基于離散有限元仿真技術(shù)的螺旋輸砂裝置研究*

潘靈永 應(yīng) 杰 尹 進(jìn) 宋滿(mǎn)華

(1.中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司 2.中石化石油機(jī)械股份有限公司研究院)

0 引 言

螺旋輸砂裝置是混砂車(chē)的關(guān)鍵部件之一，用于滿(mǎn)足大型加砂需求以及實(shí)現(xiàn)輸砂量的精確計(jì)量[1-4]。深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的壓裂工藝具有大排量、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)施工等特點(diǎn)，其對(duì)混砂裝置的功率儲(chǔ)備范圍、持續(xù)施工能力、輸砂計(jì)量控制精度及動(dòng)態(tài)性能等方面提出了更高要求。長(zhǎng)期以來(lái)，理論公式被廣泛應(yīng)用于螺旋輸砂裝置的輸砂能力設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大差距[1]。李立等[5]通過(guò)建立螺旋輸砂試驗(yàn)裝置，從統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，修正了混砂車(chē)輸砂能力計(jì)算公式，該方法只能適用于特定系列的輸砂裝置設(shè)計(jì)計(jì)算，并不能應(yīng)用于螺旋輸砂裝置的系列化開(kāi)發(fā)。劉春雪等[2]以HS210混砂車(chē)螺旋輸砂器為原型，采用量綱分析法對(duì)輸砂量進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果誤差在22%以?xún)?nèi)，但缺少進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。賈宏禹等[6]通過(guò)將螺旋輸砂裝置簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，利用有限元法研究了靜擾度和固有頻率等參數(shù)。已有的研究大多停留在螺旋輸砂裝置的穩(wěn)態(tài)性方面，對(duì)裝置本身的動(dòng)態(tài)性能研究相對(duì)較少。

離散有限元仿真技術(shù)(Discrete Element Method，DEM)于20世紀(jì)70年代由P.A.CUNDALL提出，已成為研究非連續(xù)性介質(zhì)問(wèn)題的有效手段[7-12]。文獻(xiàn)[11]和[13]用DEM方法模擬單螺旋葉片輸送機(jī)的輸送性能，并分析了安裝傾角、轉(zhuǎn)速以及物料填充率等參數(shù)對(duì)輸送性能的影響。文獻(xiàn)[9]和[10]研究了DEM仿真技術(shù)中顆粒直徑和形狀等參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，研究結(jié)果表明，適當(dāng)放大顆粒直徑對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小。

本文從螺旋輸砂裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)出發(fā)，建立螺旋輸砂裝置參數(shù)模型，并確定仿真初始條件和邊界條件；利用DEM仿真技術(shù)，結(jié)合Hert-Mindlin接觸模型建立仿真模型，分析螺旋輸砂裝置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，以期為系列化開(kāi)發(fā)螺旋輸砂裝置提供理論基礎(chǔ)，并指導(dǎo)螺旋輸砂裝置控制器設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

1 螺旋輸砂裝置結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有混砂車(chē)中的螺旋輸砂裝置常采用雙筒輸送結(jié)構(gòu)，與地面成45°安裝傾角，螺旋葉片與螺旋中軸焊接為一體。壓裂支撐砂?；蛱樟倪M(jìn)砂口進(jìn)入絞龍殼體內(nèi)，在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下將砂斗中的支撐砂粒輸送到距離地面一定高度的混合攪拌罐內(nèi)或者混排一體化裝置內(nèi)[5]。圖1為螺旋輸砂裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

1—螺旋葉片；2—絞龍殼體；3—螺旋中軸。圖1 螺旋輸砂裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic of the spiral sand conveyor

螺旋輸砂裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括葉片直徑、螺距、螺旋中軸軸徑、螺旋葉片與殼體之間的間隙等，對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、填充率及安裝傾角等。本文以HS60混砂車(chē)用螺旋輸砂裝置為研究對(duì)象，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)分別為：輸砂器傾斜角45°，螺旋葉片直徑218 mm，葉片螺距175 mm，螺旋中軸軸徑76 mm，工作轉(zhuǎn)速20～360 r/min，輸砂范圍150～10 000 kg/min。

2 支撐砂粒標(biāo)定

壓裂支撐砂粒作為一種散料體物料，不同于普通的固體、液體和氣體，其主要力學(xué)特性包括泊松比、彈性模量和密度等。這些參數(shù)可直接通過(guò)查閱文獻(xiàn)或出廠參數(shù)獲得。接觸碰撞模型所需的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)等較難獲得，本文采用堆積角的仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)標(biāo)定仿真模型接觸參數(shù)。

