基于EDEM 的糧食垂直螺旋輸送機性能分析

武照云，程洋洋，高夢媛，張穎旭，張中偉

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450001）

垂直螺旋輸送機是一種連續(xù)輸送設備，借助旋轉螺旋的推力將物料沿機槽進行輸送，被廣泛應用于采礦、 化工、 釀造、 碼頭以及建筑等工業(yè)領域。近些年，垂直螺旋輸送機憑借自身的諸多優(yōu)勢在糧食垂直提升與輸送領域逐漸成為主流裝備。 但是，垂直螺旋輸送機的設計與性能分析[1]卻是長期以來一直困擾設計人員的一大技術難題，輸送效率低與運行能耗高成為糧食垂直螺旋輸送機的突出問題。

垂直螺旋輸送機的結構參數(shù)與運行參數(shù)對其實際性能指標[2]具有很大影響，為了探明彼此之間的影響關系并優(yōu)化裝置的結構設計，學者們開展了大量的研究工作。 王東霞[3]為模擬螺旋旋轉時的各項數(shù)值建立了相關的數(shù)學模型，并在計算機中實現(xiàn)結構的優(yōu)化設計。 袁建明等[4]運用EDEM 軟件進行仿真實驗，通過后處理提取質量流率的數(shù)值結果，分析了變截面螺旋設計對輸送效率的影響。 鄭欣欣[5]運用EDEM 軟件對黃豆的輸送過程進行仿真，探究了結構參數(shù)和運行參數(shù)對傾斜式螺旋輸送機輸送能力的影響規(guī)律，并輔以正交試驗得到輸送能力最優(yōu)的參數(shù)組合，同時還研究了顆粒速度、 消耗功率的影響因素及規(guī)律。 余書豪[6]基于正交試驗表進行了仿真實驗，并建立輸送量和能量耗散的響應面模型，通過最小二乘法擬合得到相關擬合函數(shù)，再通過遺傳算法求解，得到最優(yōu)的設計參數(shù)，并對結果加以實驗驗證，證實了該方法的可行性[7]。

目前大多數(shù)研究采用模擬仿真的方法對糧食螺旋輸送機裝置進行性能分析，EDEM 軟件是目前使用最為廣泛的離散元仿真計算軟件，在糧食顆粒運動模擬方面發(fā)揮出了重要作用[8]。 基于此，本文采用EDEM 軟件對糧食垂直螺旋輸送機的性能指標 （輸送效率、 能耗） 進行模擬計算，并探明裝置結構參數(shù)與運行參數(shù)對性能指標的影響關系，為糧食垂直螺旋輸送機的結構優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 基于EDEM 的輸送機模擬仿真實驗

1.1 建立糧食垂直螺旋輸送機的三維模型

糧食垂直螺旋輸送機裝置主要包括驅動電機、機座、 上部軸承座、 中間支撐、 下部軸承座、 螺旋體、 軸承等[9]。 該裝置的工作原理是利用旋轉的螺旋將被輸送的糧食推到筒壁上，隨著物料速度的增加，當物料的離心力大于摩擦力時便會形成一定的軸向速度，從而實現(xiàn)物料的垂直輸送。

為了準確表達糧食垂直螺旋輸送機的組成結構，本文選取三維建模軟件Creo5.0 對裝置結構進行三維建模，相關結構尺寸的參數(shù)如下： 筒壁厚6 mm、 葉片與筒壁間隙3 mm、 螺旋長度1000 mm、螺旋葉片厚度1 mm、 喂料口與筒壁底距離5 mm、筒壁上端開口直徑100 mm。

裝置建模完成后導入離散元模擬分析軟件EDEM 中，建立離散元分析模型，見第63 頁圖1。

圖1 糧食垂直螺旋輸送機離散元仿真模型

1.2 基于EDEM 的輸送機性能仿真實驗

為了更加全面地獲取輸送機各結構參數(shù)與運行參數(shù)對性能指標的影響關系，本文選取輸送機的螺距、 葉片直徑與軸徑作為裝置結構參數(shù)； 選取輸送機的運行轉速與糧食填充系數(shù)作為裝置的運行參數(shù)；選取輸送機的糧食輸送流量與運行能耗作為裝置的性能指標。 糧食的選取為谷物，其顆粒尺寸服從正態(tài)分布，具體參數(shù)設置情況見表1[10]。

表1 材料屬性參數(shù)設置

本文采用L16（45）正交試驗法進行模擬仿真實驗[11-12]。 分別設定了輸送機葉片的直徑： 160 mm，180mm，200mm，220mm； 螺距： 160 mm，180 mm，200 mm，220 mm； 軸徑： 40 mm，50 mm，60 mm，70 mm； 填充率： 20%，30%，40%，50%； 螺旋轉速： 500 r/min，600 r/min，700 r/min，800 r/min。

根據(jù)上述實驗方案，以糧食物料輸送的質量流率和能量耗散作為性能指標，通過EDEM 軟件對裝置仿真實驗中樣本區(qū)域的平均質量流率和能量耗散數(shù)值進行計算 （選取樣本區(qū)域的半徑為120 mm，高度為50 mm，樣本區(qū)域中心線與螺旋軸中心線相重合），得到仿真實驗數(shù)據(jù)，見表2。

2 構建輸送機裝置的性能指標函數(shù)

2.1 輸送量與能量耗散響應面模型建立

將表2 中的各項結構參數(shù)和運行參數(shù)作為自變量，質量流率和能量耗散作為因變量，通過數(shù)學擬合方法建立自變量與因變量之間的函數(shù)關系。 常用的方法是通過最小二乘法擬合成一次多項式函數(shù)、二次多項式函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)的形式對擬合誤差進行評價分析，進而確定最佳的函數(shù)形式。

表2 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過MATLAB 軟件數(shù)據(jù)擬合程序對表2 中的相關數(shù)據(jù)進行擬合，可以分別得到輸送機輸送量指標Q 與能量耗散指標E 的一次多項式擬合結果、 二次多項式擬合結果以及指數(shù)函數(shù)擬合結果，見式 （1）～式（6）。

2.2 擬合誤差分析

為了檢驗輸送量與能量耗散響應面模型的有效性，有必要對各擬合函數(shù)表達式進行誤差分析與評價。 將表2 中的16 組實驗數(shù)據(jù)分別代入式 （1） ～式 （6） 進行求解，對比擬合函數(shù)值與實驗結果，可得到各擬合函數(shù)表達式的平均誤差，見第64 頁表3 和表4。

表4 能量耗散E 各擬合函數(shù)的平均誤差 （%）

由表3 和表4 的平均誤差分析結果可知，輸送量Q 的一次函數(shù)擬合表達式誤差最小，能量耗散E也是一次函數(shù)擬合表達式誤差最小，因此選取式（1） 與式 （4） 分別作為輸送機輸送量指標Q 與能量耗散指標E 的響應面模型。

3 結論

本文針對糧食垂直螺旋輸送機的性能問題進行分析，通過Creo5.0 軟件建立了輸送機的三維仿真模型，并選取對性能影響較大的參數(shù)建立正交試驗表進行基于EDEM 的仿真實驗。 通過EDEM 軟件后處理模塊，提取出質量流率和能量耗散的結果數(shù)據(jù)作為性能指標，最后采取最小二乘法擬合并建立了性能指標參數(shù)的響應面模型。 實驗結果對糧食垂直螺旋輸送機的結構優(yōu)化設計具有一定指導意義。