斗式提升機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬與研究

龐曉霞 秦園園 李德玲

摘 要：為了提升斗式提升機(jī)工作性能，確保設(shè)計(jì)更加合理，工作穩(wěn)定可靠，以TDTGE60/33型斗式提升機(jī)為例，運(yùn)用離散元法分析軟件EDEM對(duì)物料運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算。建立斗式提升機(jī)及物料的離散模型，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)物料流進(jìn)行離散元模擬。得出物料運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，同時(shí)對(duì)物料卸料軌跡進(jìn)行分析，為合理設(shè)計(jì)機(jī)頭罩殼提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斗式提升機(jī)；離散元；運(yùn)動(dòng)軌跡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.020

斗式提升機(jī)是一種專門用在垂直或大傾角傾斜向上輸送物料的連續(xù)輸送機(jī)械，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，工作平穩(wěn)可靠，被廣泛應(yīng)用于糧油、食品、化工等行業(yè)。斗式提升機(jī)是一種垂直輸送設(shè)備，由牽引帶圍繞著頭輪、底輪做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，通過固定在牽引帶上的畚斗裝料、提升、卸料從而將物料由下提升至機(jī)頭卸出。斗式提升機(jī)的工作過程可分為畚斗的裝料、畚斗的提升及畚斗的卸料。近年來隨著糧油、飼料等行業(yè)加工規(guī)模的日益擴(kuò)大，對(duì)斗式提升機(jī)的性能要求也隨之提高。為了提升斗式提升機(jī)各方面性能，確保提升機(jī)的設(shè)計(jì)更合理，工作穩(wěn)定可靠，以TDTGE60/33型斗式提升機(jī)為例，對(duì)提升機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析。

離散元法理論是目前研究離散物料運(yùn)動(dòng)的一種有效分析方法，已被廣泛應(yīng)用于糧食機(jī)械中[1]。本文采用離散元法對(duì)斗式提升機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，首先建立斗式提升機(jī)整機(jī)模型并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用分析軟件中運(yùn)動(dòng)疊加功能建立畚斗的運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)采用顆粒粘結(jié)法建立大豆顆粒模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料提升過程進(jìn)行仿真。通過改變頭輪轉(zhuǎn)速的方法，得到不同轉(zhuǎn)速下物料卸料軌跡，獲得了物料拋出的最佳轉(zhuǎn)速。在最佳轉(zhuǎn)速下，對(duì)物料卸料運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，為機(jī)頭罩殼的改進(jìn)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 建立離散模型

斗式提升機(jī)主要工作部件有畚斗、牽引帶、頭輪、底輪等，將畚斗固定在牽引帶上，牽引帶圍繞著頭輪、底輪做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而將物料由下提升至機(jī)頭卸出。

1.1 提升機(jī)離散模型

斗式提升機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用組合法、函數(shù)建模法建立邊界模型是較困難的[2]。為了避免因提升機(jī)模型復(fù)雜而增加仿真時(shí)長(zhǎng)，將模型導(dǎo)入EDEM分析軟件前，先將提升機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文采用基于Solidworks模型的建模方法[3]，簡(jiǎn)化后提升機(jī)離散模型見圖1。

1.2 大豆顆粒建模

顆粒模型的建立直接關(guān)系到模擬計(jì)算物料提升運(yùn)動(dòng)過程是否與實(shí)際情況一致。EDEM軟件中顆粒模型為球形，采用粘結(jié)顆粒法創(chuàng)建大豆顆粒模型，見圖2所示。

1.3 接觸模型的設(shè)置

EDEM仿真中首先要確定顆粒的接觸模型，常用的顆粒接觸模型有Hertz-Mindless無滑動(dòng)接觸模型、Hertz-Mindless黏結(jié)接觸模型、線性黏附接觸模型、運(yùn)動(dòng)表面接觸模型、線彈性接觸模型和摩擦電荷接觸模型等。顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的法向受力和切向受力，可以采用利用兩物體之間的相對(duì)位置與它們各自受力處的曲率半徑進(jìn)行對(duì)比的方法得到，而顆粒接觸模型中Hertz-Mindless無滑動(dòng)接觸模型正是利用了這一原理，并且能夠較好的反映硬質(zhì)剛性物體間的力學(xué)行為特點(diǎn)，所以這里設(shè)定接觸模型設(shè)定為Hertz-Mindless無滑動(dòng)接觸模型[4]。裝料、提升及卸料過程中大豆顆粒與畚斗間存在相互接觸、摩擦，同時(shí)大豆顆粒與畚斗及大豆顆粒之間不存在粘結(jié)。接觸模型的選取直接關(guān)系到離散元法仿真結(jié)果是否真實(shí)。根據(jù)大豆顆粒運(yùn)動(dòng)及與畚斗的接觸方式，本文采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型模擬計(jì)算大豆顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。

