離散元法在卷煙包裝機組煙庫仿真設計中的應用

湯達偉，方 鑫，楊 格，鄧義求

1. 中煙機械技術中心有限責任公司，上海市浦東新區金海路1000 號10 號樓 201206

2. 北京合工仿真技術有限公司，北京市海淀區黑泉路8 號寶盛廣場D 座9015 室 100192

卷煙包裝機組煙庫主要由貯煙通道、分流裝置、煙支攪動輥和下煙槽等組成，其作用是接收和儲存來自卷接機組的煙支，通過分流裝置使煙支進入下煙槽，進而被推入模盒。煙庫中的煙支在流動過程中會出現變形、堵塞等情況，造成停機，影響作業效率。針對此問題，陳曦等［1］通過改變攪動輥作用區域，使煙支穩定快速落入料斗；郭建娟等［2］改進煙庫下煙通道內分煙隔板和導煙板結構，提高了煙支下落速度；蘇琦等［3］設計煙庫下煙吹風裝置，提高了煙支下落順暢度。上述改進雖取得一定效果，但未找到煙支變形堵塞的原因，不能從根本上解決問題，且上述改進均基于實際生產線進行，開發成本較高。利用軟件仿真模擬研究流動煙支的變形問題具有實際意義。

離散元法（Discrete Element Method，DEM）是1971 年由Dr. Cundall 提出的一種處理非連續介質問題的數值模擬方法［4-5］，EDEM 軟件是基于離散元法設計的用來模擬和分析顆粒處理和生產操作的通用CAE 軟件［6］，在礦山機械［7］、農業機械［8］、鋼鐵冶金［9］、特種車輛［10］等領域的仿真模擬研究中已有廣泛應用。煙庫結構中的煙支呈離散和獨立運動狀態，煙支之間存在接觸、擠壓等作用［11］，因此煙庫中煙支的流動規律適用于用離散元法來解決，然而此類研究鮮見報道。

為此，以ZB28（X6S）高速包裝機組煙庫為研究對象，采用EDEM 仿真軟件分析了煙支的流動狀態和規律，以期為優化煙庫設計、提高設備效率提供參考。

1 材料、設備與方法

1.1 材料與設備

材料：市購“紅雙喜”牌卷煙。

設備：ZB28（X6S）包裝機組，額定包裝速度為600 包/min（上海煙草機械有限責任公司）；仿真軟件EDEM2019.1（英國DEM-Solutions 公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙庫結構模型的建立

利用三維工程繪圖軟件CREO 2.0 建模生成ZB28 煙庫初始模型。為降低計算量，對初始模型進行簡化［12］，刪去煙庫內所有螺栓、墊圈等零部件，保留推煙板、上下輸送帶、固定分流塊等關鍵作業部件。簡化前后模型見圖1。將簡化后的模型保存為中間格式并導入EDEM。

圖1 ZB28 包裝機組煙庫結構三維模型Fig.1 3D Model of structure of hopper in ZB28 cigarette packer

表1 煙支物理特性參數Tab.1 Physical parameters of cigarette

1.2.2 煙支物理特性參數的標定

在仿真模擬前參照文獻［13］對煙支的物理特性參數進行標定，包括煙支的外形尺寸、碰撞恢復系數、滾動摩擦及靜摩擦系數、剪切模量、泊松比等，具體的參數標定試驗另文發表。根據試驗標定結果及虛擬預實驗結果，確定輸入EDEM 的煙支物理特性參數見表1。

1.2.3 運動部件參數設置

分別設置ZB28 包裝機組的包裝速度為260、400、600 和800 包/min，獲得各運動部件的實際運行參數，見表2。將上述參數輸入仿真軟件。

1.2.4 煙支預堆積

實際生產中煙庫運行的初始條件是煙支充滿煙庫，因此在仿真前需要用煙支預堆積和填充煙庫。在EDEM 中按照表1 的參數生成煙支并填充整個煙庫內腔體，通過軟件計數功能得到預堆積煙支數量為3 706 支。

表2 不同包裝速度下ZB28 煙庫各運動部件的作業參數Tab.2 Operating parameters of moving parts of ZB28 hopper at different packaging speeds

