基于EDEM的粉料稱量沖擊載荷仿真研究

施進(jìn)發(fā)，高志龍，2，楊杰，馬軍旭

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.南水北調(diào)中線信息科技有限公司，北京 100089）

1 引言

混凝土是由多種物料按比例定量稱量后混合均勻的拌合料，在建筑、水利、公路等工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)對于工程的質(zhì)量和成本有著舉足輕重的聯(lián)系。隨著技術(shù)的發(fā)展以及混凝土需求和質(zhì)量的提高出現(xiàn)了各種形式帶有計(jì)量裝置的攪拌設(shè)備，應(yīng)用最廣泛的是混凝土攪拌站（樓）[1]。配料稱量作為混凝土生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝，配料稱量的精度嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量。物料下落的沖擊載荷作為影響混凝土攪拌站配料精度的主要因素一直困擾著混凝土生產(chǎn)企業(yè)。

因此，減小沖擊載荷對稱量精度的影響，已成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究的重要課題。文獻(xiàn)[2]針對工業(yè)煤粉鍋爐中間倉落料沖擊問題，改進(jìn)了中間倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效緩解了沖擊現(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]使用有限元仿真，分析了沖擊載荷下的石油測試管柱減震系統(tǒng)的動力學(xué)性能。文獻(xiàn)[4]對大型自移式破碎站鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，使用虛擬樣機(jī)和有限元對落料沖擊載荷系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并把模擬結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行對比。

文獻(xiàn)[5]采用試驗(yàn)方法探究了散狀物料沖擊載荷的影響因素，得到落料高度和沖擊層厚度對沖擊載荷影響較大。文獻(xiàn)[6]使用離散元方法對轉(zhuǎn)載物料沖擊載荷進(jìn)行了研究，并使用沖擊系數(shù)表征了沖擊大小。文獻(xiàn)[7]探究了空氣阻力等因素對卸料軌跡預(yù)測的影響，并得出了沖擊載荷預(yù)測公式。綜上可以看出，專家學(xué)者對沖擊載荷研究較多，但大多是基于實(shí)驗(yàn)手段得到的經(jīng)驗(yàn)公式，鮮有針對混凝土攪拌站稱量系統(tǒng)沖擊載荷的研究。主要通過三維CAD軟件建立稱量系統(tǒng)簡化模型，應(yīng)用離散元軟件EDEM對稱量過程進(jìn)行模擬仿真，并對稱量裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小了沖擊載荷對稱量斗的影響，保障了混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量，為稱量斗設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

2 稱量機(jī)理

工控機(jī)根據(jù)工程需求把混凝土配比量發(fā)送到PLC，PLC主要依靠控制回路控制稱量物料輸送執(zhí)行單元，如螺旋和閥等，稱量斗稱重傳感器信號經(jīng)稱重顯示控制儀表測量處理后，再反過來控制稱量斗，進(jìn)而形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)完成整個(gè)物料的計(jì)量過程，混凝土攪拌站稱量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 混凝土攪拌站物料稱量系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic Diagram of the Material Weighing System of the Concrete Mixing Plant

稱量開始時(shí)，PLC在稱重傳感器未受力的情況下，命令電機(jī)給螺旋輸送機(jī)大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，上料系統(tǒng)快速把粉料送入稱量料斗，以縮短上料時(shí)間。

當(dāng)PLC通過稱重傳感器測得稱量斗中物料與實(shí)際重量達(dá)到設(shè)定值90%時(shí)，命令螺旋輸送電機(jī)減小轉(zhuǎn)速，進(jìn)入慢速放料階段，以減小物料的沖擊載荷影響，保證稱量精度。當(dāng)被稱物料重量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，關(guān)閉電機(jī)，完成稱量過程。PLC下達(dá)指令打開卸料門，進(jìn)行卸料，最后關(guān)閉卸料門進(jìn)行下一個(gè)周期的稱量。

3 落料沖擊離散元模型

EDEM是全球首個(gè)基于離散元素法（EDM）用于仿真、分析和觀察粒子流運(yùn)動規(guī)律的通用CAE軟件。離散單元法作為一種新興的散狀物料分析方法，發(fā)展迅速，在礦物加工、原料處理、石油、煤氣以及制藥生產(chǎn)等行業(yè)廣泛應(yīng)用，不僅可以分析顆粒模型的行為特征，還能幫助各類行業(yè)工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行散狀物料設(shè)備的設(shè)計(jì)、檢測和優(yōu)化[8]。利用EDEM進(jìn)行數(shù)值模擬，可對顆粒流與沖擊物、顆粒之間的相互作用進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得顆粒在下落沖擊過程的能量變化、沖擊速度、受力過程等力學(xué)特征[9]。因此EDEM是分析顆粒沖擊特性、獲得動力學(xué)規(guī)律的有效方法。利用EDEM探究落料沖擊載荷對稱量裝置的影響。

