0 引 言

翻板分料器为皮带运输系统的配套设备，广泛应用于焦化、电厂、采矿等物料运送系统中[1]，是连接皮带机与料斗、皮带机与皮带机之间的中转站。根据生产需要和程序的控制，通过三通分料器的摆动翻板装置实现物料走向的改变，达到满足生产工艺的需要[2]。摆动翻板装置安装在三通分料器的分料岔口，当翻板处于右边位置时，皮带机运送过来的炉料对左边的料斗进行装料，反之，对右边的料斗进行装料。由于三通分料器及摆动翻板的工作环境非常恶劣，长期受到从皮带机头部下来的炉料(落差通常为1～2 m)冲刷，磨损非常严重，易被物料冲刷磨穿，严重影响生产安全及生产效率[3]。

目前对三通翻板分料器采取的长寿化措施主要有2种：一是通常从材质入手，选用抗冲击及耐磨材料如高铬铸铁等，或者采用合金堆焊方法强化三通分料器内腔及摆动翻板的抗冲击及耐磨性能[4-5]；二是有研究者开始尝试对摆动翻板的结构进行改进，提出用料打料的方式对摆动翻板进行保护，例如在摆动翻板正反两面设置矩形或菱形栅格[6-7]。设计料打料的目的是在分料过程中，摆动翻板的特殊结构促使在料流冲击区下，形成料垫，料流直接冲击在料垫上，由于料垫的缓冲作用，使摆动翻板本体所受的冲击力大大减小。但在料流的冲击下，摆动翻板冲击区料垫的形成不但和翻板的结构有关，而且还和料流的冲击速度、料流颗粒的形状、料流颗粒的弹性模量、泊松比、料流颗粒之间的摩擦系数等有关，料垫的形成是一个复杂的动力学过程[8]。

虽然已有研究者对摆动翻板的结构进行改进，但对改进后的积料效果、料流对摆动翻板的冲击力、以及靠近翻板壁面的物料流动速度与改进前的量化对比分析研究却少有报道。本文依据物料的安息角原理，对摆动翻板的结构进行改进，设计出趋于形成料垫的阶梯型摆动翻板，并在此基础上，采用三维离散元软件EDEM验证所设计的摆动翻板的料垫形成情况，揭示料垫形成机制。对普通摆动翻板和阶梯型摆动翻板进行离散元对比模拟，量化摆动翻板所受的料流冲击力、近壁面颗粒的滑动速度等。最后，通过试验证明了阶梯型摆动翻板具有很好的抗冲击性和耐磨性，是一种延长三通翻板分料器寿命的有效方法。

水力喷射泵是通过地面增压泵将动力液加压，高压动力液沿井下油管输送至井下喷嘴，通过喷嘴将压能转换成动能并在喷嘴后形成低压区。期间动力液与油层产出液在喉管中混合，经扩散管将动能转换成压能，利用压能将混合液举升到地面［1］。

1 摆动翻板结构设计

如图1所示为摆动翻板的立体结构示意，由于摆动翻板具有对称性，故图1仅为实际摆动翻板的一半，其中图1(a)为普通摆动翻板，图1(b)为新设计的阶梯型摆动翻板。在工作过程中，物料从传送带上流出，在重力的作用下撞击在摆动翻板上，在使用过程中为了防止堵料，通常使θ1>θs(θs为物料的内摩擦角)，因此，由粉体力学中力的形式的库仑定律

红一、四方面军川西北会师后，针对西北地区民族构成特点，中共中央专门制定《关于少数民族中党的基本方针》，提出“争取少数民族在中国共产党领导下对于中国革命胜利前途有决定的意义。”红军进入甘南藏区，面临粮食奇缺的巨大困难，红军坚持执行严格的军纪，不仅逐渐取得沿途藏族群众的理解，而且还得到当地少数民族的支持援助。卓尼土司杨积庆为红军北上让出通道，“将曹日仓的麦粮暗中开放接济了过境的红军。当时这个仓设两个仓库，共装小麦四、五十万斤。红军走后，一个仓库内的粮食全部吃用完，另一个仓库里用去了多半仓。”[5]P141就是中国共产党领导红军执行民族政策的典型事例。

F=μcN，

(1)

根据以上参数设定，分别对普通摆动翻板三通分料器以及阶梯型摆动翻板三通分料器的工作过程进行了模拟仿真。仿真结果如图3所示，图3(a)为阶梯型摆动翻板在t=5 s时的积料情况，图3(b)为普通翻板在同一时刻的积料情况。对比图3(a)，(b)可以看出，阶梯型摆动翻板在工作过程中，在冲击区下方有积料，形成了料垫，且其料垫厚度明显比普通摆动翻板要大。

 

