基于離散元法的臥式雙軸攪拌機攪拌優(yōu)化分析

肖舫

摘 要：提高顆粒物料混合的效率作為研究重點長期被人們關注。為了研究臥式雙軸攪拌機結構參數和工藝參數對混合性能的影響，以兩種顆粒物料混合作為實驗對象，針對臥式雙軸攪拌機的結構參數和攪拌工藝參數設計了多因素多水平的正交模擬實驗。以EDEM軟件為平臺，基于離散元法對顆粒模型進行了攪拌混合數值模擬實驗，繼而進行了極差和方差分析，得出結論：軸間距1000mm，葉片間距610mm，雙軸轉速為80rpm的參數水平下混合度參數結果最佳;攪拌結構參數和工藝參數中，軸間距因素對混合度影響最大，雙軸轉速次之，攪拌軸葉片間距影響最小。表面合適的軸間距和恰當的攪拌速度對攪拌機混合性能影響顯著。混合攪拌機的參數優(yōu)化對眾多行業(yè)都有著極為重要意義。

0 引言

粉料工廠的攪拌機生產效率決定了工廠的產量和企業(yè)規(guī)模，而粉料產品的質量往往也取決于顆粒混合設備的混合性能，攪拌機是粉料業(yè)最為關鍵的加工設備[1]。國內的攪拌機的研制和發(fā)展都朝著快速、高混合度、低耗、低殘留量以及系列化等目標[2]。其中，臥式雙軸槳葉攪拌機是目前最常見的機型，它采用雙槳葉攪拌機構，可以縮短物料的混合時間，能夠將物料有效的混合，混合的均勻度比單槳葉的好。設計新型物料攪拌機、優(yōu)化攪拌機的結構參數和工藝參數、提高攪拌機的工作效率一直是臥式雙軸槳葉攪拌機的研究重點[3]。

近幾年，采用數值仿真的方法開展臥式攪拌機關鍵技術的研究也越來越廣泛。涂文靜[4]通過使用軟件SolidWorks簡化雙軸攪拌機模型，并校核傳動軸強度及剛度，進而對攪拌機結構進行優(yōu)化。詹民民[5]通過使用軟件Fluent分析不同的攪拌葉片安裝間距和不同的攪拌臂長度攪拌槳對臥式粉料攪拌機攪拌槽內的流場分布以及固體相的體積分數分布情況的影響。丁智勇[6]通過使用軟件EDEM對瀝青混合料攪拌過程進行仿真，研究混合均勻性在不同轉速條件下的變化情況，進而確定最佳的攪拌速度。攪拌機的混合效率是粉料加工企業(yè)長期以來的研究內容，提高攪拌混合機的效率也是為提高生產效率，實現收益增加的技術重點。因而，研究提高臥式雙軸攪拌機的工作性能有著重要的實際意義。

1攪拌機三維模型及顆粒模型

1.1攪拌機模型

研究開展所用的攪拌機模型通過UG繪制部件裝配，設計了包括箱體，葉片，檢修門，側擋板，攪拌軸，葉片體在內的主要部件等。為了提高解算效率，在進行EDEM分析時，將攪拌軸、攪拌槳葉及攪拌外筒的三維模型在保證仿真真實性的情況下進行了部件的簡化，通過中轉文件完成后導入Geometry模塊。對EDEM中的雙軸臥式攪拌機模型進行了簡化改動，在不影響攪拌性能的情況下，攪拌保留了主箱體和雙攪拌軸主要部件，如圖1所示。

1.2顆粒模型

建立兩種材料顆粒模型如圖2所示，顏色分別定為白色和黑色，顆粒直徑分別為15mm和20mm。為了便于分析物料混合的均勻性受到各種條件的影響情況，需要采用數值化的方法評定攪拌腔內散體物料混合程度，這里采用混合度作為評定物料分散均勻性和攪拌性能的指標參數[7]。

2 實驗設計

2.1正交實驗參數

在攪拌顆粒混合實驗中，采用了多因素多水平的正交實驗具體分析了攪拌軸中心距、單軸上的葉片間距、雙軸轉速結構參數對工藝性能的影響[8-9]。基于離散元法對預先準備的物料進行混合攪拌正交仿真分析，相比于單因素水平實驗，正交試驗不僅能夠更準確地分析混合均勻性受各條件的影響情況，同時還能夠提高實驗效率。表1為實驗采用的因素水平。