3.1 三維模型的建立

以某混凝土攪拌站稱量系統(tǒng)螺旋輸送機(jī)喂料進(jìn)入稱量斗的過程為研究對象，由于主要探究沖擊載荷對稱量斗的影響，所以對稱量裝置進(jìn)行了簡化，只保留了模擬仿真的關(guān)鍵部件，螺旋輸送機(jī)和稱量斗兩部分，系統(tǒng)主要參數(shù)：物料為粉料，其粒度為4mm；螺旋輸送機(jī)長度為200mm，螺旋角為40°；落料高度1240mm；利用三維繪圖軟件SolidWorks簡化和縮放，如圖2所示。

圖2 稱重裝置簡化模型Fig.2 Simplified Model of the Weighing Device

3.2 顆粒間接觸模型

顆粒材料間接觸以及顆粒與沖擊物間的作用，均屬于非線性接觸，主要考慮彈性力、黏滯力以及滑動摩擦。選取Hertz?Mind?lin非線性接觸模型計(jì)算顆粒間的相互作用。設(shè)半徑為R1，R2的兩球形顆粒發(fā)生彈性接觸，法向重疊量為：

式中：r1，r2—兩顆粒的球心位置矢量。

等效粒子半徑為：

在法線方向上的力為赫茲彈性力和非線性黏滯力：

式中：vn—顆粒的相對速度；

A—顆粒的黏滯參數(shù)；

E?—等效彈性模量，可由下式求得：

式中：E1，σ1、E2，σ2—兩顆粒的彈性模量和泊松比。

在切線方向上，基于Mindlin 理論和Mohr?Coulomb 摩擦定律，切向接觸力為：

式中：lt—顆粒的切向變形量；

μ—摩擦系數(shù)；

G?—等效剪切模量可由下式求得：

式中：G1，G2—兩顆粒的剪切模量。

3.3 仿真參數(shù)確定

將三維實(shí)體模型導(dǎo)入EDEM中，設(shè)定機(jī)械元件的動力學(xué)參數(shù)，顆粒直徑為2mm，顆粒工廠以20000粒/s生成，螺旋軸以80r/min旋轉(zhuǎn)向稱量斗輸送物料。在離散元仿真過程中選取不同的接觸模型，其粒子間的力學(xué)性質(zhì)也有差異，由于粉料屬于干顆粒且無附加阻力，選取Hertz?Mindlin with JKR 接觸模型。仿真輸送物料為粉料：水泥和粉煤灰，螺旋輸送機(jī)和稱量斗材料為鋼。以上材料的自身和相互之間的力學(xué)屬性，如表1、表2所示。

表1 材料屬性表Tab.1 Material Attribute Table

表2 顆粒接觸屬性表Tab.2 Particle Contact Attribute Table

4 仿真與分析

4.1 沖擊載荷評價(jià)方法

混凝土攪拌站稱量系統(tǒng)中，稱量斗接受儲倉中經(jīng)螺旋輸送機(jī)輸送的粉料，稱重控制儀表對稱量斗中物料進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重，物料質(zhì)量流下料時(shí)對稱量斗產(chǎn)生沖擊，對稱量裝置造成干擾，致使粉料稱量精度降低。

根據(jù)動量定理得：

式中：m—螺旋輸送機(jī)每秒輸送粉料的質(zhì)量，kg；

v—粉料到達(dá)物料面的速度，m/s；

F—粉料對稱量斗的沖擊力，N；

t—粉料與稱量斗表面接觸時(shí)間，s；

g—重力加速度，m/s2；

h—下落距離，m。

根據(jù)式（8）、式（9）可得：

采用沖擊系數(shù)來衡量沖擊力的大小，沖擊系數(shù)定義為：

式中：Fi—沖擊力，N；mg—下落產(chǎn)生沖擊力的質(zhì)量流，N；η—沖擊系數(shù)。

4.2 仿真結(jié)果與分析

為了探究沖擊載荷對稱量裝置的影響，利用EDEM仿真，分析下落物料與稱量斗之間的法向力、切向力以及平均力，顆粒工廠以20000粒/s的速率生成物料并進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，計(jì)算結(jié)果可視化顯示落料稱量過程的全貌及落到稱量斗的局部，如圖3所示。

