基于EDEM 的滾筒烘絲過程物料運動行為研究

查蕾蕾，黃亞宇，杜林昕

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

EDEM 軟件是世界上第一個基于離散單元法及現(xiàn)代化離散元模型設(shè)計的通用CAE 軟件，該軟件主要用于對工業(yè)生產(chǎn)中顆粒系統(tǒng)的仿真模擬及仿真結(jié)果的后處理分析[1]。EDEM 軟件主要由前處理工具Creator、處理器Simulator、后處理工具Analyst三部分組成。通過Creator 工具導(dǎo)入三維模型或者根據(jù)顆粒的模型物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)建立模型；Simulator 工具用于設(shè)置顆粒參數(shù)，進而仿真模擬顆?；蝾w粒群的運動過程；Analyst 工具可以對單個顆?；蛄Ｈ旱姆抡娼Y(jié)果進行多方面分析，例如溫度、速度等[2-3]。離散元法是美國教授CUNDALL于1971 年首先提出，用于處理解決非連續(xù)性介質(zhì)問題，通過時間步長迭代求解出每一個顆粒的運動狀態(tài)，離散元法特別適用于求解非線性問題[4-5]。

在煙葉制絲烘絲工藝中，煙絲物料的運動情況為典型的非線性問題，由于在實際生產(chǎn)加工過程中無法觀察到密閉滾筒內(nèi)煙絲物料的運動情況，只能間接通過控制單因素指標(biāo)等方法實現(xiàn)烘絲設(shè)備的調(diào)整[6]。為了實現(xiàn)對密閉烘絲滾筒的可視化，提高烘絲過程的工藝質(zhì)量，本文利用離散元軟件EDEM對物料在滾筒中的運動行為進行模擬仿真，高度還原真實的煙葉烘絲工藝過程。

1 建模及仿真方法

1.1 加料設(shè)備建模

本文以云南省某卷煙廠制絲烘絲設(shè)備為研究對象，對該生產(chǎn)該設(shè)備進行尺寸規(guī)格測量后采用NX12.0 軟件進行建模。

1.2 煙絲離散元模型建立

為建立更真實的煙絲模型，隨機抽取烘絲設(shè)備中的煙絲反復(fù)測量，得煙絲厚度均值為0.15 mm（煙梗忽略不計）。利用煙絲結(jié)構(gòu)測定裝置對隨機采樣的煙絲進行結(jié)構(gòu)測定，統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 煙絲大小及分布情況Tab.1 Size and distribution of shredded tobacco

由表1 可知，根據(jù)煙絲大小長度分布規(guī)律，按比例進行煙絲顆粒模型創(chuàng)建。為使煙絲仿真更加接近真實結(jié)果，將煙絲模型假設(shè)為由多個小顆粒粘接而成，通過粘接顆粒之間的摩擦力、剪切力與剪切模量等來描述煙絲的柔性、粘性等物理參數(shù)，創(chuàng)建離散化煙絲模型[7]。

在使用EDEM 軟件進行離散元顆粒建模時，首先需要確定接觸模型，即硬球模型與軟球模型[8]。硬球模型是假定兩個顆粒之間撞擊時，顆粒表面不會發(fā)生明顯塑性變形，而軟球模型被允許顆粒形變。本文為探究煙絲在滾筒內(nèi)部運動行為規(guī)律，包括煙絲與筒壁和抄板之間，煙絲與煙絲之間的接觸、摩擦、碰撞與纏繞等，這些運動均會導(dǎo)致煙絲發(fā)生形變，所以選用軟球模型[9]。通過離散元方法對煙絲顆粒系統(tǒng)進行運動仿真分析并求解[10]。EDEM 軟件中建立煙絲及粒群煙絲模型，如圖1 所示。

圖1 EDEM 軟件中煙絲及粒群煙絲模型Fig.1 Model of shredded tobacco and particles shredded tobacco based on EDEM