本實驗因素為A：攪拌軸間距、B：軸上葉片的間距、C：攪拌軸轉速，是L9（33）三因素三水平正交實驗，建立的正交實驗方案如表2所示。

2.2仿真實驗設計

攪拌開始前，首先將建立的兩種物料顆粒模型按照一定的比例投放， 分別落人轉筒內的混合腔。混合攪拌一定的時間后， 停機取樣。在EDEM中的攪拌實驗過程如圖3所示，為了便于觀察顆粒分布情況，將攪拌機箱體隱藏。

圖3? 顆粒混合EDEM仿真

Figure 3 EDEM simulation of particle mixing

通過觀察混合腔的截面圖可以初步判斷物料的混合情況。以第一組因素水平實驗為例，經過不同攪拌時間后混合狀態(tài)如圖4所示，可以看出，經過10s的攪拌混合后，兩種顆粒的混合效果有了明顯的提高。為了得到攪拌完成后兩種物料顆粒的混合度準確值，需要將攪拌實驗的區(qū)域劃分為多個尺寸合理等份的子區(qū)域，借助EDEM的result獲取各組間兩種物料的組分比，以顆粒數50為篩選指標進行挑選，對有統(tǒng)計意義的有效組bin數據結果進行處理，進而獲取相關參數并計算得出混合度。

3? 實驗結果分析

圖5為各組實驗攪拌50s后顆粒混合情況，可以看出第1組、第3組及第9組中依然存在大面積未與白色顆粒相混合的黑色顆粒堆積，混合效果明顯差于其它幾組。經過計算，第1組至第9組的最終混合度計算結果分別為：2.982、3.980、3.402、5.300、4.988、6.480、4.419、5.832、2.904。

3.1極差分析

差分析法簡稱R法，在正交實驗的數據處理中，極差分析法可以獲取影響結果因素的重要性將因素進行排列。表3為對混合度的極差進行分析結果。

從極差分析結果可以看出：對于因素A軸間距 kj2 > kj3 > kj1，表明軸間距因素在1000mm水平下，50s內的混合度更高。對于因素B雙軸轉速 kj2 > kj3 > kj1，說明在50s內葉片間距參數水平在610mm下的混合效果較優(yōu)。對于因素C雙軸轉速 kj2 > kj3 > kj1，說明在50s測試時間內，雙軸轉速參數在80rpm水平下的混合效果較優(yōu)。

對ABC三因素的極差分析有： RA > RC > RB，說明在三種因素實驗所取水平梯度中，軸間距的顯著性最大，轉速的顯著性次之，葉片間距對目標參數的影響最小。

綜上所述：實驗因素在軸間距為1000mm，葉片間距610mm，雙軸轉速為80rpm的參數水平下混合度參數結果最佳，相應的實驗組因素組合為A2B2C2實驗組。其次，軸間距對混合度影響是最大的，其次是雙軸轉速，對試驗時間內的物料混合程度的影響最小因素是攪拌片間距。

3.2方差分析

通過采用方差分析方法對試驗結果進行分析可以對影響試驗結果的各因素的重要程度給以準確的定量估計，并對極差分析法的實驗數據波動進行分析。表4為對混合度的方差分析結果。

根據表4的數據，采用方差分析的計算方法進行進一步分析，計算結果如表5所示：

結果表明：因素A軸間距的檢驗F 值為 7.328， F0.1>7.328> F0.25，所以因素A軸間距在α = 0.25水平上對混合度的影響較為顯著;因素C轉軸轉速的檢驗F值為3.281，F0.1>3.281> F0.25，所以因素B 雙轉軸轉速在α = 0.25 水平上對混合時間的影響較顯著。因素B葉片間距的因素檢驗F 值為1< F0.25，所以因素B葉片間距對混合時間的影響不顯著。

4? 結論

本文采用了離散元的分析方法，針對臥式攪拌機的結構及工藝參數對攪拌效率的影響進行了研究。通過分析軟件EDEM模擬顆粒混合系統(tǒng)，精確模擬散體顆粒混合分布狀態(tài)，并對攪拌結構參數與工藝參數匹配，以多因素正交實驗和極差方差分析為研究手段，評定了攪拌軸中心距，雙臂排布參數和葉片轉速因素在多水平下的混合度指標，并得到了以下結論：在三因素三水平L9 （ 33）正交實驗中，軸間距為1000mm，葉片間距610mm，雙軸轉速為80rpm的參數水平下混合度參數結果最佳;在攪拌結構參數和工藝參數中，軸間距因素對混合度影響最大，雙軸轉速次之，攪拌軸葉片間距影響最小。表面合適的軸間距和恰當的攪拌速度對攪拌機混合性能影響明顯，合適的攪拌軸葉片間距也在一定程度上影響攪拌效率。