基于離散元方法的瀝青攪拌筒葉片形式的對比研究

朱福民,劉濰坊,孟云黎

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

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基于離散元方法的瀝青攪拌筒葉片形式的對比研究

朱福民,劉濰坊,孟云黎

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

瀝青養(yǎng)護(hù)車的工作效率與其攪拌筒的攪拌性能直接相關(guān),而其中的葉片對攪拌筒的性能起決定性作用.現(xiàn)在應(yīng)用較多的是螺旋葉片和立刀式葉片,但是不同的葉片對攪拌進(jìn)出料性能、破碎性能、均勻性能的作用效果不同.利用離散元軟件EDEM,選取合適的材料參數(shù)和接觸模型進(jìn)行數(shù)值模擬、仿真,對比分析傳統(tǒng)螺旋葉片式攪拌筒與立刀葉片式攪拌筒的性能優(yōu)良,為選取適合瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒的葉片作為攪拌筒的內(nèi)部設(shè)計(jì)提供參考.

離散元法; 瀝青顆粒; 數(shù)值仿真對比; 攪拌筒葉片

瀝青路面由于易遭損害,所以需時(shí)常維護(hù)和翻修.據(jù)統(tǒng)計(jì),我國每年大約需要翻修20%的瀝青路面,每年有220萬t的舊瀝青會被廢用.2013年,中國的瀝青產(chǎn)量比去年增長了9.71%,達(dá)到了1 993.51萬t,而2014年國內(nèi)瀝青總產(chǎn)量為2 077.9萬t,預(yù)計(jì)今后國內(nèi)瀝青產(chǎn)量將還會不斷增長.多功能瀝青養(yǎng)護(hù)車在其中起到了關(guān)鍵的作用.攪拌筒是多功能養(yǎng)護(hù)車的核心部件之一,而攪拌筒葉片結(jié)構(gòu)又是影響攪拌筒攪拌性能的關(guān)鍵因素,因此攪拌筒葉片形狀的選取十分的重要.利用離散元軟件EDEM對不同的葉片類型進(jìn)行仿真分析,可以了解到不同葉片的攪拌性能、筒內(nèi)顆粒的受力情況、均勻性、破碎性和顆粒的進(jìn)出料性,從而提高瀝青養(yǎng)護(hù)車的作業(yè)性能,對瀝青養(yǎng)護(hù)車設(shè)備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及工程建設(shè)中的使用都具有重要的意義.

1 理論模型

1.1 顆粒接觸模型

離散元的分析方法是將分析對象看做離散顆粒的集合體,將該對象的每一個(gè)顆粒都作為一個(gè)單元建立模型,進(jìn)行數(shù)值模擬分析的一種分析方法.由于瀝青、砂石、混凝土等原料在實(shí)際操作中會產(chǎn)生一定的黏性,所以本文應(yīng)采用Hertz-Mindlin with JKR模型來模擬瀝青物料的接觸.

JKR法向力FJ基于重疊量δ和相互作用參數(shù)、表面能量γ:

(1)

(2)

式中:E*為當(dāng)量楊氏模量;R*為當(dāng)量半徑;α為法向重疊量;γ為表面張力.

當(dāng)γ=0時(shí),力變成了Hertz-Mindlin法向力FH:

(3)

這個(gè)模型提供吸引凝聚力,即使顆粒并不是直接接觸.顆粒間有非零凝聚力的最大間隙公式δc為

(4)

(5)

當(dāng)δ<δc時(shí),模型返回0.當(dāng)顆粒并非實(shí)際接觸并且間隔小于δc時(shí),凝聚力達(dá)到最大值.這個(gè)最大凝聚力Fp稱為pull-out force,為

(6)

摩擦力計(jì)算和Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型不同點(diǎn)在于它是取決于FJ的正向排斥部分.因此,JRK摩擦模型在接觸力的凝聚力分量更大時(shí)提供一個(gè)更大的摩擦力.

將兩個(gè)顆粒分開所需要的力取決于液體表面張力γs和潤濕角θ:

(7)

1.2 顆粒破碎模型

破碎是指物料在碰撞過程中粒度減小,要達(dá)到物料破碎的效果,就要對物料施加足夠大的外力以克服物料內(nèi)部間的內(nèi)聚力,當(dāng)外力變形達(dá)到一定程度時(shí)物料就會發(fā)生破碎.國內(nèi)外研究破碎理論已有100多年的歷史,其中較好描述顆粒破碎模型的是VOGEL和PEUKERT提出的一種關(guān)于破碎概率及碰撞強(qiáng)度的累積破碎模型,料顆粒破碎率N可以表示為

(8)

式中:b為材料抗沖擊系數(shù);ki為第i顆顆粒的碰撞次數(shù);Ei為第i顆顆粒受到的沖擊碰撞能量;E0為顆粒破碎的臨界沖擊能量.

