基于EDEM的電磁振動給料機參數研究*

陳亞維,盧坤明,張春明,李 賀

(1.中原工學院 機電學院,河南 鄭州 451191;2.鄭州東浩科技有限公司 技術部,河南 鄭州 451191)

0 引 言

電磁振動給料機(簡稱:電振機)被廣泛應用在冶金、煤炭、電力、化工、建材、輕工和糧食等行業中,與其他設備配套,實現給料、喂料、配料、定量包裝和流程自動化作業[1,2]。目前,電振機已經趨于成熟[3],實體產品在市場上也得到了廣泛應用。

學者們對電振機做了很多研究:RADEMACHER F J C等[4]采用質點化原理研究了電振機的加料原理;顧平燦[5]從振幅與物料運動方式之間的關系對電振機給料速度進行了研究;柳志康等[6]借助EDEM仿真軟件從機械指數和振幅對電振機進行了研究;王新文等[7]基于EDEM對給料機的閘門開度進行了研究;彭美豹等[8]從閘門開度和振幅研究了電振機內物料的定量加料特性;石加聯等[9]研究了不同料層厚度下電振機內顆粒的運動規律。

以上研究多是從單個或者兩個參數進行研究,而針對參數變化對物料輸送速度規律的研究卻很少。

本文借助SolidWorks繪制電振機三維模型，用離散元數值軟件EDEM,并采用離散單元法[10]、控制變量法系統研究振幅、擋板高度、振動頻率、振動方向角這4種參數下的電振機加料規律,通過實驗驗證擋板高度和振幅變化對電振機加料的影響。

1 電振機加料原理

電振機的結構圖如圖1所示。

圖1 電振機結構圖

圖1中,電磁鐵線圈固定在底座上,通過電磁鐵線圈的電流經過半波整流,在正半周內線圈中有電流通過時,銜鐵和鐵芯相互吸引,這時振動槽向后運動,電振機的前后兩塊主振板彈簧發生變形,儲存一定的勢能。在負半周線圈中無電流通過時,電磁鐵的電磁力消失,這時板彈簧釋放儲存的勢能,振動槽朝相反的方向運動,推動振動槽中的物料向前運動。當電磁鐵線圈持續通電時,電振機就作往復振動,在槽體的連續振動下,物料實現定量輸送[11,12]。

2 EDEM仿真

2.1 EDEM模型的建立

除去電振機裝置中不必要的部分,筆者利用SolidWorks繪制料倉、擋板、振動槽,并直接在料倉中央位置繪制一個薄板,導入EDEM之后，可以利用該薄板直接建立虛擬顆粒工廠。

導入EDEM之后，電振機計算模型如圖2所示。

圖2 電振機計算模型

筆者在出口處建立質量流速傳感器,來統計實時流速。料槽參數為:長度L=500 mm,振動槽槽寬B=90 mm,槽高H=120 mm,傾斜角度α=0°;料倉底部距離振動槽底部距離90 mm,擋板高度h可以在0～90 mm范圍內調節。

2.2 仿真參數的設置

本文采用的豌豆顆粒被近似看作理想球體,且顆粒表面沒有黏附力,故筆者選用Hertz-Mindlin[13,14]無滑動模型模擬振動輸送過程中顆粒間的相互作用,仿真步長根據瑞利波法確定為Rayleigh[15]時間步長的20%。顆粒工廠先快速生成顆粒,當料倉中存有顆粒后再減緩,根據不同參數下模型的物料輸送能力,對顆粒工廠顆粒生成速度進行調節,避免顆粒過多，增加運算時長,也避免顆粒過少出現顆粒不足的現象。筆者設置采樣時間0.01 s,仿真時間15 s。

仿真參數設定如表1所示。

表1 仿真參數設定

2.3 仿真設計

該仿真是為了探究電振機在振幅、擋板高度、振動頻率、振動方向角度參數下的電振機加料規律。為了減少仿真次數,筆者規定其他參數選用以下參數:振幅A=1 mm,擋板高度h=50 mm,振動頻率f=25 Hz,振動方向角β=30°。振幅、頻率,均可以在軟件中直接進行設置,擋板高度可以通過設置EDEM軟件中擋板的CAD參數來調節。振動方向角可以通過調節運動算例始末位置進行模擬。

仿真安排如表2所示。

3 仿真結果與分析

3.1 振幅

在不同振幅下,電振機流速隨時間的變化曲線如圖3所示。

表2 仿真試驗

圖3 不同振幅下流量隨時間變化曲線

由圖3可以看出,當振幅在0.5 mm～3.5 mm范圍之內時,流速隨著振幅的增加而增大;流速達到穩定狀態所需的時間隨穩態流速的增大而減小。

為了進一步探究振幅與流速的關系,各個振幅流速均達到穩定狀態后(8 s以后),筆者取流速平均值繪制流速隨振幅的變化曲線,如圖4所示。

由圖4可以看出,當振幅在0.5 mm～3.5 mm范圍內時,電振機的加料速度是隨著振幅的增加呈開口向下的二次曲線增長的,曲線擬合的擬合度高達0.995 6。曲線零點解為物料運動所需要的最小振幅。

3.2 擋板高度

在不同擋板高度下,電振機流速隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖4 流速隨振幅變化曲線圖