2 離散元仿真分析

斗式提升機(jī)被廣泛應(yīng)用于糧食加工過程中，多以物料顆粒作為介質(zhì)進(jìn)行輸送，而輸送物料屬于非連續(xù)介質(zhì)。離散元法是近年來新型的一種非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法，在離散介質(zhì)力學(xué)求解方面占有很大的優(yōu)勢(shì)。EDEM 軟件不斷被開發(fā)，已將離散元法逐步應(yīng)用在谷物清選、干燥及輸送等農(nóng)業(yè)工程實(shí)際應(yīng)用中。

仿真過程中有關(guān)參數(shù)的設(shè)置：

（1）導(dǎo)入幾何體：將提升機(jī)簡(jiǎn)化模型存為IGES格式，通過EDEM前處理模塊將模型導(dǎo)入EDEM 中，如圖3所示，圖中紅色方格區(qū)為模型網(wǎng)格計(jì)算域。

（2）定義模型運(yùn)動(dòng)：EDEM中模型的運(yùn)動(dòng)形式有：Liner Translation、Liner Rotation和Sinusoidal Translation、Sinusoidal Rotation。本文中提升機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)部件包括頭輪和畚斗。頭輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可設(shè)置其運(yùn)動(dòng)形式為L(zhǎng)iner Rotation；畚斗在提升機(jī)工作過程中存在圓弧段運(yùn)動(dòng)和直線段運(yùn)動(dòng)，設(shè)置其運(yùn)動(dòng)形式為L(zhǎng)iner Rotation、Liner Translation。

（3）顆粒工廠：在提升機(jī)進(jìn)料口處創(chuàng)建顆粒工廠，通過顆粒工廠可對(duì)仿真中顆粒的數(shù)量、位置進(jìn)行設(shè)置。仿真中顆粒數(shù)目過多將影響仿真計(jì)算時(shí)間，設(shè)置顆粒每秒產(chǎn)生速度為2000個(gè)。

（4）仿真計(jì)算：仿真計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確與時(shí)間步長(zhǎng)、網(wǎng)格大小的選取有直接的聯(lián)系。為減少計(jì)算時(shí)間，將創(chuàng)建時(shí)間步長(zhǎng)為20%的瑞利時(shí)間，設(shè)置網(wǎng)格為4倍的最小顆粒半徑。

3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后通過對(duì)比，獲得最佳頭輪轉(zhuǎn)速。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下，物料運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行結(jié)果收集對(duì)比，物料運(yùn)動(dòng)軌跡效果圖整理后見表1。

由表1可看出，在頭輪臨界轉(zhuǎn)速45時(shí)，存在嚴(yán)重回料；隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，可看出卸料效果逐漸好轉(zhuǎn)，回料現(xiàn)象減少；轉(zhuǎn)速為60、65、70時(shí)，卸料效果基本相同；但在65時(shí)，物料實(shí)現(xiàn)完全卸料，因此頭輪最佳轉(zhuǎn)速為65。

4 結(jié)論

本文在建立斗式提升機(jī)離散模型后，運(yùn)用離散元法仿真模擬斗式提升機(jī)輸送物料過程。以TDTGE60/33型斗式提升機(jī)為例，得到頭輪最佳轉(zhuǎn)速為65。得到物料運(yùn)動(dòng)軌跡線，為今后合理設(shè)計(jì)機(jī)頭罩殼提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐登峰，成榮，朱煜等.基于離散元方法的糧食自動(dòng)分級(jí)研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，01（04）：396-399.

[2]李洪昌，李耀明，唐忠等.風(fēng)篩式清選裝置振動(dòng)篩上物料運(yùn)動(dòng)CFD-DEM數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，02（03）：79-84.

[3]李立青，蔣明鏡，吳曉峰.橢圓形顆粒堆積體模擬顆粒材料力學(xué)性能的離散元數(shù)值方法[J].巖土力學(xué)，2011，01（04）：713-718.

[4]孫利民，楊陽，梁江濤. 散體力學(xué)研究的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].開封大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（02）：74-77.

[5]胡國(guó)明，郭勝，陳金鑫等.離散元素法在工業(yè)過程分析與產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探[J].機(jī)電工程，2010，08（04）：1-5.

作者簡(jiǎn)介：龐曉霞（1988-），女，碩士研究生，研究方向：糧食加工機(jī)械。