基于離散單元法的帶式輸送機頭罩磨損分析

Wear Analysis on the Conveyor Head Based on the Discrete Element Method

◎孫慧男，楊軍偉，張俊嶺，譚保輝（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南　鄭州　450053）

基于離散單元法的帶式輸送機頭罩磨損分析

Wear Analysis on the Conveyor Head Based on the Discrete Element Method

◎孫慧男，楊軍偉，張俊嶺，譚保輝
（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南鄭州450053）

Sun Huinan，Yang Junwei，Zhang Junling，Tan Baohui
（COFCO Engineering&Technology（Zhengzhou）CO., Ltd.，Zhengzhou 450053, China）

摘要：本文基于離散單元法對自行設計的小型皮帶機頭罩磨損進行分析，介紹了離散單元法及Archard磨損模型，依據該模型利用EDEM軟件對皮帶機進行模擬仿真，得出磨損量隨頭輪軸線與頭罩距離變大而減小的結論.

關鍵詞：離散單元法；帶式輸送機；磨損

Abstract：Based on the discrete element method, the paper analyzes the wear of conveyor head which is self-designed, introduces the discrete element method and the Archard wear cal?culation model, and simulates the different model of distance between head wheel and head by EDEM software, concludes the force become small when the distance is lager.

Key words：the discrete element method；conveyor；wear

1　引言

磨損對研究機械設備的可靠性尤為重要，以往機械設備的磨損是經過大量的試驗或是經驗得到，但試驗耗時耗力，實驗結果具有不可復制性，并很難得到精準數據.隨著計算機仿真技術的不斷發展，人們借助據計算機仿真技術來輔助分析，預測機械零件的磨損情況，從而優化機械設備，提高設備可靠性、延長使用壽命.

帶式輸送機是糧食儲運中的關鍵設備，隨著機械自動化程度的提高，其廣泛應用于淺圓倉的進糧過程，在此過程中糧食的運動狀態無法可視化，設備的磨損情況也無法預知，通常只是在設備使用過后，

查看磨損情況.本文以試驗用帶式輸送機的頭罩為例，采用一種新方法——離散單元法，對皮帶機頭罩進行定性的磨損分析.利用離散元軟件EDEM對輸送機輸送過程仿真，將輸送機內糧食運動狀態可視化，設備的磨損情況直觀化，這將為以后的設計提供理論基礎，從而預測機械設備的磨損情況.

2　離散單元法理論及Archard磨損模型

離散單元法在我國起步較晚，但發展迅速.其應用領域不斷擴展，現已應用在礦業、醫藥、農業、化工等領域.其基本原理是將研究對象劃分為相互獨立的單元，根據單元之間的相互作用和牛頓第二定律，采用動態松弛迭代法或動態松弛迭代法進行循環迭代計算，確定在每一個時間步長所有單元受力及位移，并更新所有單元的位置.通過對每個單元的微觀運動進行跟蹤計算，從而得到整個研究對象的宏觀運動規律[1].

接觸模型是離散單元法的重要基礎，對不同工況，需要建立不同的接觸模型.對于磨損計算，本文選擇Archard磨損模型[2].Archard理論磨損模型中，一對半徑相同的半球形峰元接觸時，其中一個峰元在塑性變形后的接觸面積為δA，則：

式中：δA——兩對峰元塑性變形后的接觸面積；

r——接觸面積半徑

FN——兩對峰元所受法向載荷；H——材料弱的峰元硬度.

模型中假設一次滑動的結果產生一個磨損體積為δV的顆粒.經物理實驗得出，磨損顆粒的形狀是等軸的，則半球峰元的磨損體積為：

當兩峰元摩擦持續時，設最長滑動行程為δL：

則體積磨損率為：

則整個接觸平面的體積磨損率RV：

式中：K1——修正系數；

平面的磨損體積V為：

式中：V——平面的磨損體積；

K——磨損系數；L——滑動行程.

從式（7）中可以看出，磨損量與平面所受法向載荷、滑動行程成正比，與硬度成反比[3].本文將利用Archard模型中法向載荷與磨損量成正比的關系，分析頭輪軸線距離與頭罩的水平距離對磨損的影響.