针对上述普通摆动翻板的不足，设计了如图1(b)所示的阶梯型摆动翻板，在三通翻板分料器开始工作后，部分物料散落在阶梯型摆动翻板的水平面上，在水平面上形成料垫，由图1(b)可以看出，随着水平面上料垫的积累，逐渐使θ2<θs，由式(1)可知，后散落的物料不会立即流走，而是堆积在原有的物料上，最终形成如图1(b)所示的积料，形成一层料垫，后散落的物料流直接冲击在料垫上，由于料垫的缓冲作用，使摆动翻板所受的冲击力大为减小。因此，此设计有利于摆动翻板的长寿化。

2 三通分料器工作过程的离散元验证

2.1 三通分料器的主要失效形式

在三通分料器工作过程中，其主要失效形式为摆动翻板料流冲击区被击穿或磨损2种形式[9]。摆动翻板被击穿的过程描述如下：在强大的料流冲击力下及近壁面物料颗粒同料流冲击区底板剧烈摩擦下，冲击区底板被逐渐磨薄，最后在冲击力作用下，底板被击穿。而击穿破坏主要是由料流冲击力过大造成的，料流冲击力不但和摆动翻板冲击区料垫厚度有关，而且还和料流的冲击速度、料流颗粒的形状、料流颗粒的弹性模量、泊松比、料流颗粒之间的摩擦系数等有关，因此，冲击力的计算是一复杂的力学计算过程[10]。冲击力计算拟由离散元模拟确定。对于料流对摆动翻板的磨损，由干摩擦理论及Preston经验公式(式(2))可知，磨损与摆动翻板所受的冲击力和近壁面物料的流动速度有关[11]，其关系式为

R=KPV，

(2)

为了定量分析冲击区物料颗粒与摆动翻板的接触速度，图6给出了冲击区底层颗粒的平均速度变化曲线，其数据统计区与图3所给出的数据统计区一致。从图6可以看出，阶梯型摆动翻板底层颗粒的速度增幅远小于普通摆动翻板的速度增幅，且在整个模拟过程中，阶梯型摆动翻板底层颗粒的平均速度均值仅为普通摆动翻板的15.2%左右。这进一步说明阶梯型摆动翻板不仅具有良好的抗冲击能力，而且还具有优良的抗磨损能力，从而可以大幅延长使用寿命。

北极地区的俄罗斯和挪威有原油出口的意向[7]，因此选择摩尔曼斯克港(有扩建计划)作为原油的输出港，选择中国典型港口宁波港作为原油的输入港，比较东北航线与北极—苏伊士航线的经济性。

2.2 离散元模型构建及参数设定

由于摆动翻板抗冲击抗磨损的关键在于是否具有良好的积料效果及形成料垫，故选取最难积料的(球形)球团矿作为模拟颗粒。为了与真实情况更相符合，设置球团矿的颗粒半径R在20～30 mm间随机生成，球团矿颗粒产生的速度为3 000个/s，总时间设置为10 s。球团矿颗粒和摆动翻板模型的物性参数如表1所示，球团矿颗粒与球团矿颗粒、球团矿颗粒与摆动翻板的接触属性如表2所示。

 

为了验证阶梯型摆动翻板的耐磨性，分别对阶梯型摆动翻板和普通摆动翻板进行离散元对比模拟研究，其中阶梯型摆动翻板的模型如图2(a)所示，普通摆动翻板模型如图2(b)所示，模拟时除摆动翻板结构外，两几何模型的初始条件均相同。

冬季皮肤干燥是发生瘙痒症的主要原因。瘙痒的人都喜欢用热水烫，但烫后皮肤的油脂膜被破坏了，皮肤就会更干、更痒，原有的炎症也会加重。提醒大家，没有一种皮肤病是烫好的！洗澡次数不要过频，水温最好在37℃以下，应选择中性或油性的护肤浴皂，尽量不要用力搓擦。养成使用皮肤保湿剂的习惯非常重要，可定期或在洗浴后全身涂抹具有保湿功能的护肤霜。

 

表1 炉料和摆动翻板模型的物性参数

 

Tab.1 Physical parameters of burden and model

  

材料泊松比剪切模量/Pa实体密度/(kg·m-3)摆动翻板0.307.9×10107 850球团矿0.251.4×10104 800

 

表2 炉料与模型的接触属性

 

Tab.2 Contact properties of burden and model

  

材料恢复系数静摩擦系数动摩擦系数球团矿-球团矿0.50.60.05球团矿-摆动翻板0.50.40.05

3 离散元验证结果

3.1 积料效果的验证

其中，μc=tan θs，可得，当θ1>θs时物料沿着斜面滚下，由于物料与翻板的夹角θ3始终与θ1相等，普通摆动翻板在工作过程中几乎没有积料，不能形成料垫，物料直接撞击在摆动翻板表面，因此，撞击力很大，对摆动翻板的寿命造成严重危害。

 