圖3 計(jì)算機(jī)仿真截圖Fig.3 Computer Simulation Screenshot

由圖4可知物料從一定高度落入稱量斗瞬間，動能較大，沖擊載荷較大，沖擊載荷在時(shí)程上出現(xiàn)的峰值主要由物料顆粒與稱量斗開始接觸和沖擊至底面的反射波引起的。

圖4 法向力和切向力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Normal Force and Tangential Force Versus Time Curve

峰值主要分為三個(gè)階段物料對稱體撞擊階段、下落物料在稱體材料中運(yùn)行階段、下落物料靜止階段。沖擊力出現(xiàn)在第一個(gè)階段，第二個(gè)階段物料動能伴隨著摩擦和碰撞耗散，最后一個(gè)階段物料速度不斷降低趨于靜止[10]。上圖曲線后期9s時(shí)沖擊力趨于定值，因?yàn)殡S著物料的下落，稱體底部有一層物料，起到了緩沖的作用，沖擊載荷也在隨著物料厚度的增加而減小。落料瞬間會對稱體底部造成一定的沖擊，以至于引起稱體損壞和稱量失準(zhǔn)，此時(shí)稱重儀表的重量為物料重量和動態(tài)沖擊載荷重量，要想提高稱量精度就必須減小和消除沖擊載荷對稱量斗的影響，即減小物料落到稱體上的動能。

5 緩沖裝置設(shè)計(jì)

在螺旋輸送機(jī)下料口與稱量斗之間，物料下落的路徑上加裝錐形溜料板，可使物料下落到錐形溜料板，使部分物料的動能轉(zhuǎn)化為摩擦做功損耗，相當(dāng)于減小了落料高度；物料下落至錐形溜料板表面向周圍散開，離開溜料板分散下落，減小了對稱量斗的沖擊。

5.1 錐形溜料板

錐形溜料板的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在下料口下方設(shè)置一個(gè)錐形溜料板，在綜合考慮物料靜態(tài)休止角和沖量大小的前提下，設(shè)計(jì)圓錐溜料板角度為45°，在溜料板圓周表面按一定間隔開半徑為3mm小孔，目的是使下落的物料在錐形溜料板表面打散，增加物料與導(dǎo)流板之間的摩擦損耗，然后沿著溜料板落至稱量斗。整個(gè)過程經(jīng)歷2次斜面，分別是錐形溜料板和稱量斗內(nèi)壁，都起到了損耗動能，減速物料，減緩對稱體沖擊的作用。

圖5 改進(jìn)后加入錐形導(dǎo)流板稱量系統(tǒng)效果圖Fig.5 Effect of Adding a Tapered Baffle Weighing System After Improvement

5.2 稱量系統(tǒng)改進(jìn)后仿真分析

把增加錐形溜料板的三維模型導(dǎo)入EDEM中，設(shè)置其各項(xiàng)參數(shù)與未加入溜料板時(shí)一致，下料仿真效果，如圖5所示。增加緩沖裝置的稱量斗受力時(shí)程曲線，如圖6所示。

由圖4和圖6對比可以看出改進(jìn)后的稱量裝置稱量斗所受的法向力從92N減小至18N，切向力從25N減小至8N，物料對秤體的沖擊載荷明顯減小，沖擊載荷對稱量斗的影響得到改善。改進(jìn)前和改進(jìn)后法向力和切向力沖擊系數(shù)，如表3所示。由表3可以看出，在增加錐形溜料板以后，法向最大力沖擊系數(shù)減小39.6%，切向最大力變化不大，整體來看緩沖效果較佳。

圖6 改進(jìn)后法向力和切向力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Shows the Variation of Normal Force and Tangential Force with Time

表3 沖擊力與沖擊系數(shù)Tab.3 Impact Force and Impact Coefficient

6 結(jié)論

（1）根據(jù)動量定理骨料下落對稱體的沖擊載荷主要由物料下落的高度差及單位物料的決定的，高度差越小，單位物料的質(zhì)量越小，沖擊力對稱量精度的影響就越弱。

（2）在離散元軟件EDEM中對稱量系統(tǒng)進(jìn)行模擬，得到了物料對稱量系統(tǒng)的沖擊力和沖擊系數(shù)，較好的反應(yīng)了料流對稱量系統(tǒng)的沖擊效應(yīng)。

（3）設(shè)計(jì)了錐形溜料板，大大減弱了沖擊載荷對稱量系統(tǒng)的影響，提高了稱量精度，保證了混凝土的性能和質(zhì)量。此緩沖方式成本增加較少，作用明顯，無需維護(hù)，且制作簡單。本方法可向干混砂漿攪拌站、瀝青攪拌站稱量系統(tǒng)中進(jìn)一步推廣。