EDEM在散装货物装卸运输设备设计的应用

Brian Moore博士, James Fuata, Stephen Cole, Richard LaRoc博士, Andrew Grima博士 、Peter Wypych博士着眼于最大化散装物料设备的可靠性

赫氏公司，作为一家全球工程、建筑、项目管理的公司，目前正与仿真软件开发者合作以期提供直观、综合的工具来促进矿井开采在操作层面上的优良表现。

赫氏工程师团队致力于散状物料的处理与加工，并且联合了DEM Solutions公司、BMEA公司针对设备优化设计、难题界定、改善性能一起行动。

DEM Solutions公司是基于离散元素方法仿真软件的领导者，该软件专门从事工程上散状颗粒的处理以及加工设备的研究，而BMEA公司专业从事散状物料的处理（包括实验测试以及故障排除），现两家公司已经联合共同开发EDEM BulkSim专业求解方案。这是全球范围内的专业知识及测试技术的基础建设，支撑起采用离散元技术进行企业范围内的调度从而规模化采矿公司与采购及施工管理公司。

EDEM BulkSim专业求解方案包括DEM Solution公司的EDEM BulkSim软件、BMEA物料测试服务以及DEM Solution公司的模型校准服务。EDEM BulkSim求解方案在采矿公司与采购及施工管理公司的应用能够增进高质量使用性能并且可以校准离散元仿真结果，还能改进输送机以及相关的散状物料处理等工业设备使用的传统经验设计方法。

图1 现有输送溜槽。接受输送机（右下方）卸载后装入卡车车厢中。

本文中我们将讨论一个案例研究，该研究能够展示出赫氏公司、DEM Solutions、BMEA的合作在涉及到一家跨国公司经营的澳大利亚矿井中输送机关键技术的升级方面的意义，这家跨国公司需要增加产能并且要提高选煤厂中的产品煤流水线上的设备性能。

表1：产品煤与滤饼的含湿量

案例研究：输送溜槽的重新设计

该工程是目前选煤厂升级项目中的一部分，该项工程要求设备及基础设施要随着产量的增加而改善，在此范围内，赫氏公司负责由转运站到最终产品输送机，然后再由输送机装载到卡车车厢中。

尽管输送机的负荷相对较小只有1200t/h，但对于确保常规的产品吞吐量至关重要。然而，目前的溜槽由于物料堆积以及流量激增时经常堵塞。

通过使用校准后的EDEM物料模型以及EDEM BulkSim软件仿真模拟，输送溜槽得以重新设计。改进包括一个新的自动给料闸门以增加可靠性与吞吐量，与此同时还能减低维护成本。EDEM BulkSim仿真作用能使新型设计真实地贴近实际，对于赫氏公司来说在工艺过程的前期就可以评价不同物料流量的情况下的设计性能。

输送溜槽的设计用在选煤厂低品质产品煤以及脱水滤饼的输送，产品煤首先放在传送带上，然后滤饼通过卧式真空传送带的过滤器上落下来。

物料测试

EDEM BulkSim求解方案的初步要进行物料测试，需要从产品煤化工系统以及卧式真空传送带上收集产品煤与滤饼样品。物料样品包括120L的产品煤被送到BMEA实验室进行分析（如图2）。

图2 产品煤（左图）与滤饼（右图）

BMEA公司提供的技术服务包括流动性测试以及气动输运测试，并且还能利用澳大利亚伍伦贡大学的固体处理设施。

公司对样品的测试来显现物料的特性，包括含湿量（见表1），尺寸分布以及其他的属性。为理清在动力条件下物料的运动特性，使用专门的测试针对两种物料的动力学流动特性进行研究有利于校正EDEM BulkSim的模拟结果。