2.1 接觸模型理論

離散元接觸模型的選取對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。考慮到壓裂支撐砂粒含水體積分?jǐn)?shù)極低，黏附力可忽略不計(jì)，且其圓度、球度均在0.8以上，可近似為理想顆粒體，因此本文使用Hertz-Mindlin(無(wú)滑移)接觸模型。該接觸模型將砂粒的作用力分解為接觸點(diǎn)的法向力和切向力，通過(guò)法向力和切向力的耦合計(jì)算，可以獲得顆粒間接觸碰撞時(shí)受到的空間作用力，并在仿真時(shí)間內(nèi)迭代計(jì)算出顆粒群的位置信息。

Hertz-Mindlin接觸模型中法向力Fn、切向力Ft、法向阻尼力Cn及切向阻尼力Ct計(jì)算式如下：

(1)

Ft=-Stδt

(2)

(3)

(4)

另一方面，滾動(dòng)摩擦因數(shù)在仿真計(jì)算中不可忽略，筆者通過(guò)在接觸表面施加一個(gè)力矩τ來(lái)考慮滾動(dòng)摩擦因數(shù)，于是有：

τ=μrFnXω

(5)

式中：μr為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；X為接觸點(diǎn)與質(zhì)心之間的距離，m；ω為物體接觸點(diǎn)處的單位角速度,rad/s。

2.2 支撐砂粒堆積角仿真分析

由于支撐砂粒粒徑較小，以物理試驗(yàn)用20/40目石英砂為例，其最大粒徑約為0.85 mm。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，并結(jié)合文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果，本文將支撐砂粒平均直徑放大至5 mm。仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓤A筒和其下方的基板組成，測(cè)試圓筒結(jié)構(gòu)參數(shù)，其直徑為50 mm，高度為250 mm。天然石英砂初始堆積在圓筒中，料筒以緩慢的速度垂直于料板提升，堆積過(guò)程模擬如圖2所示。

圖2 支撐砂粒堆積過(guò)程模擬圖Fig.2 Simulation diagram of sand stacking process

在Hertz-Mindlin模型中，顆粒間的靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)是影響顆粒堆積角的重要因素[14]。圖3～圖5表示不同靜摩擦因數(shù)下支撐砂粒的堆積角特性。

由圖3和圖5可知：當(dāng)顆粒-顆粒的滾動(dòng)摩擦因數(shù)(取0.05)和恢復(fù)系數(shù)等其他物性參數(shù)相同時(shí)，顆粒的堆積勢(shì)能隨靜摩擦因數(shù)的增大而增大，最終趨于定值；另一方面，堆積角隨靜摩擦因數(shù)的增大而增大。

圖3 不同靜摩擦因數(shù)對(duì)應(yīng)的堆積重力勢(shì)能Fig.3 Stacking gravity potential energy corresponding to different static friction factors

圖4 不同靜摩擦因數(shù)下的顆粒堆積狀態(tài)Fig.4 Particle stacking state under different static friction factors

圖5 不同靜摩擦因數(shù)對(duì)應(yīng)的堆積角Fig.5 Stacking angle corresponding to different static friction factors

圖6～圖8表示不同滾動(dòng)摩擦因素下支撐砂粒的堆積角特性。由圖7和圖8可知，當(dāng)顆粒-顆粒的靜摩擦因數(shù)(取0.6)和恢復(fù)系數(shù)等其他物性參數(shù)相同時(shí)，顆粒-顆粒之間滾動(dòng)摩擦因數(shù)的增大會(huì)抑制顆粒間的相對(duì)滾動(dòng)，從而使顆粒堆積角增大，且影響比靜摩擦因數(shù)的影響要大。這是因?yàn)樵诙逊e過(guò)程中顆粒的主要運(yùn)動(dòng)形式是滾動(dòng)，且當(dāng)顆粒-顆粒靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)均較大時(shí)，顆粒堆就容易呈現(xiàn)出凹、凸等不規(guī)則外形。

圖6 不同滾動(dòng)摩擦因數(shù)下的顆粒堆積狀態(tài)Fig.6 Particle stacking state under different rolling friction factors

圖7 不同滾動(dòng)摩擦因數(shù)下的堆積重力勢(shì)能Fig.7 Stacking gravity potential energy under different rolling friction factors

圖8 不同滾動(dòng)摩擦因數(shù)下的堆積角Fig.8 Stacking angle under different rolling friction factors

2.3 支撐砂粒堆積試驗(yàn)及仿真模型標(biāo)定

為了獲得準(zhǔn)確的仿真參數(shù)，采用堆積角模擬仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式。室內(nèi)支撐砂粒堆積角測(cè)試獲得的平均堆積角為23.38°。通過(guò)調(diào)整仿真參數(shù)，并經(jīng)過(guò)3次重復(fù)仿真，得到的堆積角分別為22.66°、24.27°和23.09°，均值為23.34°。堆積角試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