3　數值模擬仿真分析

3.1 EDEM模擬仿真

EDEM軟件是一款可視化程度高的離散元軟件，本文將利用該軟件對皮帶機頭罩的磨損進行分析.選擇大豆為物料顆粒，大豆顆粒的材料特性及其與輸送機部件的接觸特性參數見表1[4-6].

表1　物理特性與接觸特性參數表

大豆顆粒之間的接觸模型選擇Hertz-Minlin模型，顆粒與幾何模型之間的接觸模型選擇Hertz-Minlin with Archard Wear模型.建立大豆顆粒模型如圖1所示，生成顆粒工廠，將頭輪軸線與頭罩的水平距離為450 mm三維模型輸入到EDEM軟件中，設置輸送機帶速為3 m/s.設置固定時間步長為Rayleigh時間步長的20%進行計算，仿真過程如圖2所示.按此方法將頭輪軸線與頭罩的水平距離為470 mm、490 mm的三維模型進行模擬仿真.

圖1　大豆顆粒模型圖

圖2　仿真過程圖

3.2結果分析3.2.1仿真結果

將仿真結果在EDEM中進行后處理，將頭輪軸線與頭罩間距離為450 mm、470 mm、490 mm的仿真結果進行對比，頭罩所受法向累計力分別為9.95×104N、9.93×104N、9.88×104N，頭罩所受法向累計力隨著頭輪軸線與頭罩距離的增大而減小，如圖3所示.但該距離的增大會影響到溜管的磨損量.當頭輪軸線與頭罩間距離為450 mm、470 mm、490 mm時，溜管所受法向累積力分別為2.55×105N、2.58×105N和2.60×105N，即溜管磨損量隨二者距離的增大而增大，如圖4所示.

圖3　不同間距頭罩所受法向累計力結果對比圖

圖4　不同間距溜管所受法向累計力結果對比圖

3.2.2結果分析

顆粒物料以初速度為0在顆粒工廠生成，速度逐漸增至與皮帶機帶速相同.當物料從皮帶機以V0的速度拋出后，設物料在距離頭輪軸線450 mm、470 mm、490 mm處的速度分別為V1、V2、V3如圖5所示.

圖5　結果分析圖

由能量守恒可知，在物料顆粒做拋物線運動時勢能的減少轉換為動能的增加，則有V3>V2>V1.設物料與頭罩碰撞時的入射角為θ，隨著皮帶機頭輪軸線與頭罩的距離增大而增大，即θ3>θ2>θ1.從仿真結果可以看出在物料拋落的過程中，法向載荷累積力隨著入射角的增大而減小，而并未隨速度的增大而增大.

4　總結

本文通過對皮帶機頭輪軸線與頭罩距離不同的模型進行EDEM模擬仿真，得出磨損量與距離的變化關系，即頭罩磨損量隨頭輪軸線與頭罩距離增大而減小.仿真過程中還發現當皮帶機頭罩磨損量變小時，溜管的磨損量將增大，設計時需對二者均衡考慮.本文只針對自行設計的小型帶式皮帶機進行模擬仿真，從而分析大豆物料運動過程中對頭罩的磨損情況，嘗試利用新的方法來解決工程實際問題，為糧食機械設備的設計提供一種新的理論指導方法，從而提高技術裝備水平.后續將對仿真結果做進一步的試驗驗證，從而證明離散單元法的實用性、可行性.

參考文獻：

[1]胡國明.顆粒系統的離散元素分析方法仿真—離散元素發的工業應用與EDEM軟件簡介[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010.7

[2]J.F.Archurd，Contact and Rubbing of Flat Surface，J.Appl.Phys.，Vol.24，No.8，1953

[3]桂長林.Archard的磨損設計計算模型及其應用方法[J].潤滑與密封，1990，01：12-21.

[4]劉志云，溫吉華.大豆彈性模量的測量與研究[J].糧食儲藏，2010，03：27-30.

[5]許志寶.基于離散元法的大豆碰撞過程仿真分析[D].吉林大學，2006.

[6]郭麗峰.立式圓盤大豆排種器型孔優化設計與試驗研究[D].東北農業大學，2014.

作者簡介：孫慧男（1985-），女，碩士，助理工程師；專業方向為糧食儲運技術與裝備研發

收稿日期：2015-05-18

中圖分類號：S229＋.1