快速定量装车站平板闸门强度分析_王洪磊

*天地科技股份有限公司研发项目（KJ-2013-TDGX-04）

引言

快速定量装车站作为一种高效率、高精度的自动计量装车系统，有效地提高了煤炭装车外运的速度、计量准确度和自动化水平，越来越受到煤矿、港口等企业的青睐，已成为大型矿井装车系统的首选。平板闸门是装车系统正常运行的关键部件，其结构强度是否满足要求直接影响装车效率和装车精度。目前，针对散体料仓平板闸门的设计计算多采用经验公式和有限元计算相结合的方式，利用经验公式对平板闸门所处工况环境下闸板承受载荷进行简化计算，将获得的计算结果作为有限元计算的边界条件输入到计算模型中求解，进而完成平板闸门的强度校核。由于经验公式通常是在理想条件下获得的，其应用范围有一定的局限性，计算结果误差较大。考虑装车站平板闸门所受实际载荷与煤炭物料在料仓内的流动及堆积状态密切相关，本文将离散单元法引入到平板闸门设计计算中，利用散体物料堆积模型获得平板闸门在满载时闸板的受力状态，进而对闸门结构进行强度校核，为平板闸门的设计改进提供依据。

1装车站平板闸门工作原理

装车站系统用的平板闸门位于称重仓体的下

部，主要结构由闸门外框架、闸板、滚轮滚针轴承、油缸4部分构成（如图1所示）。

闸门工作时，通过固定在框架两侧的单活塞杆油缸的伸缩来实现闸板在框架内部的往复运动。正常状态下，油缸活塞杆保持伸出，两侧闸板支撑于滚轮之上，交错平行呈闭合状态。当卸料时，活塞杆缩回，闸门开启，上方物料自然下落实现物料装车。

由装车站平板闸门工作原理可知，闸门所受外力主要来自上部煤仓中煤的重力，由于煤炭物料成散体特征，闸门上方堆积物料产生的载荷很难直接计算获得，利用经验公式近似计算误差较大，为此可利用离散单元法建立闸板上方物料的堆积模型，通过求解计算获得闸板上的准确载荷分布。

图1

平板闸门结构示意图

2煤炭物料堆积模型

离散单元法（Discrete Element Method ，简称DEM ）是上世纪70年代由Cundall 教授提出的，它的基本原理是将散体看作具有一定形状和质量的离散质元集合，根据牛顿第二定律建立每个质元的运动方程，利用动态松驰法迭代求解，从而获得散体的整体运动性态。当各个质元之间的平均不平衡力趋于零时，散体呈现出稳定堆积状态。

其动力学方程

M i =d v i =Σf ji c +f i e +b i

I i d ωi d t

=Σf ji cs r ij +M i θ+M i e

式中

M i ———

单元i 的质量；v t ———

单元i 质心的速度矢量；f ji c ——与单元i “接触”的某单元j 对单元i

的“接触力”，它可以分解成i 与j 间接触线（面）的法向力f ji cn 和切向力f ji cs 之和，即f ji c =f ji cn +f ji cs ；

doi:10.13301/ki.ct.2014.10.076

快速定量装车站平板闸门强度分析*

王洪磊，宫

健，王

磊

（天地科技股份有限公司，北京100013）

摘要：针对快速定量装车系统普遍使用的平板闸门，利用离散单元法建立平板闸门工作时料仓内的物料堆积模型并获得闸板所受载荷大小，在有限元工具中进行建模加载，得出平板闸门在满载状态下闸板的受力变化，为装车站平板闸门设计加工提供依据。

关键词：平板闸门；离散单元法；有限元；应力分析中图分类号：TD 562.1；TD54文献标志码：A 文章编号：1008－8725（2014）10－0196－03

Intensity Analysis of Rapid Quantitative Loading Station Plate Gate

WANG Hong-lei ，GONG Jian ，WANG Lei

（Tiandi Science and Technology Company Ltd.,Beijing 100013,China ）

Abstract ：Based on the discrete element method,material accumulation model of the plate gate is built and the load of the gate board is obtained.Loading the results into the finite element modeling tools and the board stress change of the plate gate can be analyzed,and also the improvement of the plate gate structure will be provided for the designer.