最終標(biāo)定的支撐砂粒接觸參數(shù)分別為：顆粒-顆?；謴?fù)系數(shù)0.4，顆粒-顆粒靜摩擦因數(shù)0.4，顆粒-顆粒滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.15，顆粒-料板恢復(fù)系數(shù)0.5，顆粒-料板靜摩擦因數(shù)0.4，顆粒-料板滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.05。

圖9 支撐砂粒堆積角試驗(yàn)結(jié)果及模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.9 Comparison of test results and simulation results of sand stacking angle

3 螺旋輸砂裝置性能仿真

筆者建立的HS360螺旋輸砂裝置仿真模型如圖10所示。為研究不同轉(zhuǎn)速下螺旋輸砂裝置的輸砂量和填充率，螺旋輸砂器靜態(tài)特性分析主要研究不同轉(zhuǎn)速下混砂裝置的輸砂量和填充率。在仿真模型中將轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定在5～400 r/min，轉(zhuǎn)速與輸砂量之間的關(guān)系曲線如圖11所示。

由圖11可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速在10～300 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速與輸砂量基本呈線性關(guān)系；隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，輸砂量基本趨于平穩(wěn)。圖12為螺旋輸砂裝置轉(zhuǎn)速與填充率的關(guān)系曲線。由圖12可知，填充率與螺旋輸砂裝置轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系，且隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。

圖10 螺旋輸砂裝置仿真模型Fig.10 Simulation model for spiral sand conveyor

圖11 螺旋輸砂裝置轉(zhuǎn)速與輸砂量的關(guān)系曲線Fig.11 The relationship between the speed of the spiral sand conveyor and the sand conveying volume

圖12 螺旋輸砂裝置轉(zhuǎn)速與填充率的關(guān)系曲線Fig.12 The relationship between the speed of the spiral sand conveyor and the filling rate

分析其原因，當(dāng)螺旋輸砂裝置轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，一方面會(huì)增強(qiáng)螺旋輸砂裝置殼體的振動(dòng)、降低支撐軸承密封性能；另一方面，由于螺旋輸砂裝置存在45°的安裝傾角，隨著轉(zhuǎn)速的增大，支撐砂粒物料相對(duì)于螺旋葉片的切向速度增大，而支撐砂粒與螺旋葉片及殼體的摩擦因數(shù)固定，從而使支撐砂粒填充率降低。因此，額定轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在10～350 r/min范圍內(nèi)，這一轉(zhuǎn)速與實(shí)際工程相接近。

圖13為螺旋輸砂裝置啟動(dòng)后到出砂口平穩(wěn)出料時(shí)延遲時(shí)間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

圖13 螺旋輸砂裝置轉(zhuǎn)速與平穩(wěn)出料延遲時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.13 The relationship between the speed of the spiral sand conveyor and the delay time of steady discharge

由圖13可知，延遲時(shí)間隨轉(zhuǎn)速的增大而縮短，且延遲時(shí)間與轉(zhuǎn)速近似呈指數(shù)關(guān)系，其擬合曲線方程如下：

t=3.284 64-60.484 54×0.986n

(6)

式中：t為延遲時(shí)間，s；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

式(6)也體現(xiàn)了螺旋輸砂裝置的動(dòng)態(tài)特性，可為控制器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

為進(jìn)一步研究螺旋輸砂裝置葉片螺距P對(duì)輸砂量和平穩(wěn)出料時(shí)間的影響，在保持葉片直徑D不變的前提下，分別模擬P/D=0.5、0.8和1.0幾種不同螺距的螺旋輸砂裝置性能。其中，P/D=0.8為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

圖14為轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，不同螺距下的輸砂量瞬時(shí)曲線。由圖14可知，螺距越大，延遲時(shí)間越短，但穩(wěn)態(tài)輸砂量波動(dòng)越大，而且螺距對(duì)平均輸砂量影響不大。因此，在保證螺旋葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，合理優(yōu)化螺旋葉片螺距是保證平穩(wěn)輸砂性能的關(guān)鍵。

圖14 螺旋輸砂裝置螺距與出料的時(shí)間曲線Fig.14 The screw pitch and discharge time curve of the spiral sand conveyor

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)試驗(yàn)和仿真模擬，標(biāo)定了模型的接觸參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒-顆粒的靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)的增大，堆積角度呈增大趨勢(shì)，且顆粒-顆粒的動(dòng)摩擦因數(shù)比靜摩擦因數(shù)的影響大。

(2)通過(guò)性能仿真發(fā)現(xiàn)，填充率與轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系，且隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。隨著轉(zhuǎn)速的提高，支撐砂粒物料相對(duì)于螺旋葉片的切向速度增大，而支撐砂粒與螺旋葉片及殼體的摩擦因數(shù)固定，從而使支撐砂粒填充率降低。同時(shí)在保證螺旋葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，合理優(yōu)化螺旋葉片螺距是保證平穩(wěn)輸砂性能的關(guān)鍵。