基于EDEM的碎玻璃清洗機(jī)螺旋葉片高度優(yōu)化分析

高瑞紅

(山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

隨著提倡綠色生活成為時(shí)代的主流，廢舊玻璃的回收再利用越來(lái)越受到重視，為回收的廢舊玻璃尋找合適的利用途徑成為政府和企業(yè)的共同關(guān)注點(diǎn)。目前，碎玻璃和粉煤灰生產(chǎn)防火防水保溫泡沫玻璃是碎玻璃回收再利用的主要途徑之一，而廢舊玻璃投入再生產(chǎn)的前道工序就是破碎玻璃的清洗，有專家研究表明，碎玻璃的清潔度是影響泡沫玻璃保溫質(zhì)量的重要因素之一，因而對(duì)碎玻璃清洗機(jī)的研發(fā)具有重要意義[1]。

碎玻璃清洗機(jī)是玻璃回收利用中不可缺少的機(jī)械設(shè)備，隨著計(jì)算機(jī)和人工智能時(shí)代的到來(lái)，碎玻璃清洗機(jī)將引入自動(dòng)化智能控制技術(shù)，將極大地提高玻璃清洗機(jī)的清潔度，從而使碎玻璃清洗走向現(xiàn)代化和高效化[2]。另一方面隨著新型材料的研發(fā)，碎玻璃清洗機(jī)將走向輕量化，從而減少碎玻璃清洗機(jī)運(yùn)行所需能耗，提高碎玻璃清洗機(jī)整機(jī)工作效率。為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)備較高效率工作的需求，本文借助于仿真計(jì)算軟件EDEM對(duì)碎玻璃清洗機(jī)螺旋葉片高度進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 碎玻璃清洗機(jī)

目前市場(chǎng)中已經(jīng)擁有各種各樣的碎玻璃清洗機(jī)，本文針對(duì)內(nèi)壁自帶螺旋葉片的圓筒式碎玻璃清洗機(jī)進(jìn)行研究，其主要由電動(dòng)機(jī)、帶傳動(dòng)、減速器、鏈傳動(dòng)、筒體、筒體內(nèi)螺旋葉片構(gòu)成，影響碎玻璃清洗機(jī)效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)主要是螺旋葉片的高度以及螺旋螺距的大小[3]。這種結(jié)構(gòu)的碎玻璃清洗機(jī)開始工作后，利用碎玻璃物料、筒體內(nèi)壁以及螺旋葉片間三者之間的相互摩擦作用，碎玻璃物料被螺旋葉片抬高，碎玻璃物料顆粒又因地心引力的影響沿螺旋葉片向下瀉落，就此碎玻璃物料完成軸向前移。此碎玻璃清洗機(jī)除擁有螺旋輸送的所有特點(diǎn)之外，還擁有無(wú)中心軸的優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文依據(jù)碎玻璃清洗機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，借助于三維建模軟件Solidworks完成其筒體部分的虛擬三維模型建立。其三維模型剖面如圖1所示。

圖1 筒體部分三維模型剖面圖

2 碎玻璃清洗機(jī)葉片有限元分析

本文主要是針對(duì)碎玻璃清洗機(jī)筒體部分葉片的應(yīng)力集中問題進(jìn)行研究。將建好的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析。

為了更真實(shí)地將筒體部分的實(shí)際工作狀態(tài)模擬到有限元仿真中，在模型中心建立參考系，約束筒體旋轉(zhuǎn)和筒體進(jìn)口端以外的所有自由度，筒體的旋轉(zhuǎn)是由進(jìn)料口處安裝的齒輪通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)，因筒體進(jìn)料口受齒輪和鏈條的重力作用，給筒體進(jìn)料口處施加F=1200N的力，方向?yàn)閆軸負(fù)方向；此外筒體在承載時(shí)還受到物料重力和清洗水的作用，因此在筒體的最低處施加F=20000N的力，方向?yàn)閆軸負(fù)方向，在ANSYS中進(jìn)行有限元模型的顯式動(dòng)力學(xué)求解[5]。

保存并打開有限元分析結(jié)果文件，選取等效應(yīng)力求解分析結(jié)果，螺旋葉片的應(yīng)力云圖如圖2所示。從圖中可以看出最大等效應(yīng)力發(fā)生在碎玻璃清洗機(jī)筒體螺旋葉片的底部，最大為8.0087MPa。