所以,顆粒在攪拌筒內(nèi)部碰撞的次數(shù)越多,受到的有效沖擊能量(Ei-E0)越大,顆粒物料破碎的概率就會越大.在實(shí)際攪拌筒作業(yè)過程中,物料的破碎主要靠物料顆粒的相互撞擊、顆粒與攪拌筒內(nèi)部殼體的撞擊,以及顆粒與攪拌筒內(nèi)部葉片的撞擊所產(chǎn)生,顆粒在旋轉(zhuǎn)攪拌筒和葉片的帶動(dòng)下,連續(xù)不斷地沖擊碰撞,當(dāng)有效沖擊能量足夠大時(shí),顆粒便會發(fā)生破碎.

(9)

式中:m為顆粒的質(zhì)量;vi為顆粒受到?jīng)_擊后的速度;v0為顆粒破碎的臨界速度,vi>v0.

由式(9)可知,在臨界速度一定的情況下,旋轉(zhuǎn)攪拌筒要提供一定的轉(zhuǎn)速,才能使顆粒得到足夠大的沖擊速度.

2 參數(shù)設(shè)置

2.1 攪拌筒葉片參數(shù)設(shè)置

為了客觀地做好仿真對比試驗(yàn),應(yīng)當(dāng)合理地設(shè)置好螺旋葉片和立刀葉片的相關(guān)參數(shù).本文將3組螺旋葉片布置在筒內(nèi),螺旋葉片采用圓柱螺旋線,為了使螺旋葉片在筒內(nèi)圓周方向上分布均勻,3組螺旋葉片以120°的夾角間距分布,如圖1.螺旋升角設(shè)置為30°.葉片高度為 200 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)徑1 470 mm.

圖1 螺旋葉片的布局Fig.1 Distribution of spiral blades

為了與傳統(tǒng)的螺旋葉片作對比分析,立刀式葉片也采取三組葉片,以120°夾角在圓周方向上等距離均勻分布,每組葉片在軸向上同樣以30°升角分布成3塊葉片,在圓筒內(nèi)的分布如圖2所示.葉片的傾斜角設(shè)置為15°,葉片高度300 mm,長度700 mm,總共9塊立刀葉片,葉片總表面積為165 969 cm2,與螺旋葉片總表面積大致相等,保證了對比仿真試驗(yàn)的公正性.

圖2 立刀葉片布置圖Fig.2 Distribution of vertical blades

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

攪拌筒殼體和葉片都取鋼鐵材料,密度為7 800 kg·m-3,泊松比為0.28,剪切模量70 MPa.選取的瀝青物料密度為2 438 kg·m-3,泊松比為0.2,剪切模量為23 MPa.顆粒直徑為20 mm,顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)取0.1,靜摩擦系數(shù)取0.545,滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.01.顆粒與筒體之間的恢復(fù)系數(shù)取0.2,靜摩擦系數(shù)取0.5,滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.01.重力加速度方向取z方向,取-9.81 m·s-2.接觸模型采用Hertz-Mindlin with JKR模型.設(shè)置筒體繞中心軸線性旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為5 r·min-1,加速度為0.

本次模型選取時(shí)步為30%,為了保證在進(jìn)料仿真時(shí)研究正常作業(yè)時(shí)的攪拌性能,仿真總時(shí)間設(shè)為20 s,有充足的時(shí)間余量,而出料仿真時(shí)設(shè)定為

15 s.網(wǎng)格尺寸為3倍最小顆粒.

3 不同葉片的仿真結(jié)果分析比較

通過改變需要分析的變量,對應(yīng)的顆粒和筒體會通過顏色變化表征出相應(yīng)的每一時(shí)刻的量值大小.當(dāng)前設(shè)定顆粒運(yùn)動(dòng)速度為考察量,從x,y兩方向可以看出,不管是螺旋葉片還是立刀葉片攪拌筒,顆粒在攪拌筒運(yùn)動(dòng)時(shí),沿葉片邊緣的顆粒速度較大,葉片根部的顆粒運(yùn)動(dòng)速度較小,說明葉片對顆粒運(yùn)動(dòng)的影響十分顯著.

3.1 破碎性能分析

由前文的破碎數(shù)學(xué)模型可知,物料顆粒的破碎概率與有效撞擊能量大小、顆粒速度大小和撞擊次數(shù)多少相關(guān).當(dāng)瀝青物料投放設(shè)定在前端錐筒口時(shí),仿真時(shí)間設(shè)定為20 s,物料顆粒即使完成進(jìn)料動(dòng)作后,依然在攪拌筒底端繼續(xù)作業(yè),因此該仿真包含了進(jìn)料和攪拌作業(yè)的過程,且兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行,因此研究攪拌破碎性能可以在該進(jìn)料仿真中進(jìn)行.