Key words ：plate gate;discrete element method;finite element;stress analysis 煤炭技术

Coal Technology

Vol.33No.10Oct.2014

第33卷第10期2014年10月

F 1F 1F 1F 1F 1F 1F 1F 1F 1F 1F 1F 1

F 2

F 2

196

f i c——

—单元i所受的其他外力；

b i——

—单元i的体力；

I i——

—单元i的转动惯量；

ωi——

—单元i的角速度；

r ij——

—单元i作用于单元j的作用点到j形

心的距离；

M iθ——

—旋转弹簧产生的力矩；

M i e——

—外力矩。

以离散单元法为理论基础，利用离散元建模工具生成平板闸门上方煤炭物料堆积模型的具体方法如下：

（1）对平板闸门及其上方的料仓结构进行简化，将与煤炭物料发生接触的壁面提取出来形成煤炭物料堆积时的外围壁板，并根据实际壁板材料属性设置墙板的摩擦系数、法向刚度和切向刚度大小如表1、表2所示。

表1材料属性表

表2材料间接触属性表

（2）利用离散元程序在料仓内生成煤炭物料颗粒，颗粒的粒径大小、物性参数以及分布规律根据装车系统所在工作矿区的常见的煤炭物料特征进行设定，图2所示的是50t平均粒径为50mm的块煤在料仓内的堆积形态。

图2平板闸门简化及颗粒生成示意图

（3）在完成平板闸门上方料仓的颗粒生成之后，利用离散元计算工具对堆积颗粒进行求解计算，当颗粒之间的平均不平衡力趋于零时，获得闸板所受载荷大小如图3所示，闸板受到的平均载荷为92.3kN，这比利用经验公式获得的计算结果更符合实际情况。

图3闸板平均受力3平板闸门强度校核

在完成平板闸门上方物料堆积模型建立，获得闸板平均载荷的基础上，可借助有限元算法对闸门结构的强度进行校核分析，具体过程如下：

（1）几何建模

在建立平板闸门本体结构的有限元模型前，需要首先利用CAD工具建立平板闸门结构的三维几何模型，并保存为有限元建模工具可导入的通用格式，建模内容主要包括闸门外框架、闸板、加强肋等承载受力部件。

图4闸门几何模型

（2）网格划分

将建立好的平板闸门三维几何模型导入到有限元前处理软件HyperMesh中，并对导入的几何模型进行几何清理和简化，删除不重要的定位孔、过渡圆角等。根据模型实际尺寸大小采用合理边长的四边形和三角形Shell单元对平板闸门的外框架、闸板、加强筋进行网格划分。在网格划分时要尽可能保证单元形状规则，避免单元长短边比值过大以及某个内角太大或者太小；各个零部件之间的焊接部分通常可采用刚性单元进行连接，网格划分结果如图5所示。

图5闸门框架结构网格划分结果

（3）边界条件设定及施加载荷

根据平板闸门实际所用材料的特性，设置模型材料的密度、泊松比、弹性模量等参数并将其与零部件一一对应。将利用物料堆积模型获得的闸板载荷导入到有限元模型中，并根据闸门安装位置添加约束如图6所示。

图6闸门约束和荷载

针对建立好的有限元模型求解计算可获得闸门框架结构的变形和应力分布如图7、图8所示。根

材料煤-钢恢复系数

0.5

静摩擦系数

0.4

动摩擦系数

0.05

材料煤炭

泊松比

0.28

剪切模量/GPa

1.98

密度/kg·m-3

1

600

力

/

k

N

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0012345

时间

/s

197