應(yīng)用離散元軟件EDEM 對烘絲過程煙絲在滾筒內(nèi)的運動行為進行仿真計算。該模型準(zhǔn)備和試算在wintel 結(jié)構(gòu)的專業(yè)圖形工作站上進行，每批次計算結(jié)果數(shù)據(jù)控制在4 T 范圍以內(nèi)，主計算作業(yè)全周期歷時約6 個月，建模、仿真、后處理方法整體流程，如圖2 所示。

圖2 基于EDEM 的滾筒烘絲過程煙絲運動研究流程圖Fig.2 Research flow chart on shredded tobacco movement in drum drying process based on EDEM

2 滾筒內(nèi)煙絲物料運動離散元仿真

根據(jù)項目研究的需要，基于EDEM 軟件對烘絲過程中煙絲物料在典型滾筒尺寸模型內(nèi)進行了仿真計算。為保證仿真結(jié)果有效，參照煙葉真實參數(shù)與EDEM 材料庫中的樹葉參數(shù)，最終確定煙絲物料的參數(shù)如表2 所示。為了更好地揭示煙絲物料運動行為的一般性規(guī)律，滾筒內(nèi)的煙絲物料運動仿真計算分別在27 組不同的典型工藝參數(shù)下進行。

表2 煙葉煙絲物料參數(shù)Tab.2 Material parameters of leaf tobacco and shredded tobacco

采用該滾筒幾何模型主要目的是將EDEM 軟件仿真后煙絲運動數(shù)據(jù)與實驗進行比對，通過校驗和修正、完善模型等設(shè)置參數(shù)等要素，并通過該環(huán)節(jié)探索、發(fā)現(xiàn)本項目問題的建模和計算收斂性、精度和效率的規(guī)律等要點，滾筒半徑為0.8 m，長度為3 m。采用與本項目構(gòu)建的實驗系統(tǒng)透明滾筒同樣的結(jié)構(gòu)和尺寸，抄板的布置也采用與實驗透明滾筒同樣的軸向螺旋漸進方式。幾何模型構(gòu)建過程同樣地先在三維建模系統(tǒng)中構(gòu)建滾筒的空間幾何結(jié)構(gòu)模型，然后導(dǎo)入到EDEM 離散元仿真系統(tǒng)中用于仿真分析，其滾筒幾何模型如圖3 所示。

圖3 滾筒幾何模型Fig.3 Drum geometric model

對27 組不同的典型工藝參數(shù)下滾筒內(nèi)煙絲運動進行仿真，滾筒進料口處煙絲流量分別取60，70，80 kg/h，滾筒傾角分別取1.5°，3°，5°，滾筒轉(zhuǎn)速算分別取9，10，11 r/min。數(shù)字化計算在該滾筒空間范圍內(nèi)進行，按照離散元區(qū)域接觸搜索算法，對滾筒空間進行區(qū)域分割。如，某次典型計算中，滾筒計算空間在離散元分析系統(tǒng)中被分割為2 786 871 個區(qū)域，在煙絲處理流量為80 kg/h、滾筒傾角為3°、滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min 的工藝參數(shù)下，EDEM軟件計算截圖及滾筒計算空間分割效果如圖4 所示。

圖4 滾筒計算過程及計算空間分割的z 軸方向視圖Fig.4 z-axis view of roller calculation process and calculation space division

運用EDEM 軟件對尺寸為0.8×3.0（m）的滾筒中煙絲物料運動行為進行仿真計算，對計算結(jié)果進行后處理分析，后處理分析包括對時間節(jié)點與煙絲物料在滾筒中運動情況等信息的記錄。結(jié)合煙葉制絲工藝參數(shù)要求進一步分析研究物料在滾筒內(nèi)的運動特征，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，對在不同工藝參數(shù)控制下煙絲物料在滾筒中的運動特征進行分析研究，揭示煙絲物料在滾筒中的運動規(guī)律及狀態(tài)。

