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快速定量装车系统中物料卸载流动性研究

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摘要：为了设计和改进装车站仓体结构，我们从三个方面来提供参考依据：首先根据是离散元理论以及煤炭物料的散体特性，其次是将快速定量装车站卸料过程中的物料流动模型运用其中，最后是要将装车站卸料过程中的物料流动规律以及影响因素掌握并运用。

关键词：离散元；装车站；物料流动；储料仓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.173

1 快速定量装车系统原理及优点

快速定量装车系统已经成为煤炭铁路和公路快速装车外运的最佳选择方式之一，这意味着系统由于其快速加载，高精度和稳定性而慢慢开始取代传统的加载模式[1-2]。特别是近年来，各种技术逐渐发展和成熟，为快速定量加载系统的发展提供了技术支持。

快速加载系统在煤的生产过程中起着更重要的作用。煤炭生产过程首先在矿山中生产原煤，并将原煤运输到原煤仓。然后在矿井中相应的选煤厂将原煤加工成不同的煤产品并运输到产品仓库。最后，对应于选煤厂的装料站根据不同客户的不同需求将煤炭产品运送到客户，完成整个生产过程。

快速加载系统是一种有效的定量加载系统，用于快速、连续地将固体材料加载到列车上，按照设定的重量在自动控制的方式下，以一定的速度行驶。与简单的装载系统和安装站相比，快速加载系统的优点是非常突出的。（1）自动化程度相当高是快速装车系统的优点之一。系统内所有设备主要是远程集中控制与操作的，在此过程中PLC控制系统起到主要作用，并且所有设备信息都显示在控制计算机屏幕上。系统中的所有设备都运行相对可靠，用到的人力少，大部分工作可以依靠机器设备完成。（2）装车速度快也是其优点之一，一般来说，安装62吨重的汽车大约需要60秒，而且只需40秒即可完成。也就是说，安装66列火车需要50分钟到80分钟。（3）高精度的装载也是快速装载系统的优点。称重仓的称重精度在±0.1%之间。每辆车的装载精度小于正负0.3%，从而确保整体列车装载精度小于正负0.3%的范围。（4）良好的装载质量是最重要的优势之一。货车的表面非常平坦，没有偏心载荷。这两点在铁路运营要求方面是可行的。（5）最后和最具竞争力的优势是其出色的环保性能。整个系统的装载过程全封闭，装载货车的表面将被压碎和固化，因此不会产生大量的煤或大量的煤尘。最重要的是环境污染相对较小。

2 快速装载系统存在的缺陷及改进研究

尽管快速装载站系统大大改善了处理设备和技术，但在落料和不均匀织物的实际应用中仍存在一些问题。也可能存在实际的装载材料质量问题，例如设定值不足影响客户满意度。在设计仓库结构时，无法准确预测材料在不同仓库结构中卸载时的流动状态。批量控制策略尚未完善，这将影响配料控制的准确性，从而导致更长的配料时间和装载效率相对较低。随着模拟技术的发展，加上离散元模型工具模拟装载站储罐中煤的装卸过程，在直接观察物料流状态的同时，分析了物料流的影响因素。仓库物料的流动模式和状态特征为指导仓库结构的设计提供了很大的帮助。因此，基于离散元理论，我以装载筒仓为研究对象，希望能为设计和改进装箱的结构提供一些帮助。

3 物料流动模型

以煤炭材料為例，散体特征表现在装载或装载站过程里。在固体和液体之间的物理性质，单粒子，它是固体；而形成的聚合多个粒子流动性，显示了流体的形态，可以保持其形状在一定的范围内；因此，离散单元法可用于煤炭材料的流动性。

离散单元法[3]出现于上世纪70年代，由卡戴尔教授潜心研究得到的。这种方法主要是根据牛顿第二定律，该介质的质量被视为一定形状和离散元集合，并且建立每个单元的运动方程，从而可以获得三个主体的整体运动模式。已经发现，当各个单元之间的平均不平衡力无限接近零时，分散将表现出整体稳定的累积状态。