3.2 冲击力的验证

在三通分料器工作过程中，摆动翻板的磨损不仅与物料颗粒的冲击力有关，而且还和物料颗粒与摆动翻板的干摩擦行为有密切的关系。根据干摩擦理论，金属材料的磨损率几乎都随着与其接触物体的压力和速度的增大而增大[14]。图5为三通分料器物料颗粒的速度流线图，其中图5(a)，5(b)分别为阶梯型摆动翻板和普通摆动翻板物料颗粒的速度流线图，可以清晰地看出摆动翻板在仿真过程中物料颗粒的轨迹和速度分布。由图5可知，阶梯型摆动翻板表面物料的流动速度明显较普通摆动翻板低，这说明阶梯型摆动翻板冲击区的底层颗粒在其上层物料的缓冲和颗粒间的摩擦作用下，速度大幅减小，仅在其原有位置小幅蠕动，物料颗粒仅在料层的上部形成料流，形成了明显的“料磨料”的效果，因此，物料颗粒对阶梯型摆动翻板的磨损大为降低。

 

3.3 近壁面物料颗粒流动速度的验证

三通分料器在工作过程中，物料由传送带输送至摆动翻板上方后经自由落体运动撞击在摆动翻板上，将会对摆动翻板产生较大的冲击，冲击力的大小是影响三通分料器摆动翻板寿命最主要因素，而摆动翻板冲击区所受的冲击力最大。图4为摆动翻板所受冲击力的变化曲线，其数据统计区为图3中选择框所选区域，该区域上部到摆动翻板上表面的距离仅允许单层炉料颗粒通过，故可精准提取出与摆动翻板接触颗粒的冲击力数据。由图4可知，在下料的初始阶段，2种摆动翻板都受到一个较大的冲击峰值，但阶梯型摆动翻板所受的冲击力随后迅速减小并趋于稳定，而普通摆动翻板则无明显下降趋势且力的变化幅度很大。出现上述现象的原因是，对于阶梯型摆动翻板，初始下落颗粒的冲击力会直接作用在摆动翻板上，造成较大的冲击，而后续下落的颗粒则会落在先前下落颗粒形成的料垫上，形成明显的“料打料”效果。而在颗粒系统中，颗粒间的作用力靠力链结构进行传递，且力链结构在力的传播过程中具有显著的时间效应,可将瞬时局部冲击力进行空间扩展和时间延长，进而将局部冲击载荷变为均布载荷并降低冲击强度[12-13]。同时，由于颗粒的非弹性碰撞和滑动摩擦引起的能量耗散以及颗粒飞溅引起的能量重新分配，导致下落颗粒的冲击强度进一步减弱，最终使得阶梯型摆动翻板的底板所受的冲击力大幅减小。而普通摆动翻板在下料的过程中未能形成料垫，因此，平均冲击力无明显下降趋势且力的变化幅度很大。在0～10 s的过程中，每隔0.02 s分别记录2种摆动翻板所受的冲击力均值，根据记录结果可知，阶梯型摆动翻板所受冲击力均值仅为普通摆动翻板的17.5%左右。

 

式中：R为摆动翻板的磨损去除量，mg；K为与加工条件相关的比例常数；P为颗粒作用在摆动翻板上的平均接触压力，N；V为近壁面物料与摆动翻板之间的相对运动速度，mm/s。

 

3.4 试验验证

某炼钢企业采用的是某环保设备有限公司生产的正三通翻板分料器，其型号为DSF-100A(B)45型，设备的主要参数如下:进料口和两出料口的口径均为800 mm×800 mm；左或右出料口中心轴线与水平面的夹角为45°；设备的总宽度为1 000 mm。该分料器摆动翻板的材质为耐磨钢板，但在公司投产5个月后发现，20 mm厚的耐磨钢板制作的三通分料器摆动翻板在料流冲击区部分就磨损掉了15 mm，对其而改装后使用本文所设计的阶梯型摆动翻板，使用5个月后进行测量，磨损量不足5 mm。因此，此设计是合理有效的，能够有效延长摆动翻板的使用周期，降低设备维修成本，提高生产效率。

(1)阶梯型摆动翻板可以产生良好的积料效果，形成料垫，并由此形成显著的“料打料”和 “料磨料”的有益效果，进而大幅提升摆动翻板的抗冲击及耐磨损性能，最终实现三通翻板分料器的长寿化。

4 结 论

由图3可知，卤汁1在复卤过程中亚硝酸盐含量最高为0.70 mg/kg，卤汁2在复卤过程中亚硝酸盐含量最高为0.96 mg/kg，均小于1 mg/kg。根据GB 5009.33—2016规定测定值小于1mg/kg的数值视为未检出，卤汁1，卤汁2中亚硝酸盐含量均不存在安全风险。

(2)经离散元模拟可知，阶梯型摆动翻板所受的冲击力仅为普通摆动翻板的17.5%左右。

(3)经离散元模拟可知，阶梯型摆动翻板近壁面物料颗粒流动速度仅为普通摆动翻板的15.2%左右。

(4)经工厂实际验证，阶梯型摆动翻板设计合理，能够有效延长摆动翻板的使用寿命，是提高三通翻板分料器使用周期的有效方法。

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