样本HBF A与B的滤饼含湿量的变化相对较小（见表1），滤饼含湿量表明散状固体接近最大强度条件即饱和湿度的60-80%。

表2 产品煤与滤饼的固体密度与松散密度

表2列出了测量过的固体密度与散状物料密度，可以用以指导在修正的物料模型过程中所使用煤的密度选取。

图3 产品煤仿真与实验结果比较。

EDEM BulkSim 求解方案中下一步是将产品煤、滤饼的物理上的散状物料测试结果与DEM simulations中的物料模型建立连接。在这一过程中，仿真参数等物理测试结果被BMEA测试过的DEM仿真中复制。此步结果将校准产品煤与滤饼各自所对应的EDEM物料模型。模型校准可以确保仿真物料的性能表现能反映真实的散状物料的性能，从而能提高仿真的可信度。

传统上物料模型的校准是耗费时间的过程，需要用户手动输入各种各样物料尺寸及摩擦参数，并且要对仿真结果进行评估，针对这一问题，DEM求解方案通过在微软Windows Azure云计算平台实施自动化参数扫描与优化，从而能够快速地、高效地建立EDEM物料模型而不影响项目进度。

仿真场景

EDEM BulkSim求解方案的最后阶段将进行一系列的仿真场景用以检测现有的与提议的设计中物料流动特征。工艺流程包括以下几个方面：

 1.导入现有的以及更新的输送溜槽的CAD模型；

2. 载入校准后的EDEM物料模型。

3.设定好通过输送溜槽所需的物料的质量流速。

第一案例模拟了现有的输送溜槽的设计中的情况，取自现有设计的仿真结果图像（见图4与图5）产品煤与滤饼分别用黑色与灰色显示，并且标明了速度分布情况。对已有输送点在特定流速下的设计展现出于流场中观察到的现象一致，例如当物料通过自动给料闸时物料的输送轨迹以及高粘接滤饼的堆积。

图4 现有设备模拟的物料流动，显示了自动给料闸门开与闭。

图5模拟现有设备的物料流动，图显示了速度分布情况

另外四个仿真情形的设计专门针对新的自动给料闸的设计进行故障寻找及确认。这些情形包括更新的设备模型在设计与运行模式下的最大的物料流速，除此之外，还包括高度粘结物料以及入口流速激增这些最不利的情形（见图6-8）。

图6模拟新型的设计在流量高峰（1228t/h）物料流动，显示速度分布，维持了可靠的流量。

图8 最不利情况下的场景特写图，显示出高度粘结物料卸载到输送机上的凝聚，运行在设计流量下（1200t/h）。即使有凝聚现象，也能维持稳定的流量。

这些情形确实显示出物料流动分离与滚筒区域前端的一小部分溢流。而对于流速相较于设计过高的情形，会在物料离开滚筒前端后看到物料的分离，如此便会导致物料流向边缘而不流经自动给料闸与输送溜槽。

仿真结果表明在一定条件下将会发生溢流，从而促使研究团队重新审视该领域的设计。研究团队判断最小流动分离是由于建立的CAD模型与实际情况有些微差别也有可能是团队在针对那些转运站能够处理的大多数复杂物料的性质时非常保守。从这些案例得到的信息有利于探索提议的设计形式的鲁棒性能。仿真结果也展现出了在正常的操作条件下预测的已有的与更新后设备相对耗损的状况（见图9-10）。除此之外，对于处理高粘结物料与流速激增现象时，提出的设计使用效果要比预期效果好，而且磨损率较低。

图9 现有给料闸门与输送溜槽的磨损情况，图中表示接触能量的切向分量。

图10 更新后自动给料闸门（10a）与输送溜槽（10b）的磨损情况。

设计的流量以及设备的检查过程设计到初步的、内在的以及客户端反复核查的重复过程。输送溜槽的设计中还提供包括3D图像以及录像功能，而且能够探索如果出现不利的情形该如何研究，与此同时还能保证操作上的鲁棒性能。

