从模拟中预测的模式与从实验室模型收集的镜头一致，尽管在头部上缺少同步旋转位置读数确实限制了在此阶段提供定量比较的能力。
总的来说，本文阐述了DEM技术可以逼真地应用于复杂的机械处理设备，如斗式提升机，以提供对操作过程中发生的复杂相互作用的深入了解。
参考文献：<!--资料编号：[4612]
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