圖4顯示了顆粒在0～20 s內(nèi)整個(gè)仿真過程中顆粒撞擊的次數(shù).由圖4可以看出,顆粒于第1 s時(shí)刻投入攪拌筒里,之后開始與筒體和葉片產(chǎn)生劇烈的碰撞.相對于立刀式攪拌筒,螺旋式攪拌筒在進(jìn)料過程中的柱狀數(shù)據(jù)相對平緩,在后期穩(wěn)定攪拌作業(yè)時(shí)開始起伏,與立刀式攪拌筒類似.說明其在傳輸物料時(shí)碰撞較為均勻,但在整個(gè)過程中它們總的碰撞次數(shù)大致相近,說明立刀式葉片和螺旋葉片在攪拌過程中對顆粒撞擊次數(shù)的影響上基本相同.

圖3 攪拌筒內(nèi)部顆粒速度變化圖Fig.3 Particle velocity in the mixing drum

圖4 顆粒撞擊次數(shù)-時(shí)間圖Fig.4 Time-frequency of particle impact

由圖5可以看出,受重力加速度影響,在第1 s時(shí)刻被投下的物料顆粒具有最大的平均速度和平均動(dòng)能.螺旋式攪拌筒的物料顆粒在攪拌期間,平均速度最大為0.45 m·s-1,最小為0.28 m·s-1,大多時(shí)刻物料顆粒的平均速度都分布在0.30～0.38 m·s-1之間,而立刀式攪拌筒,平均速度最大可達(dá)0.50 m·s-1上,最小為0.33 m·s-1,大多時(shí)刻分布在0.40～0.45 m·s-1之間.立刀式攪拌筒中的物料顆粒獲得的攪拌速度明顯比螺旋式攪拌筒高.從物料顆粒的平均動(dòng)能曲線圖6可以看出,螺旋式攪拌筒的物料顆粒平均動(dòng)能趨于平緩,大致保持在0.008 J左右,而立刀式攪拌筒的平均動(dòng)能變化劇烈,在0.016 J上下跳動(dòng),說明物料顆粒在立刀式攪拌筒內(nèi)受到的沖擊力劇烈,獲得的動(dòng)能更多,速度更大.

圖5 顆粒平均速度-時(shí)間圖Fig.5 Time-velocity of particle

圖6 顆粒沖擊動(dòng)能-時(shí)間圖Fig.6 Time-kinetic energy of particle

因此,瀝青物料顆粒雖然在螺旋式攪拌筒和立刀式攪拌筒內(nèi)撞擊次數(shù)大致相同,但在立刀式攪拌筒內(nèi)獲得的動(dòng)能和速度更大,運(yùn)動(dòng)變化更劇烈,從而可知立刀式葉片比螺旋式葉片破碎性能更好.

3.2 混合性能分析

為了更好地分析瀝青混合料在攪拌筒中的運(yùn)動(dòng)特性,可以結(jié)合顆粒的運(yùn)動(dòng)流線圖分析顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡.圖7為不同體積大小的顆粒在運(yùn)動(dòng)軌跡流線中的分布,可以看出顆粒體積的范圍在1.8×10-5～5.8×10-5m3之間.在攪拌過程中,不同大小的顆粒在攪拌筒內(nèi)都能均勻地隨著攪拌筒滾動(dòng),從x軸方向看呈漩渦狀流動(dòng),在兩種葉片的攪拌筒內(nèi)都不會產(chǎn)生顆粒離析現(xiàn)象,保障了顆粒攪拌的均勻性.圖8為兩種攪拌筒正常作業(yè)時(shí),其內(nèi)部顆粒的速度變化圖.可以看出,立刀式攪拌筒內(nèi)部顆粒在同樣的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)下,提升較高,顆粒做自由落體下落的速度更大,受筒體的沖擊更劇烈.并且,螺旋式攪拌筒中速度高的顆粒只分布在顆粒斜坡堆表面,速度為1.26 m·s-1左右,如圖中黑框所示區(qū)域.而立刀式攪拌筒的高速顆粒不僅分布在表層大部分區(qū)域(速度為2.25 m·s-1左右),還分布在顆粒堆內(nèi)部(速度為2.00 m·s-1左右).表明立刀式攪拌筒對瀝青物料的攪拌更為充分.

