基于EDEM的多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)仿真分析*

張有旺 王 偉 劉海洋 張衛(wèi)國 呂錦超

1.天津港興洋機(jī)械有限公司 2.上海億博港口工程裝備有限公司 3.上海海事大學(xué) 4.上海振華重工電氣有限公司

1 引言

水平螺旋輸送機(jī)是一種散體物料的連續(xù)輸送機(jī)械，主要由內(nèi)部螺旋體和外層殼體組成。水平螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，物料兼容性強(qiáng)，可多點(diǎn)進(jìn)料、出料且易于布置，被廣泛應(yīng)用于食品加工、水泥、礦粉、化工、煤炭等行業(yè)[1]。多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)是水平螺旋輸送機(jī)針對(duì)特定場(chǎng)合的變形形式，該形式的水平螺旋輸送機(jī)，由于進(jìn)料點(diǎn)數(shù)目增多，其殼體內(nèi)部的物料填充率、顆粒軸向輸送速度、生產(chǎn)率等參數(shù)可能發(fā)生變化，不同于單點(diǎn)進(jìn)、出料的經(jīng)典輸送料態(tài)。而對(duì)于該工況的計(jì)算尚未找到合適的計(jì)算模型。基于此，借助離散元仿真軟件EDEM，對(duì)多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)的輸送過程進(jìn)行仿真，著重探究進(jìn)料點(diǎn)數(shù)對(duì)生產(chǎn)率的影響。

2 理論分析

對(duì)于“一進(jìn)一出”形式的水平螺旋輸送機(jī)的生產(chǎn)率計(jì)算方法是基于單質(zhì)點(diǎn)理論提出的[2]，即選取輸送機(jī)內(nèi)螺旋葉片外緣處一點(diǎn)的顆粒運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)近似代替物料整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]給出的LS型螺旋輸送機(jī)的計(jì)算，生產(chǎn)率(即輸送能力)的計(jì)算方法為：

Q=47D2ntψρC

(1)

式中，Q為生產(chǎn)率，t/h；D為螺旋直徑，m；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min；t為螺距，m；ρ為物料松散密度，t/m3；ψ為物料填充系數(shù)；C為輸送機(jī)傾角系數(shù)，水平輸送取C=1。

物料的軸向輸送速度v與螺旋轉(zhuǎn)速n的關(guān)系[4]為：

v=nt/60

(2)

式中，v為物料軸向輸送速度，m/s。

結(jié)合式(1)、式(2)，得到如下關(guān)系式：

Q=2 820D2vψρ

(3)

從式(3)可以看出，當(dāng)螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)和物料種類不變時(shí)，生產(chǎn)率Q是關(guān)于軸向輸送度v和填充系數(shù)ψ的函數(shù)，即：

Q(v,ψ)=Kvψρ

(4)

式中，K為螺旋結(jié)構(gòu)系數(shù)，K=2 820D2。

基于此，研究多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)的生產(chǎn)率，需要重點(diǎn)考察在輸送過程中填充系數(shù)和物料軸向輸送速度對(duì)生產(chǎn)率的影響。由于物料在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程較為復(fù)雜，經(jīng)過抽象簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型不能較為全面地描述物料的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而離散元仿真軟件EDEM能結(jié)合實(shí)際工況，模擬物料的輸送過程，輸出顆粒的多項(xiàng)參數(shù)。利用仿真軟件的這一特點(diǎn)，能較為方便地探究多點(diǎn)進(jìn)料工況下生產(chǎn)率的影響因素。

3 模型建立

多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)是一種定量放料裝置，其原理與水平螺旋輸送機(jī)一致。螺旋給料機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較慢，間歇工作，兼顧輸送和鎖料雙重功能。通過SolidWorks建立多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)模型(見圖1)。螺旋體采用實(shí)體式螺旋葉片，輸送管采用U型截面，壁厚10 mm，管壁與葉片的間隙取10 mm。

圖1 多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)模型

多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)的模型參數(shù)見表1。

表1 多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)的參數(shù)

4 EDEM仿真與分析

多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景之一是碼頭的鐵礦石粉料的定量裝車。針對(duì)此場(chǎng)景，進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置。