2 仿真結果

2.1 煙支運動速度模擬

煙庫中攪動輥及活動導煙塊做周期性運動，導致煙庫內煙支流動速度呈現周期性變化。以600 包/min 運行工況為例，推煙板一次作業時間為0.1 s，提取推煙板作業周期內煙支速度變化數據，見圖2。可見，在上一推程結束時，推煙板處于初始位置，下煙通道底部煙支已被推出，下煙通道內其余煙支受重力及煙支間壓力作用向下運動，因此下煙通道中煙支速度較高，可見紅色部分較多（圖2a）；當推煙板推出煙支時，下煙通道最底層煙支以較大速度被推出，見紅色部分，而煙庫其他部分煙支則處于相對靜止狀態，大部分顯示為藍色（圖2b）；推煙板回程時，靜止狀態被打破，固定分流塊頂部的煙支受到輸送帶上煙支推擠和重力作用下落速度加快，下煙通道內中下部區域煙支為補充被推出煙支的空缺下落速度也開始增加，圖中顯示為綠色部分（圖2c）；當推煙板回程結束時，下煙通道內中上區域煙支受重力和上層煙支壓力作用繼續下落，相對速度較快，此處煙支標記為綠色（圖2d）。四個過程周而復始，造成煙支速度的周期性變化。

圖2 包裝速度600 包/min 時煙支運動速度周期變化Fig.2 Periodic variation of cigarette movement speed at packaging speed of 600 packet/min

2.2 煙支受力情況模擬

以600 包/min 工況為例，提取煙支受力情況數據，見圖3。可見，煙支受力較大的位置主要集中分布在煙庫上方入口處、弧形板處及攪動輥區域，即圖3 中的紅色區域。分布情況符合煙庫作業邏輯，由輸送帶送來的煙支在弧形板處受到弧形板及其他煙支的作用力改變運動方向，此時煙支受力較大；由于攪動輥運動頻率較高［14］，攪動輥區域的煙支接觸、碰撞頻繁，因此此處的煙支受力明顯較大。

推煙板作業量不同也會使煙庫內煙支受力有所差異。利用EDEM 后處理Selection 功能［15］分別提取400、600 和800 包/min 工況下攪動輥區域煙支受力數據，見圖4。可見，400 包/min 模擬工況下煙支受力波動范圍內數值最小，其次為600 包/min模擬工況下，800 包/min 模擬工況下煙支受力波動范圍內數值最大，變化情況符合實踐經驗。根據提取數據計算煙支受力平均值，分別為0.012 9、0.016 6 和0.019 8 N。

圖3 包裝速度600 包/min 下煙支受力分布Fig.3 Distribution of forceacting on cigarettes at packaging speed of 600 pack/min

圖4 不同包裝速度下攪動輥區域煙支受力情況Fig.4 Distribution of force acting on cigarettes in stirring roller area at different packaging speeds

3 仿真驗證

為驗證仿真模型的有效性，赴上海卷煙廠拍攝了以260 包/min 速度運行的GD X6 包裝機組（煙庫結構與ZB28 包裝機組一致）運行情況，與同樣速度下的仿真結果進行對比，結果見圖5～圖8。

圖5 煙庫內煙支的整體分布情況Fig.5 Overall distribution of cigarettes in hopper

由圖5 可見，煙庫內煙支并非完全緊密排列，煙支間存在一定空隙，在煙庫內形成“氣孔”。仿真結果與上機運行結果相吻合。

由圖6 可見，正常運行情況下煙支不會發生斷流，始終較為均勻地堆積在攪動輥下端水平處，仿真結果與上機運行結果相吻合。

由圖7 可見，固定分流塊下方并非處于填充堆滿狀態，而總是存在較大的空隙，仿真結果與上機運行結果相吻合。

由圖8 可見，當煙支流動時，在弧形板頂端有部分煙支無法被挾帶流動，在此處停留時間較長，導致輸送帶傳送的煙支與這些惰性煙支形成切線流動（圖8a）；仿真結果（圖8b）顯示弧形板頂端部分煙支速度較小，表明此處煙支為惰性煙支。仿真結果也與上機運行結果相吻合。

圖6 下煙通道煙支分布Fig.6 Cigarette distribution in the discharge channels

圖7 固定分流塊下方煙支分布Fig.7 Cigarette distribution under the fixed deflector

圖8 弧形板處煙支流動死角Fig.8 Cigarette distribution in the dead corner of arc plate

4 結論

基于離散元仿真軟件EDEM 建立了ZB28 高速包裝機組煙庫中煙支流動仿真模型，該模型可模擬不同包裝速度下煙支的流動速度及受力情況。以ZB28（X6S）高速包裝機組煙庫為對象進行仿真驗證，結果表明：在260 包/min 運行速度下，煙庫內煙支整體分布、下煙通道煙支分布、固定分流塊下方煙支分布和弧形板處煙支流動死角的仿真結果與上機運行結果具有一致性，說明EDEM 仿真軟件適用于分析煙庫中煙支的流動規律，可為煙庫設計改進提供參考。受限于研究條件，本研究中僅對仿真工況和實際工況進行直觀對比，相關指標的數字化比較還有待進一步深入研究。