圖7 不同體積顆粒運(yùn)動(dòng)流線圖Fig.7 Moving stream lines of particles in different volume

圖8 不同速度顆粒運(yùn)動(dòng)流線圖Fig.8 Moving stream lines of particles in different velocity

3.3 進(jìn)出料性能分析

從圖9可以分析看出,在進(jìn)料過程中,顆粒在螺旋攪拌筒內(nèi)最早在第6 s時(shí)刻開始有顆粒觸碰到攪拌筒筒底,在第15 s時(shí)刻所有瀝青物料顆粒基本到達(dá)攪拌筒底端.而立刀式攪拌筒雖然最早在第4 s時(shí)刻顆粒開始碰到攪拌筒底,但在第17 s時(shí)刻,所有物料顆粒才基本達(dá)到底端,說明螺旋式攪拌筒的傳料性能更加流暢,進(jìn)料速度快于立刀式攪拌筒.在出料作業(yè)時(shí),從圖10可以看到,螺旋式攪拌筒在9 s開始出料,立刀式攪拌筒在10 s開始出料,雖然螺旋式攪拌筒內(nèi)的顆粒出料比立刀式攪拌筒較為快些,但整體出料數(shù)量和效果基本一致.

4 結(jié)論

(1) 傳統(tǒng)型的螺旋葉片攪拌筒的物料進(jìn)出料較為流暢,物料輸送特性優(yōu)良,顆粒在攪拌筒內(nèi)流動(dòng)較為規(guī)則,適用于無需注重破碎性能的混合攪拌設(shè)備,如水泥混凝土攪拌車、各類混合機(jī)等.

(2) 立刀葉片不僅具有良好的進(jìn)出料性能和混合均勻性,對瀝青物料顆粒具有更好的破碎性能,并能充分?jǐn)嚢铻r青物料顆粒.而且結(jié)構(gòu)上更易拆裝維修,所以瀝青多功能養(yǎng)護(hù)車應(yīng)該首先選取立刀葉片作為攪拌筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).

圖9 不同速度顆粒運(yùn)動(dòng)流線圖Fig.9 Moving stream lines of particles in different velocity

圖10 出料過程顆粒數(shù)量-時(shí)間圖Fig.10 Time-number of particles in discharge process

[1] 韓磊,閻永梅.國外瀝青現(xiàn)場熱再生方法的探討[J].交通與社會,2001(5):41-42.

HAN L,YAN Y M.Discussion on the method of thermal regeneration of asphalt in foreign countries[J].Communication and Society,2001(5):41-42.

[2] VOGEL L,PEUKERT W.From single particle impact behaviour tomodelling of impact mills[J].Chemical Engineering Science,2005,60:5164-5176.

[3] 朱福民,萬沈文.基于離散元方法的瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒立式葉片數(shù)值仿真[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào),2016,14(2):54-61.

ZHU F M,WAN S W.Numerical simulation for the vertical blades of the mixing drum of the asphalt maintenance truck base on discrete element method[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2016,14(2):54-61.

[4] 邵鳴建.瀝青路面機(jī)械化施工技術(shù)與質(zhì)量控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

SHAO M J.Mechanization construction technology and quality control of asphalt pavement[M].Beijing:China Communications Press,2003.

[5] 何明.我國瀝青攪拌設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].建筑機(jī)械化,2008,29(2):38-41.

HE M.Current situation and prospect of asphalt mixing equipment in China[J].Construction Mechanization,2008,29(2):38-41.

[6] 馮忠緒,王衛(wèi)中,姚運(yùn)仕,等.攪拌機(jī)合理轉(zhuǎn)速研究[J].中國公路學(xué)報(bào),2006(2):116-120.

FENG Z X,WANG W Z,YAO Y S,et al.Study of mixer rotational rotation speed[J].China Journal of Highway and Transport,2006(2):116-120.

[7] 劉波,李自光,達(dá)昀峰.雙滾筒連續(xù)式攪拌設(shè)備外筒攪拌葉片傾角研究[J].公路與汽運(yùn),2014(4):150-152.

LIU B,LI Z G,DA Y F.Study on the dip angle of the outer tube of the double drum continuous mixing equipment[J].Highways & Automotive Applications,2014(4):150-152.

Contrast research in the form of asphalt of asphalt mixing drum base on discrete element method

ZHU Fumin, LIU Weifang, MENG Yunli

(Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

The working efficiency of the asphalt maintenance vehicle and its mixing performance is directly related to the mixing drum,and the blades have a vital role in the mixing performance.The conventional spiral blade and the vertical bladesare now applied widely.However,the mixing performance and crushing performance are different for different blades.Using the discrete element simulation software EDEM,contrasting the traditional spiral blade drum with the new fly blade drum and finally select the suitable style of blade for mixing drum.

discreet element method; asphalt grain; numerical simulation and comparison; vertical bladesof the mixing drum

朱福民(1962-),男,教授,博士.E-mail:fmzhu@shmtu.edu.cn

TH 216

A

1672-5581(2017)01-0036-06