4.1 參數(shù)設(shè)置

4.1.1 顆粒與幾何體屬性

鐵礦石粉料的平均粒度約4 mm，依據(jù)比例放大的理論[5]，仿真用顆粒的粒度為40 mm，采用球面擬合的方式用3個(gè)球形顆粒拼合而成(見圖2)。

圖2 仿真顆粒模型

顆粒使用EDEM內(nèi)部的GEMM材料庫選擇，螺旋體和外管選用鋼制材料，顆粒和螺旋的材料屬性設(shè)置見表2。

表2 顆粒和幾何體的材料屬性

4.1.2 接觸模型和接觸屬性

仿真選用Hertz-Mindlin(no-slip)模型[2]。顆粒和幾何體的接觸屬性設(shè)置見表3。

表3 顆粒和幾何體的接觸屬性

4.1.3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)速一般較慢，結(jié)合實(shí)際工況，仿真選用的螺旋轉(zhuǎn)速為40 r/min。

4.2 仿真工況

4.2.1 顆粒工廠參數(shù)

顆粒工廠為邊長(zhǎng)1.5 m的立方體，屬性為虛擬體。顆粒總數(shù)2萬個(gè)，動(dòng)態(tài)生成。為使顆粒快速移出顆粒工廠，保證生成速率，設(shè)置下落速度為3 m/s。

4.2.2 仿真方案設(shè)計(jì)

根據(jù)研究目的，以進(jìn)料點(diǎn)數(shù)量為自變量，給料機(jī)的生產(chǎn)率為因變量，其他因素保持不變，設(shè)計(jì)仿真方案見表4。

表4 仿真方案設(shè)計(jì)

依據(jù)方案進(jìn)行仿真，考察每一方案在單位時(shí)間內(nèi)的出料量，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)率。仿真過程見圖3。

圖3 方案1仿真過程

4.3 仿真結(jié)果分析

4.3.1 質(zhì)量與時(shí)間關(guān)系

通過EDEM后處理模塊，查看仿真100 s時(shí)間計(jì)算域內(nèi)物料質(zhì)量隨時(shí)間變化的情況(見圖4)。

圖4 方案1計(jì)算域內(nèi)全時(shí)段質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線

從圖4可以看出：在0～2 s內(nèi)，計(jì)算域內(nèi)質(zhì)量急劇升高到最大值，此為進(jìn)料過程；在2～35 s時(shí)段，質(zhì)量最大值不變，此為管內(nèi)輸送過程；在35～85 s時(shí)段，質(zhì)量近似線性減少，此為出料過程；85～100 s，質(zhì)量一直為零，表示物料已全部排出，螺旋空轉(zhuǎn)。

在全時(shí)段中選取出料過程中穩(wěn)態(tài)出料時(shí)間段(60～80 s)，對(duì)比4種方案的物料質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(見圖5)。

圖5 60～80 s穩(wěn)態(tài)時(shí)段質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線

求出圖中4條曲線的斜率，即得到對(duì)應(yīng)4種工況下的生產(chǎn)率Q(見圖6)。

圖6 4種方案對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)率

分析圖中曲線可知，隨著進(jìn)料點(diǎn)數(shù)的增加，生產(chǎn)率增大。進(jìn)料點(diǎn)從1個(gè)變到2個(gè)，生產(chǎn)率增幅顯著，為71.89 t/h；進(jìn)料點(diǎn)從2個(gè)到3個(gè)、從3個(gè)到4個(gè)，生產(chǎn)率變化較小，增幅分別為7.43 t/h和12.19 t/h；進(jìn)料點(diǎn)從1到2對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)率增幅約為2到3的10倍，3到4的6倍。因此，在不改變螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的條件下，進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)從1個(gè)增加到2個(gè)，能顯著增加水平螺旋輸送機(jī)的生產(chǎn)率。在2個(gè)進(jìn)料點(diǎn)的基礎(chǔ)上再增加進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)，對(duì)提高生產(chǎn)率的意義不大。另外，隨著進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，螺旋機(jī)的啟動(dòng)功率增大，需配置更大的電機(jī)。從整機(jī)結(jié)構(gòu)布置和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，不推薦設(shè)計(jì)多于2個(gè)進(jìn)料點(diǎn)的水平螺旋給料機(jī)。

結(jié)合式(4)的分析，著重考察輸送過程穩(wěn)態(tài)時(shí)的橫截面填充率和軸向輸送速度。

4.3.2 橫截面的填充率

在距離出料口500 mm的位置處設(shè)置1個(gè)厚度為30 mm的橫截面，進(jìn)行截?cái)喾治觥２榭捶€(wěn)態(tài)輸送過程中，物料在橫截面內(nèi)的分布情況，考察不同方案下的物料的填充率。截?cái)喾治鲆晥D中顆粒的分布情況見圖7。