改进后的设计通过优化设备的几何模型提升了输送溜槽的性能与可靠性。通过修改自动给料闸门与装载斜槽可以减小煤流与设备之间出现的倾角进而降低物料下落产生的加速度，而且还能最小化物料堆积于磨损。

为了减少将来维护成本以及故障时间，还要在DEM仿真过程中检查输送带负荷区域中的溢流以及物料堆积等棘手的问题。

基于以上事实，赫氏公司证实了新型溜槽设计的良好性能并选择相应的配置进行生产。

赫氏公司针对输送带性能提高从而改善设备可靠性的研究使矿业公司大大获益。

BulkSim的优点

EDEM BulkSim求解方案提供了部署DEM技术在一个组织内所需的必要条件。提供的具有简单易用的EDEM软件、针对采矿工业的个性定制、外包的物料测试服务、高度优化的物料校准，DEM Solutions公司与其合作伙伴BMEA公司提供了企业范围内的、可扩展的工程求解方案能让工程师实现出众的设计。如今，赫氏公司能对更多的设计在安装前进行虚拟测试，而且还能在组织内传播仿真分析与调查结果，从而能为全球范围内的客户提供专业仿真知识，除此之外，还包括以下优势：

1.物料模型校准的安全性特征。此处，物料参数不允许非授权用户修改，从而降低无依据的DEM仿真的设计风险。

 2.从事转运站三维建模的设计者能够自信的部署DEM仿真来实现稳健的设计，通过耦合3D CAD软件与EDEM BulikSim仿真与分析在其特定的设计环境中。

信心工程

赫氏公司有着创新技术的悠久历史，赫氏公司的科技能让客户提高设备性能表现与产品水准。过去这么多年，赫氏公司将EDEM仿真技术与服务整合进项目设计中，在物料操作设备的设计上取得高度自信。

在围绕工厂启动与运行阶段设计鲁棒性、设备可靠性以及推进工厂质量、产量、性能上的提升等方面产生实质的效益。

 EDEM BulkSim求解方案的配置允许赫氏整合DEM技术进新矿井的设计以及有问题的输送溜槽的再设计而不需要建立内在的DEM仿真专门技术。

通过案例研究可以看出，DEM Solutions公司及其合作伙伴BMEA公司提供物料测试最优化物料校准技术从而确保符合要求的高质量DEM仿真结果。

 高质量的仿真结果提供给客户可靠地操作方法针对每个装运站，而这些仿真结果解释了不同的颗粒尺寸、含湿量、载重量、传送带速度等因素的影响。

仿真还有助于客户了解那些受到最大冲击与摩擦力的区域，并能比较工程上不同设计型式或者操作条件下的磨损情况。

通过整合EDEM BulkSim Solution到工艺流程中去，赫氏公司超越了输送机传统意义上的经验设计方法，并能提供最高质量的DEM仿真结果，同时能紧跟矿业工程的进度。

最终，矿井经营者能够看到通过增加运行时间、降低操作成本、延长设备寿命所带来的散状物料处理设备的最大收益，进而能够增加矿井生产能力与效益。

Brian Moore博士是澳大利亚东南中心散状物料处理方面的首席科学家，专注于散状物料处理系统与设备，已经有30年的经验。James Fuata是一名学士工程师，他的经验在于使用EDEM对带式输送机分析与输送溜槽的设计。Richard LaRoche博士是工程副总裁和DEM Solutions公司美国区总经理，是一位在工程仿真、技术支持以及工程咨询团队管理方面有着25年经验的专业咨询顾问。Stephen Cole是一名资深咨询工程师，他专注于采矿工业的DEM项目管理。Andrew Grima博士是BMEA公司的主要设计工程师，他在调用EDEM对于陆上及厂内矿石的处理设备的设计与排除方面是专家。Peter Wypych是BMEA公司的总经理，兼任伍伦贡大学机械、材料、电子工程学科的副教授。

详细信息请登录：www.dem-solutions.com; www.hatch.ca; www.uow.edu.au/eng/research/bmea。

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