3 煙絲物料運動數(shù)字化分析

3.1 單片煙絲運動狀態(tài)分析

首先對單片煙絲的一般性運動規(guī)律展開研究。從EDEM 的后處理工具Analyst 中提取構(gòu)建煙絲物料模型的所有離散化顆粒中每個顆粒的運動狀態(tài)信息。以煙絲物料滾筒中某單片煙絲的運動仿真結(jié)果為例，對單片煙絲的運動狀態(tài)進行分析。圖5 所示為單片煙絲在傾角為3°滾筒模型中的運動軌跡，仿真計算系統(tǒng)絕對坐標(biāo)系的原點位置取直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，位于煙絲物料滾筒進料口外部。由圖5可見，單片煙絲以一定速度進入滾筒進料口，隨后拋落到靠近進料口的筒壁底側(cè)，與其它煙絲物料在抄板的作用下一起向前并上升約0.6 m 后再次拋落至筒壁底側(cè)，完成一個上升與下降的運動周期，清晰地表達出被選煙絲在所提取信息范圍內(nèi)的運動狀態(tài)。

圖5 某片煙絲在傾角為3°的滾筒中的運動軌跡Fig.5 Trajectory of a piece of tobacco in a drum with an inclination of 3°

為進一步分析研究煙絲物料在滾筒中的運動狀態(tài)，通過數(shù)字化手段揭示煙絲物料在滾筒中的運動狀態(tài)，基于EDEM 仿真分析結(jié)果，提取出煙絲物料的數(shù)字化表征。如圖6 所示為提取的該片煙絲質(zhì)心顆粒在0.12～0.25 s 部分時間的空間位置坐標(biāo)。

圖6 該片煙絲質(zhì)心顆粒0.12～0.25 s 的空間位置坐標(biāo)Fig.6 Spatial position coordinates of the tobacco centroid particle in 0.12～0.25 s

同理，基于EDEM 仿真分析結(jié)果，提取出該片煙絲顆粒的速度狀態(tài)。如圖7 所示為煙絲質(zhì)心顆粒在0～12 s 內(nèi)的速度情況，可以直觀地看出煙絲的運動速度呈周期性變化。被選煙絲在0.12 s 開始進入滾筒，下落速度由0.10 m/s 增至2.82 m/s，約在0.36 s 時下落至滾筒底部，當(dāng)煙絲接觸滾筒底部時，速度快速下降至0.12 m/s。隨后，煙絲在滾筒內(nèi)壁摩擦力和抄板作用下，逐漸跟隨滾筒作圓周運動，約在1.1 s 時該煙絲與滾筒速度一致，為0.49m/s。大約1.82 s 時煙絲在（煙絲位置逐漸升高，重力勢能逐漸增大）滾筒內(nèi)壁上產(chǎn)生了滑移，速度降至0.22 m/s，煙絲滑移落到抄板上，繼續(xù)跟隨抄板向上運動。大約在2.2 s 時，煙絲運動到重力勢能最大點開始作拋落運動，進而完成一個周期運動，實現(xiàn)對煙絲運動速度的數(shù)字化分析研究。

圖7 該片煙絲質(zhì)心顆粒0～12 s 的速度-時間圖像Fig.7 Velocity-time image of shredded tobacco centroid particle in 0～12 s

3.2 煙絲物料運動狀態(tài)分析

通過對烘絲滾筒仿真結(jié)果中單片煙絲物料運動信息的提取，可以清晰地分析出煙絲物料在滾筒中的運動情況，考慮影響煙絲運動的主要因素為滾筒轉(zhuǎn)速與滾筒傾角，以及煙絲物料之間的相互作用，所以選定多片煙絲進行運動行為分析。如圖8 所示為多片被選定煙絲質(zhì)心顆粒在傾角為3°的滾筒中的運動軌跡圖。

圖8 多片煙絲質(zhì)心顆粒在傾角為3°的滾筒中的運動軌跡Fig.8 Trajectory of multiple tobacco centroid particles in a drum with an inclination of 3°

可以看出，被選定的各片煙絲在運動中主要的差異在于空間位置，即煙絲顆粒運動的最高點最低點之間的差異，以及煙絲顆粒在滾筒中運動距離長度的差異，可是不難發(fā)現(xiàn)煙絲物料在運動中呈明顯的周期性變化。為探究物料的周期性運動規(guī)律，在EDEM 仿真結(jié)果中將烘絲滾筒內(nèi)的一個周期運動分為前、中、后3 個部分并截取橫向截面。

