基于EDEM 的糧食垂直螺旋輸送機性能分析

武照云，程洋洋，高夢媛，張穎旭，張中偉

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450001）

垂直螺旋輸送機是一種連續(xù)輸送設備，借助旋轉螺旋的推力將物料沿機槽進行輸送，被廣泛應用于采礦、 化工、 釀造、 碼頭以及建筑等工業(yè)領域。近些年，垂直螺旋輸送機憑借自身的諸多優(yōu)勢在糧食垂直提升與輸送領域逐漸成為主流裝備。 但是，垂直螺旋輸送機的設計與性能分析[1]卻是長期以來一直困擾設計人員的一大技術難題，輸送效率低與運行能耗高成為糧食垂直螺旋輸送機的突出問題。

垂直螺旋輸送機的結構參數與運行參數對其實際性能指標[2]具有很大影響，為了探明彼此之間的影響關系并優(yōu)化裝置的結構設計，學者們開展了大量的研究工作。 王東霞[3]為模擬螺旋旋轉時的各項數值建立了相關的數學模型，并在計算機中實現結構的優(yōu)化設計。 袁建明等[4]運用EDEM 軟件進行仿真實驗，通過后處理提取質量流率的數值結果，分析了變截面螺旋設計對輸送效率的影響。 鄭欣欣[5]運用EDEM 軟件對黃豆的輸送過程進行仿真，探究了結構參數和運行參數對傾斜式螺旋輸送機輸送能力的影響規(guī)律，并輔以正交試驗得到輸送能力最優(yōu)的參數組合，同時還研究了顆粒速度、 消耗功率的影響因素及規(guī)律。 余書豪[6]基于正交試驗表進行了仿真實驗，并建立輸送量和能量耗散的響應面模型，通過最小二乘法擬合得到相關擬合函數，再通過遺傳算法求解，得到最優(yōu)的設計參數，并對結果加以實驗驗證，證實了該方法的可行性[7]。

目前大多數研究采用模擬仿真的方法對糧食螺旋輸送機裝置進行性能分析，EDEM 軟件是目前使用最為廣泛的離散元仿真計算軟件，在糧食顆粒運動模擬方面發(fā)揮出了重要作用[8]。 基于此，本文采用EDEM 軟件對糧食垂直螺旋輸送機的性能指標 （輸送效率、 能耗） 進行模擬計算，并探明裝置結構參數與運行參數對性能指標的影響關系，為糧食垂直螺旋輸送機的結構優(yōu)化設計提供理論依據。

1 基于EDEM 的輸送機模擬仿真實驗

1.1 建立糧食垂直螺旋輸送機的三維模型

糧食垂直螺旋輸送機裝置主要包括驅動電機、機座、 上部軸承座、 中間支撐、 下部軸承座、 螺旋體、 軸承等[9]。 該裝置的工作原理是利用旋轉的螺旋將被輸送的糧食推到筒壁上，隨著物料速度的增加，當物料的離心力大于摩擦力時便會形成一定的軸向速度，從而實現物料的垂直輸送。

為了準確表達糧食垂直螺旋輸送機的組成結構，本文選取三維建模軟件Creo5.0 對裝置結構進行三維建模，相關結構尺寸的參數如下： 筒壁厚6 mm、 葉片與筒壁間隙3 mm、 螺旋長度1000 mm、螺旋葉片厚度1 mm、 喂料口與筒壁底距離5 mm、筒壁上端開口直徑100 mm。

裝置建模完成后導入離散元模擬分析軟件EDEM 中，建立離散元分析模型，見第63 頁圖1。

圖1 糧食垂直螺旋輸送機離散元仿真模型

1.2 基于EDEM 的輸送機性能仿真實驗

為了更加全面地獲取輸送機各結構參數與運行參數對性能指標的影響關系，本文選取輸送機的螺距、 葉片直徑與軸徑作為裝置結構參數； 選取輸送機的運行轉速與糧食填充系數作為裝置的運行參數；選取輸送機的糧食輸送流量與運行能耗作為裝置的性能指標。 糧食的選取為谷物，其顆粒尺寸服從正態(tài)分布，具體參數設置情況見表1[10]。

表1 材料屬性參數設置

本文采用L16（45）正交試驗法進行模擬仿真實驗[11-12]。 分別設定了輸送機葉片的直徑： 160 mm，180mm，200mm，220mm； 螺距： 160 mm，180 mm，200 mm，220 mm； 軸徑： 40 mm，50 mm，60 mm，70 mm； 填充率： 20%，30%，40%，50%； 螺旋轉速： 500 r/min，600 r/min，700 r/min，800 r/min。

根據上述實驗方案，以糧食物料輸送的質量流率和能量耗散作為性能指標，通過EDEM 軟件對裝置仿真實驗中樣本區(qū)域的平均質量流率和能量耗散數值進行計算 （選取樣本區(qū)域的半徑為120 mm，高度為50 mm，樣本區(qū)域中心線與螺旋軸中心線相重合），得到仿真實驗數據，見表2。

2 構建輸送機裝置的性能指標函數

2.1 輸送量與能量耗散響應面模型建立

將表2 中的各項結構參數和運行參數作為自變量，質量流率和能量耗散作為因變量，通過數學擬合方法建立自變量與因變量之間的函數關系。 常用的方法是通過最小二乘法擬合成一次多項式函數、二次多項式函數以及指數函數的形式對擬合誤差進行評價分析，進而確定最佳的函數形式。

表2 實驗數據統(tǒng)計

通過MATLAB 軟件數據擬合程序對表2 中的相關數據進行擬合，可以分別得到輸送機輸送量指標Q 與能量耗散指標E 的一次多項式擬合結果、 二次多項式擬合結果以及指數函數擬合結果，見式 （1）～式（6）。

2.2 擬合誤差分析

為了檢驗輸送量與能量耗散響應面模型的有效性，有必要對各擬合函數表達式進行誤差分析與評價。 將表2 中的16 組實驗數據分別代入式 （1） ～式 （6） 進行求解，對比擬合函數值與實驗結果，可得到各擬合函數表達式的平均誤差，見第64 頁表3 和表4。

表4 能量耗散E 各擬合函數的平均誤差 （%）

由表3 和表4 的平均誤差分析結果可知，輸送量Q 的一次函數擬合表達式誤差最小，能量耗散E也是一次函數擬合表達式誤差最小，因此選取式（1） 與式 （4） 分別作為輸送機輸送量指標Q 與能量耗散指標E 的響應面模型。

3 結論

本文針對糧食垂直螺旋輸送機的性能問題進行分析，通過Creo5.0 軟件建立了輸送機的三維仿真模型，并選取對性能影響較大的參數建立正交試驗表進行基于EDEM 的仿真實驗。 通過EDEM 軟件后處理模塊，提取出質量流率和能量耗散的結果數據作為性能指標，最后采取最小二乘法擬合并建立了性能指標參數的響應面模型。 實驗結果對糧食垂直螺旋輸送機的結構優(yōu)化設計具有一定指導意義。