圖2 螺旋葉片應(yīng)力圖

從分析結(jié)果來(lái)看，螺旋葉片的應(yīng)力集中點(diǎn)分布在葉片的根部，因而在實(shí)際設(shè)計(jì)及加工制造中，為提高碎玻璃清洗機(jī)的使用壽命及葉片強(qiáng)度應(yīng)對(duì)葉片根部位置加固或者使用強(qiáng)度較高的材料。

3 不同螺旋葉片高度仿真分析

為研究碎玻璃清洗機(jī)螺旋葉片高度與碎玻璃顆粒運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，即在除螺旋葉片高度外，其他條件相同時(shí)碎玻璃清洗機(jī)的效率。本文在葉片螺距、轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量等參數(shù)均不變的情況下，選取了五組不同的螺旋葉片高度來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，葉片高度分別為120 mm、160 mm、185 mm、210 mm、250 mm。正常工作時(shí)，EDEM仿真所提取的筒體中碎玻璃物料的重量隨時(shí)間的變化仿真結(jié)果如圖3所示，碎玻璃物料的進(jìn)料速度為5kg/s。

從圖3仿真結(jié)果分析可得，在時(shí)間為零的時(shí)刻，不論碎玻璃清洗機(jī)筒體內(nèi)螺旋葉片的高度取何值，筒體內(nèi)碎玻璃物料的重量均為零，這是由于仿真前定義系統(tǒng)中沒有添加碎玻璃物料。從開始之后，系統(tǒng)內(nèi)的總質(zhì)量隨仿真時(shí)間的增加不斷增加。通過觀察圖3仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)：從0 s～30 s時(shí)，五幅仿真圖的曲線軌跡非常接近，均呈線性遞增。這是因?yàn)樵? s～30 s時(shí)間段內(nèi)，碎玻璃物料從進(jìn)料口被送入后經(jīng)螺旋葉片傳輸還未到達(dá)出料口。從30 s之后，曲線開始發(fā)生改變，對(duì)比葉片高度為120 mm的圖和葉片高度為250 mm的圖，可以看出，從30 s開始到40 s結(jié)束，系統(tǒng)內(nèi)物料質(zhì)量依舊保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增加速度逐漸變緩。這是因?yàn)?0 s后，出料口開始出料，但進(jìn)料速度大于出料速度；對(duì)比葉片高度160 mm的圖、葉片高度185 mm的圖和葉片高度210 mm的圖，可以看出從30 s之后，仿真系統(tǒng)內(nèi)物料的質(zhì)量開始遞減，這是由于進(jìn)料速度小于出料速度。此外從圖中還可看出，曲線存在一些微小波動(dòng)，是因?yàn)樗椴Ａ逑礄C(jī)筒體旋轉(zhuǎn)一周螺旋葉片推出物料量不恒定。

圖3 不同葉片高度下系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

綜合分析上述五種不同螺旋葉片高度下質(zhì)量隨時(shí)間的變化仿真結(jié)果，可以看出螺旋葉片的高度變化主要影響碎玻璃清洗機(jī)的出料速度。螺旋葉片的高度太大或太小均不利于將碎玻璃物料輸送出筒體，而且容易造成碎玻璃在出口處堵塞。因此，在碎玻璃清洗機(jī)葉片高度的設(shè)計(jì)中，螺旋葉片高度應(yīng)設(shè)計(jì)在160 mm～210 mm之間。綜合考慮選取適當(dāng)?shù)娜~片高度尺寸，一方面可以有效防止物料在出料口的堵塞，另一方面可減少材料的使用，減輕設(shè)備重量，節(jié)約成本。

4 結(jié)語(yǔ)

以碎玻璃清洗機(jī)螺旋葉片為研究對(duì)象，建立了其筒體部分的三維模型，并對(duì)其葉片進(jìn)行有限元分析。在EDEM中模擬了不同葉片高度下的仿真試驗(yàn)，分析得到如下結(jié)論：

1) 有限元分析獲得的螺旋葉片最大等效應(yīng)力位于葉片的底部，為提高葉片的使用壽命提供了參考依據(jù)。

2) 由不同葉片高度下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得，葉片高度過大或者過小均不利于碎玻璃物料的出料，最適合高度在160 mm～210 mm之間，為碎玻璃清洗機(jī)螺旋葉片高度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的參考依據(jù)。