基于離散元法的水平螺旋輸送機仿真模擬與分析

北京工商大學材料與機械工程學院 于瑞江 湯曉華 張玉玲

1 引言

螺旋輸送機是一種無撓性牽引物料的連續(xù)輸送設備，可以用來沿水平方向和傾斜方向或垂直（立式）方向輸送物料。螺旋輸送機被用于糧油、食品的生產(chǎn)輸送中。但目前，螺旋輸送機的設計仍是依靠經(jīng)驗公式計算，很大程度上要依靠設計者的經(jīng)驗，許多參數(shù)的選擇都是憑經(jīng)驗選取，這使得螺旋輸送機的設計相對落后，易出現(xiàn)輸送量低、功率消耗高、設備磨損嚴重以及物料堵塞破損等問題。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻得知，國外對螺旋輸送裝置的性能分析方面主要集中在利用虛擬樣機技術對機器進行動態(tài)監(jiān)控及可視化研究。本文使用仿真模擬的方法對水平螺旋輸送機進行動態(tài)仿真，探究不同填充率下對顆粒物料運動速度、顆粒及螺旋輸送機受力情況以及功率消耗的影響。

離散元法(DEM)是求解與分析復雜離散系統(tǒng)的運動規(guī)律與力學特征的一種新型非連續(xù)介質力學數(shù)值方法，它能夠仿真顆粒運動及顆粒接觸的整個動態(tài)過程，更好地研究螺旋輸送機的性能。離散元法最早由Cundall和Strack提出并應用于巖石力學的研究。在眾多機械領域中，離散元法成為一種更加高效的仿真顆粒運動的數(shù)值方法，特別是對于巖石、沙粒及顆粒類物質的處理。隨后，Yoshiyuki Shimizu、Philip J. OWEN等人前后利用DEM法對不同形狀的散粒物料在不同狀態(tài)下的螺旋輸送機內的運動情況進行模擬仿真，并把得出的結論與試驗值和經(jīng)驗值比較，結果表明他們所采取的方法是可行的[3-4]。Jigar Patel等通過分析DEM法在螺旋輸送機輸送過程仿真方面的研究現(xiàn)狀。

2 仿真模型建立

2.1 螺旋輸送機模型

本模擬仿真中用到的螺旋輸送機螺旋管直徑d1為40mm，螺距S為32mm，螺旋轉速為200r/min，輸送距離L為205mm，螺旋輸送機在EDEM中的模擬圖如圖1所示。

圖1 螺旋輸送機在EDEM中的模擬圖

2.2 顆粒模型及參數(shù)

在模擬中使用的顆粒材料為稻花香大米，模擬中采用球形顆粒代替，半徑為1.6mm，具體物料屬性如表1所示。表2為大米顆粒之間、大米顆粒與螺旋輸送機之間的物料特性。

表1 材料物料屬性

表2 物料特性

3 水平螺旋輸送機生產(chǎn)率

對于實體螺旋面的水平螺旋輸送機生產(chǎn)率為[5]：

式中：

d1——螺旋管直徑，模型中螺旋管直徑為40mm；

C——傾斜輸送修正系數(shù)，由于是水平螺旋輸送機，所以該值為1；

n——螺旋軸轉速，模擬仿真中采用200r/min的轉速；

k1——螺距和螺旋管直徑之比。

將已知量代入上式得出以下公式：

其中Q相當于EDEM軟件中的Generation Rate ，只需要更改該數(shù)值就可以模擬仿真不同填充率下的螺旋輸送機輸送情況。

4 EDEM仿真結果分析及結論

4.1 功率消耗

功率表示旋轉螺旋帶動大米顆粒運動時在單位時間內所消耗的能量，導出數(shù)據(jù)選取在螺旋軸旋轉2~3轉后螺旋輸送機達到穩(wěn)定狀態(tài)時的數(shù)據(jù)。由于螺旋輸送機轉速恒為200r/min，所以消耗功率與扭矩成正比，不同填充率下的扭矩圖如圖2所示。

圖2 不同填充率下螺旋送料器扭矩

由圖2可看出：

（1）填充率在20%~30%之間，螺旋輸送機扭矩（功率消耗）呈線性增加；

（2）填充率在30%~40%之間，螺旋輸送機扭矩（功率消耗）基本不變；

（3）當填充率過大，如在60%~80%之間，螺旋輸送機扭矩（功率消耗）急劇增大。在填充率較大時，被輸送的物料在螺旋管中的分布可近似地認為沿管的圓弧扇形分布。當螺旋軸旋轉時，實體螺旋面作用在物料的力，不僅有向前的推力（法向力），而且有圓周方向的切向力，這個圓周切向分力使物料沿圓周傾斜角度a。由于摩擦力及自重使物料沿圓弧下滑的力，平衡了螺旋面的圓周切向力。當圓周力增大時傾斜角a也增大，大到一定程度使得物料沿著圓周方向翻滾，而不沿螺旋軸方向輸送。因此，在能保證輸送量要求的情況下選用小的填充率，一般在20%~30%之間即可。

4.2 大米顆粒運動速度

螺旋輸送機轉速為200r/min時，填充率分別為20%、50%、70%時大米顆粒的平均速度如圖3所示。

圖3 不同填充率下顆粒平均速度

由圖3可以看出，20%的填充率相比于70%的填充率，大米顆粒的平均速度僅高7.6%，可見，改變填充率系數(shù)，大米顆粒的平均速度沒有多大變化。

4.3 接觸受力情況

4.3.1 大米顆粒受力

物料填充率分別為20%、50%、70%時大米顆粒間以及大米與螺旋輸送機之間的法向力和切向力變化曲線如圖4所示。

圖4 不同填充率下大米顆粒受力情況

由圖4可知：

（1）由于摩擦力及自重使物料沿圓弧下滑的力，平衡了螺旋面的圓周切向力，所以大米顆粒受到螺旋輸送機的法向力普遍大于所受切向力；

（2）在填充率為50%時，大米顆粒所受法向力和切向力是最大的；填充率為20%時，綜合受力最小。

4.3.2 螺旋輸送機受力

不同填充率下，螺旋輸送機受力情況如圖5所示：

圖5 不同填充率螺旋輸送機受力情況

由于力是相互作用的，所以在物料填充率為50%時，螺旋輸送機的受力是最大的。所以，以20%的填充率輸送單位質量的物料時螺旋輸送機螺旋面受力最小，磨損和變形等最少。

[1]P A Cundall.A computer model for simulating progressive,large scale movement in blocky rock systems[C].//In:Proc.Symp. Int.Rock Mech,1971:3-8.

[2]P A Cundall,O Strack.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Geotechnique,1979,29:266-271.

[3]Yoshiyuki Shimizu,Peter A.Cundall.DEM SIMULATIONS OF BULK HANDLING BY SCREW CONVEYORS[J].Eng Mech,2001,12(7):864-872.

[4]Philip J OWEN,Paul W.CLEARY.Screw Conveyor Performance:Comparison of Discrete Element Modelling with Laboretory Experiment[J].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO,2009(12):9-11.

[5]宋祁群.水平螺旋輸送機輸送機理的研究[J].武漢水運工程學院學報,1993(17):375-382.