其本构方程如下：

其中：Mi代表单位i的质量；ωi表示单位i的角速度；Ii代表单个i的惯性矩；vi表示单位i的质心的速度矢量； fe代表所受的另一个外力；fc表示与单元i接触的单元j的接触力； bi代表单位i的物理力；rij表示从单元i的作用点到元素j的质心的距离；Me代表外力矩。另外基于离散单元法，对装车站物料卸载装车流动性分析如下：

（1）筒仓的车身结构需要简化，以识别在卸载和装载过程中与煤材料接触的墙壁，以及分析煤炭材料流动性并将其转化为可用的周边壁板中间步骤。

（2）要设置墙板的摩擦因数、泊松比和剪切模量等参数，设置时要充分参考储料仓壁板材料的属性，还要使储料仓里生成颗粒，生成时可以充分利用离散元，所生成的颗粒间的接触模型一般采用非滑动接触模型。

（3）在储罐中产生颗粒之后，使用离散元件计算工具计算材料流动模型。仿真模型模拟卸载时间框架的大小应控制网格单元总数小于100，000个。

4 物料流动性影响因素分析

通过对煤料流模型有效性的验证，该模型可用于分析装卸站卸煤流量的影响因素。根据装载站的实际设计和应用经验，选择储罐锥形截面壁的倾角，排放口的大小和相同质量材料的平均粒度作为研究对象影响因素[4]。我们可以通过放电质量随时间变化的结果找出：

（1）当锥形截面壁的倾斜角度变大时，每单位时间的放电质量将逐渐增加，但增加的幅度不同。而且当倾斜角度大到一定程度时（一般指超过60°），卸载倾向的影响将逐渐变小。采用超大倾角设计会导致锥体截面的存储容量下降。但是，当仓库的高度固定时，不能满足高负荷的要求。

（2）当卸料口宽度增大时，每单位时间的卸料质量也相应提高[5]。换句话说，出料口越宽，出料速度越快。因此，在设计和安装车站仓库主体时，通过适当增加卸货港的尺寸，可以大大提高物料的卸荷效率。

（3）对于相同质量的物料来说，它的平均粒径越大，那么物料卸载需要的时间就会越长，相对应地，物料流动的速度就会变慢。

综上所述，要想设计出较好的装车站仓体，就要综合考虑各种因素，这样才能保证物料卸载的时间短、装车效率高，因此一般可以遵循这几个原则：第一是确保55°之间的角锥体部分60°，第二是确保排放口尺寸大于或等于6倍的最大粒径材料，三是当材料的平均粒径大时，排出口的尺寸适当增加以满足相关的技术要求，并且扩大排放口的大小可以有效地提高卸料的效率。

5 结论

通过本文的分析和研究，我主要得出了以下两点结论：一是首次这篇文章中，引入离散元法来分析加载系统的卸载，并提出了一种新的物流分析方法，这种方法是以离散元理论为基础的，并在此基础上建立了物流分析模型和类似的测试平台，并通过这些实验平台验证了模型的有效性。其次，对影响材料流动性的因素进行了详细的分析。运用所建立的物料流模型，对物料流规律和特性进行了研究和掌握，并对装卸站仓库的结构设计提出了自己的设计原则。希望通过本篇文章的研究可以为装车站料仓结构设计及优化改进提供一些帮助。

参考文献：

[1]刘学忠，李畔玲.快速定量装车系统在煤炭行业的应用[J].煤炭加工与综合利用，2011（01）：6-8.

[2]魏学文，刘玉辉.太西洗煤厂快速定量装车系统[J].煤矿机械，

2013（09）：160-162.

[3]Cundall P A，Stracko D L.A discrete numerical model for granularassemblies[J].GPotechnique，1979，29（01）：47-65.

[4]卓家寿，赵宁.离散单元法的基本原理、方法及应用[J].河海科技进展，1993（02）：1-11.

[5]周文君，卫红波.基于 EDEM的带式输送机输送过程仿真及分析[J].煤矿机械，2013（05）：89-91.

作者简介：张衡（1984-），女，安徽人，硕士，研究方向：储装运及机械液压。

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