本文基于對27 組不同工藝參數(shù)下滾筒內(nèi)煙絲物料的運動仿真結(jié)果進行研究，通過對烘絲滾筒內(nèi)一個周期運動的前，中、后3 個環(huán)形截面研究分析，歸納出煙絲在滾筒內(nèi)雖然在上拋最高點與下落最低點的空間位置存在差異，但物料總體均以上升、下落、震蕩為運動周期，不斷以螺旋狀向前運動。并且，基于煙絲質(zhì)心顆粒的運動行為分析，將煙絲物料在滾筒內(nèi)一個周期運動狀態(tài)分為3 個階段的典型運動，即1 階段持料上升運動、2 階段持瀉落運動以及3 階段拋落運動，如圖9 所示。

圖9 滾筒中煙絲物料的3 種典型運動Fig.9 Three typical movements of shredded tobacco in the drum

（1）持料上升運動

煙絲物料在抄板和滾筒壁的帶動以及煙絲物料間的相互摩擦、碰撞作用下，沿滾筒壁向上并作圓周運動，此時煙絲物料顆粒質(zhì)心的Z軸向速度及加速度均不為零，速度呈上升趨勢，如圖9（a）所示。但隨著滾筒轉(zhuǎn)動速度逐漸增大到某臨界值時，部分煙絲物料由于受到離心力作用做離心運動，另一部分煙絲物料由于自身重力做瀉落運動。

（2）瀉落運動

煙絲物料經(jīng)入料端進入滾筒內(nèi)后，在滾筒內(nèi)因抄板帶動，以及煙絲物料間的相互摩擦、碰撞作用隨滾筒壁作上升運動，但由于滾筒轉(zhuǎn)速偏低導(dǎo)致離心力不足，部分煙絲受重力及摩擦阻力影響產(chǎn)生煙絲堆積滑移現(xiàn)象，甚至瀉落至滾筒底部，產(chǎn)生滑移瀉落煙絲量占物料總比的25%～35%。此過程中，煙絲物料的運動狀態(tài)特征即為瀉落運動狀態(tài)，如圖9（b）所示。此時產(chǎn)生滑移、瀉落的煙絲的Z軸方向速度小于0，加速度不為0。

（3）拋落運動

煙絲物料隨滾筒內(nèi)壁和抄板作上升運動，當(dāng)運動到煙絲物料重力勢能最大時，由于煙絲跟隨滾筒轉(zhuǎn)動，物料并非垂直下落，在慣性作用下煙絲物料做斜拋運動。根據(jù)物料滾筒轉(zhuǎn)速不同，煙絲物料斜拋運動所覆蓋的空間面積存在較大差異，拋灑煙絲量占煙絲物料總比為30%～45%。此時做拋落運動煙絲Z軸方向速度≤0，煙絲作拋落運動，如圖9（c）所示。

4 結(jié)論

對生產(chǎn)線煙絲尺寸、形狀抽樣檢測，應(yīng)用EDEM 軟件建立了粒群煙絲離散模型，并在EDEM軟件離散元仿真系統(tǒng)中計算烘絲滾筒內(nèi)煙絲物料的運動狀態(tài)，分析不同典型工藝參數(shù)下煙絲在滾筒內(nèi)的運動行為，得到以下結(jié)論：

（1）EDEM 仿真計算將密封滾筒內(nèi)煙絲物料運動的“黑箱”過程“可視化”，將煙絲物料運動行為數(shù)字化表征，得到了煙絲物料的運動規(guī)律及基本狀態(tài)。（2）各物料顆粒的上拋高點、下落低點、水平移動距離有明顯差異，但在烘絲滾筒內(nèi)的總體運動軌跡呈周期性螺旋式向前運動。（3）煙絲物料在滾筒中的運動行為主要有3 種典型運動狀態(tài)：持料上升運動、瀉落運動、拋落運動。