圖5 不同擋板高度下流速隨時間的變化曲線

由圖5可以看出,流速隨著擋板高度的增加而增大。

為了進一步探究擋板高度與流速的關系,當各個擋板高度下流速均達到穩定狀態后(8 s以后),筆者取流速平均值繪制流速隨擋板高度的變化曲線,如圖6所示。

由圖6可以看出,電振機的加料速度隨著擋板高度的升高呈線性增長,曲線擬合的擬合度高達0.993 5。

3.3 振動頻率

在不同振動頻率下,電振機流速隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖6 流速隨擋板高度的變化曲線圖

圖7 不同振動頻率下流速隨時間的變化曲線

由圖7可以看出,當振動頻率在15 Hz～50 Hz時,流速隨著振動頻率的增加而增大。

為了進一步探究振動頻率與流速的關系,當各個頻率下流速均達到穩定狀態后(8 s以后),筆者取流速平均值繪制流速隨振動頻率的變化曲線,如圖8所示。

圖8 流速隨振動頻率的變化曲線

由圖8可以看出,當振動頻率在15 Hz～30 Hz時,電振機的加料速度隨著振動頻率的增加呈開口向上的二次曲線增長;當振動頻率在30 Hz～50 Hz時,流速隨著振動頻率的增加呈線性增加,曲線擬合度分別為0.999 8和1。

3.4 振動方向角

電振機取不同振動方向角時,流速隨時間的變化曲線如圖9所示。

由圖9可以看出,當振動方向角取15°～45°時,流速隨著振動方向角的增加而增大;當振動方向角取45°～70°時,流速隨著振動方向角的增加而減小。

為了進一步探究振動方向角與流速的關系,當各個振動方向角下流速均達到穩定狀態后(8 s以后),取流速平均值,筆者繪制流速隨振動方向角的變化曲線,如圖10所示。

圖9 不同振動方向角下流速隨時間的變化曲線

圖10 流速隨振動方向角度數β的變化曲線

由圖10可以看出,當振動方向角在15°～70°時,電振機的加料速度隨著振動方向角的變化呈開口向下的二次曲線變化,曲線擬合度為0.998 2。

4 實驗驗證

實驗裝置采用鄭州藝霖機械設備有限公司的雙頭定量分裝秤,通過調節料倉擋板高度來驗證仿真中擋板高度對電振機的影響規律;通過改變創優模塊對電振機輸入的激振電壓來模擬仿真中振幅對電振機的影響規律。由于日常采用AC 220 V電壓對設備進行供電,此處經過創優模塊對振動電磁鐵輸入電壓進行半波整流,整流后頻率為50 Hz恒定不變;設備所采用的電振機振動方向角為20°恒定不變。因此，筆者只研究了振幅和擋板高度對加料速度的影響規律。實驗數據通過記錄雙頭秤儀表參數來獲取。

雙頭秤儀表如圖11所示。

圖11 雙頭秤儀表

實驗并不能直觀體現振幅的大小,但對電振機輸入不同激振電壓時,線圈對銜鐵產生的吸引力不同,主振彈簧發生變形量不同,最終反映的振幅不同。所以筆者通過設定目標重量,將中加值設為0,通過采集每次流出物料的實際重量和所用的時間,計算出流速,通過流速的大小,間接反映振幅的大小。

實驗分別采集了激振電壓為99 V、131 V、164 V、197 V、220 V,擋板高度為50 mm、70 mm、80 mm、90 mm時的流速大小,實驗設計如表3所示。

表3 實驗驗證

機器運行穩定后,每個參數實驗5次以上,得到流速隨激振電壓(振幅)變化曲線如圖12所示。

由圖12可以看出,當擋板高度一定時,流量均值隨著激振電壓(振幅)的增加呈二次曲線線性增加。該變化趨勢與仿真結果相同。

當激振電壓(振幅)一定時,流速隨擋板高度增加的變化曲線如圖13所示。

由圖13可以看出,當激振電壓(振幅)一定時,流速隨著擋板高度的增加呈線性增長。該變化趨勢與仿真結果相同。

圖12 不同擋板高度下流速隨激振電壓(振幅)的變化曲線

圖13 不同激振電壓下流速隨擋板高度的變化曲線

5 結束語

本文借助SolidWorks和EDEM軟件,采用離散單元法、控制變量法系統研究了振幅、擋板高度、振動頻率、振動方向角4種參數變化對電振機物料輸送流速的影響,得出了每一種參數對電振機物料輸送流速的影響規律,并通過實驗驗證擋板高度和振幅變化對電振機加料影響規律的可靠性。研究結論如下:

(1)當振幅在0.5 mm～3.5 mm,激振電壓在99 V～220 V范圍內時,電振機物料輸送流速隨著振幅(激振電壓)的增加而增加,符合呈開口向下的二次曲線增長規律;

(2)擋板高度在50 mm～90 mm范圍內,電振機物料輸送流速隨擋板高度的增加呈線性增長;

(3)當振動頻率在15 Hz～30 Hz時,電振機物料輸送流速隨著振動頻率的增加呈開口向上的二次曲線增長,當振動頻率在30 Hz～50 Hz時，流速隨振動頻率的增加呈線性增長;

(4)電振機物料輸送流速隨振動方向角的增加先增后減,在45°左右達到峰值,呈開口向下的二次曲線變化規律。

電振機加料流速增大使得其物料輸送能力提升,但在一些需要定量加料的場合,不但要求加料速度快,還要求加料的穩定性好;另外,各種參數之間可能會存在交互影響作用。

因此,今后的研究方向主要是探索電振機加料速度與穩定性之間的關系，以及多參數下的綜合影響規律。