煤礦廠通常需要將物料從地下或低洼處輸送至高處，煤炭的運輸是煤礦生產的重要環節，對于帶式輸送機極限傾角的研究有助于優化傾斜輸送系統。如果可以在更大傾角下進行穩定輸送，就能夠在有限的空間中實現較長距離的物料輸送，降低設備的空間需求。

在皮帶機傳送帶系統設計中，帶速、傾角與輸運量是關鍵設計參數。本報告利用EDEM離散元仿真軟件，模擬不同皮帶機傳送帶工況下的極限傾角，以探討輸運量和帶速與極限傾角之間的關系。對這些參數進行詳細分析有助于確定最優的傳送帶設計，從而保證安全、穩定和高效的運行，對于提高生產效率、降低能源消耗具有重要意義。

仿真方案

皮帶機的輸運量涉及到整個輸運系統的效率，是評估皮帶機的一個重要指標。EDEM對于需要考慮傾角的皮帶機而言，確定其極限傾角很重要。因為在超過極限傾角的情況下，物料可能會集中在某些區域，導致堆積、堵塞，甚至引發機械故障。當物料滑動或掉落時，不僅影響生產效率，還可能危及操作人員的安全。

本案例主要從以下兩個方面切入，對皮帶機的極限傾角展開分析：

? 固定帶速，探究輸運量與極限傾角的關系

?固定輸運量，探究帶速與極限傾角的關系

仿真所使用的皮帶機傳送帶由兩段組成，帶寬1m，運料：原煤，顆粒粒徑為60mm呈正態分布。物料以一定速度從高處落下到水平段傳送帶，隨著皮帶輸運到帶有傾角的傳送帶后，沿著皮帶向上輸運。

圖1：皮帶機幾何模型及EDEM仿真物料輸運過程

仿真結果分析

■極限傾角

極限傾角（或稱最大傾角、臨界傾角）的定義是：在物料通過傾斜傳送帶時，物料能夠穩定輸送而不發生滑動或滾落的最大傾斜角度。

在EDEM中，通過在皮帶機傳送帶的水平段和傾斜段添加軟件虛擬質量流量傳感器，獲取運輸過程的質量流量數據，并通過速度著色，觀察物料的速度變化。

圖2：EDEM獲取質量流量數據和物料速度信息

以1250t/h的輸運量為例，圖3顯示了傾角分別為19°和20°時，穩定輸運時間內水平段和傾斜段的質量流量數據。

根據仿真結果可知：傾角為20°時，物料速度變慢，傾斜段的質量流量明顯小于水平段，物料出現堆積，影響輸送效率。當物料堆積到一定程度時，將出現大面積撒料，進而造成損失。

因此，該工況下的極限傾角值為19°。

圖3：不同傾斜段質量流量數據

■輸運量與極限傾角的關系

該案例在固定帶速2.5m/s下，通過仿真逐步增加輸運量，觀察極限傾角的變化，得到輸運量與極限傾角之間的關系如圖4所示：

隨著傳送帶輸運量的增大，極限傾角越小。

換言之隨著傾角的增加，傳送帶的輸運量逐漸降低。這是因為隨著傾角的增大，顆粒在傳送帶上的重力分量增大，導致物料堆積不穩定和滑動。

通過進一步分析，多點擬合，可獲得不同物料的輸運量-極限傾角的函數關系式。

圖4：EDEM仿真獲得輸運量與極限傾角的關系

■帶速與極限傾角的關系

除了輸運量，帶速也是影響極限傾角的一個重要參數，為了探究不同帶速對極限傾角的影響，在固定輸運量為2000t/h的工況下提高帶速，計算其極限傾角的變化，得到帶速與極限傾角的關系。

仿真結果如圖5所示：物料傾倒在水平段傳送帶再輸送至傾斜段，隨著帶速的增加，極限傾角也會隨之增大，但其增幅在減小。

這是因為隨著傳送帶速度的增加，物料的慣性力增加，如果傳送帶傾角過大，物料可能會在帶速快時失去穩定性，容易發生打滑。

圖5：EDEM仿真獲得帶速與極限傾角的關系

此外，若物料直接傾倒在傾斜段上，會導致物料一開始就受到向下滑動的分力，在傾斜段上有下滑的趨勢，如果傾角較大，會使得該現象更明顯。這時增加皮帶的帶速則會使物料容易發生打滑，導致極限傾角減小。且該現象還與物料和傳送帶的接觸特性相關，還需做進一步探討。

總結

1、傳送帶的極限傾角與輸運量之間存在明顯的負相關：隨著輸運量的增加，極限傾角逐漸下降。且極限傾角與物料特性有較大關系，基于EDEM離散元仿真，能夠研究不同物料下輸運量和極限傾角的關系；

2、傳送帶的極限傾角也會受到帶速的影響：隨著帶速的增加，雖然能增大極限傾角但是其增幅是有限的，說明帶速會影響極限傾角但是不能決定極限傾角。且物料從水平段穩定進入傾斜段，和物料直接傾倒在傾斜段上，對極限傾角的影響也有所差異；

3、此外，將EDEM與HyperStudy相結合，能夠獲得目標輸運量下帶速、帶寬、傾角等多個設計變量的最佳組合值，從而加快優化設計過程；

4、若是考慮空間限制，可進一步研究壓緊力與傾角的關系。

通過合理設計傳送帶的傾角，可以減少物料滑移的能量損失，從而降低系統的能耗，并延長傳送帶的使用壽命，減少設備的維修和更換費用。在不同物料和環境條件下，極限傾角的研究可以為工程設計提供依據，使輸送系統在實際應用中更加高效和經濟。