圖7 穩(wěn)態(tài)輸送時(shí)截?cái)嗝鎯?nèi)顆粒分布

從圖7中顆粒分布數(shù)量能較為明顯地看出，進(jìn)料口數(shù)增加，橫截面物料的填充率增加，即對(duì)應(yīng)式(4)中的ψ增大。通過EDEM后處理模塊，導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)輸送時(shí)段，截?cái)啾∑瑓^(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)量來考察填充率的變化。方案1至方案4的變化結(jié)果見圖8。

圖8 橫截面內(nèi)填充率的變化

分析圖中曲線，從整體趨勢(shì)看，隨著進(jìn)料點(diǎn)數(shù)的增加，橫截面物料的填充率不斷增大。當(dāng)進(jìn)料點(diǎn)從1個(gè)增加到2個(gè)時(shí)，填充率增大幅度明顯；當(dāng)進(jìn)料點(diǎn)從2個(gè)增加到3個(gè)、3個(gè)增加到4個(gè)時(shí)，填充率增大幅度較小，無明顯浮動(dòng)。原因是進(jìn)料點(diǎn)數(shù)從1變到2，使得單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入輸送機(jī)的物料增多，填充率明顯增加。而2個(gè)進(jìn)料點(diǎn)同時(shí)進(jìn)料已使螺旋內(nèi)部物料填充率接近1，故再增加進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)，對(duì)改變填充率的大小無明顯意義。

對(duì)比圖6和圖8，易見2條曲線變化趨勢(shì)出現(xiàn)高度一致性，即生產(chǎn)率與填充率存在較為明顯的線性相關(guān)性，通過提高填充率可直接有效地提高生產(chǎn)率。

4.3.3 物料的軸向輸送速度

在距離出料口500 mm的位置處布置1個(gè)圓柱形速度傳感器(Velocity Profile Sensor)，傳感器厚度40 mm，以考察物料的軸向輸送速度(沿X正方向，見圖9)。

圖9 布置速度傳感器

導(dǎo)出方案1到方案4穩(wěn)態(tài)輸送過程中物料軸向輸送速度的平均值(見圖10)。

圖10 物料顆粒的平均軸向輸送速度

分析圖中曲線，從1個(gè)進(jìn)料口到2個(gè)進(jìn)料口，物料的軸向輸送速度降勢(shì)明顯，之后的數(shù)據(jù)雖出現(xiàn)小幅波動(dòng)但數(shù)值基本恒定，可以認(rèn)為其速度不變。結(jié)合填充率的變化分析，從方案1到方案2，速度值發(fā)生明顯變化的原因是1個(gè)螺距內(nèi)物料填充增多，在螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)過程中物料翻滾現(xiàn)象明顯，物料之間的碰撞概率增加，降低了物料延軸向輸送的平均速度。在轉(zhuǎn)速不變的情況下，再增加進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)，已無法改變物料輸送的軸向速度。因?yàn)槲锪系奶畛湓谠撉樾蜗乱呀?jīng)處于“飽和”狀態(tài)，內(nèi)部達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，外界輸入量變化已無法對(duì)其產(chǎn)生顯著影響。

5 結(jié)語

通過上述分析，得到如下結(jié)論：

(1)在螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著進(jìn)料點(diǎn)數(shù)量的增加，生產(chǎn)率增大。生產(chǎn)率與進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化規(guī)律呈非線性特征且存在明顯拐點(diǎn)，仿真案例的拐點(diǎn)出現(xiàn)在第2個(gè)進(jìn)料點(diǎn)。以此推測(cè)，不同螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)率拐點(diǎn)不同。因此，在設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)料水平螺旋給料機(jī)時(shí)，應(yīng)合理把握進(jìn)料點(diǎn)的數(shù)量。

(2)在螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著進(jìn)料點(diǎn)數(shù)量的增加，物料填充率增大且填充率隨進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化規(guī)律與生產(chǎn)率的變化規(guī)律一致，呈非線性特征，也具有對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)。因此生產(chǎn)率是填充率的線性函數(shù)，控制填充率的大小將直接影響生產(chǎn)率的改變。

(3)在螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速不變時(shí)，在螺旋內(nèi)部填充率未達(dá)飽和態(tài)前，物料的軸向輸送速度與進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即軸向輸送速度隨著進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而降低。當(dāng)填充率達(dá)飽和態(tài)時(shí)，物料的軸向輸送速度不受進(jìn)料點(diǎn)個(gè)數(shù)增加的影響。