基于EDEM物料转载系统模拟与优化

本文采用edem软件离散元建模方法对散料设备中的物料转载系统进行模拟仿真与分析，并依据料流曲线及冲击力对挡料板机构和结构参数进行了优化设计。本文的计算结果已经应用于最终转载系统设计中。

一、问题的提出

物料转载系统是大型散料设备的关键装置之一，通常位于两条或多条皮带输送机之间以实现对散状物料输送方向的控制与衔接。在物料转载过程中，伴随着物料下落，其势能、速度和方向都会发生改变，物料的料流曲线、物料对挡料板的冲击力、物料在其支撑皮带上的位置及其质量等也会随之发生改变。以往都是采用手工或经验公式的方法定性分析与研究上述变化，既不准确也费工费时。离散元法（DEM）是一种研究非连续性颗粒物质结构和运行规律的数值方法，现已广泛应用于岩体工程、采矿工程及散料搬运等领域。采用EDEM仿真软件对转载过程进行模拟与分析，可以定量得到上述相关变量值，并为指导设计提供理论依据。

二、EDEM模拟过程

EDEM颗粒模拟仿真计算中，颗粒的模型与物料属性的定义是其关键因素。

1.材料参数定义

3.物料颗粒定义

考虑到EDEM运算时间的限制，本次仿真中所采用物料粒度为：物料粒度在20mm范围内正态分布。颗粒形状：正四面体，每个颗粒由4个球体填充，颗粒形状及填充效果如图1所示。

4.物料转载系统的几何建模与装配

物料转载系统由3D软件建模并装配，然后导入到EDEM软件，如图2～图4所示。

5.颗粒工厂设置

在中继皮带机端部定义颗粒工厂位置，选择动态方式生成颗粒，且颗粒生成速度等同于皮带机带速，如图5所示。定义颗粒粒径为正态分布以及均值、标准差、最大及最小粒径等。

6.模拟计算

定义时间步长，确认需要碰撞计算（Track Collision）。定义网格大小，可根据实时显示的结果判断颗粒工厂的设置及相关参数的选择是否合理。如图6所示。

三、EDEM结果分析

1.中继皮带与臂架皮带之间料流曲线

中继皮带与臂架皮带之间料流曲线，如图7～图9所示。根据料流曲线，我们可以初步确认上部挡料板结构形状。

2.臂架端部与溜筒之间料流曲线

臂架端部与溜筒之间料流曲线，如图10～图12所示。同理，根据料流曲线，我们可以初步确认臂架端部挡料板结构形状。

3.中继皮带挡料板冲击力计算

中继皮带挡料板最终设计示意图如图13所示。

在给定的安装角、结构形状及与滚筒间距的条件下，经过模拟计算，EDEM给出冲击力计算结果如表3所示。

经多种方案比较后得出：中继皮带挡料板最大冲击力的最小值为3799.03N。表明上述方案为最佳。

4.臂架皮带挡料板冲击力计算

臂架皮带挡料板最终设计示意图如图14所示。

在给定的安装角、结构形状及与滚筒间距的条件下，经过模拟计算，EDEM给出冲击力计算结果如表4、表5所示。

经多种方案比较后得出：臂架挡料板最大冲击力的最小值为2496.23N；臂架下部漏斗壁最大冲击力的最小值为3126.91N。表明上述方案为最佳。

四、结语

应用EDEM离散单元法对物料转载系统进行模拟仿真与分析，将颗粒状物料与刚性体有机融合，定量并可视化给出转载系统物料、机构和结构的相关设计参数，对指导并优化机械设计作用极大。

考虑到运算颗粒数量、运算精度、运算准确性以及运算时间等，建模时务必合理选取模拟物料的相关系数，或者向用户索取实测数据。

为了提高建模效率以及方便于结果后处理，建议转载系统所有实体模型先在3D环境下建立和装配，然后写成igs格式文件，在EDEM环境下自动导入。与此同时，要求3D模型的坐标系定义须与EDEM坐标系相一致。