平房倉倉底余糧清掃裝置傳送及收集仿真研究

何穎臻 王明旭,2 王 巍 李淑博

平房倉儲糧為中國最主要的儲糧方式,但其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不太適宜散糧的自動化進(jìn)出,且糧食倉儲條件短時間內(nèi)較難改變。在使用大型出倉設(shè)備后,平房倉倉底會剩下薄薄一層糧食,大型設(shè)備無法清掃,易造成糧食浪費(fèi)和影響下一輪糧食入倉。人工清掃需要大量工人、時間,且存在一些不確定因素和安全隱患,不利于當(dāng)前糧食倉儲物流整體實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化和專業(yè)化,影響智慧糧食倉儲物流的升級進(jìn)程。因此,針對平房倉倉底余糧清掃缺乏專業(yè)化清掃設(shè)備的問題,并充分考慮機(jī)械裝備在糧庫中工作的限制,研究設(shè)計了一種針對平房倉倉底余糧的清掃裝置。該余糧清掃裝置(圖1)主要由清掃部分、傳送部分、收集部分、控制部分和行走部分組成。

1. 清掃部分 2. 傳送部分 3. 收集部分 4. 控制部分 5. 行走部分

研究主要對余糧清掃裝置的傳送部分和收集部分進(jìn)行仿真分析,通過觀察仿真結(jié)果驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵參數(shù)是否滿足功能需求。在傳送部分仿真中,通過改變波紋擋邊帶的運(yùn)行速度,觀察不同運(yùn)行速度下物料輸送情況,從而確定波紋擋邊帶合理運(yùn)行速度范圍。根據(jù)所確定的速度范圍指導(dǎo)電機(jī)和減速器的選型和購買,以免造成不必要的采購浪費(fèi)。收集部分仿真的目的主要是確定收糧盒的最大容量,并檢驗(yàn)收糧盒設(shè)計是否合理。當(dāng)收糧盒擋片抬起后,收糧盒內(nèi)糧食物料是否能全部卸出,大約需要多長時間,以期為后續(xù)的自動控制提供依據(jù)。

1 仿真研究方法

1.1 離散元法概述

離散元法自1979年被美國Cundall教授提出以來,已從散體力學(xué)、巖土工程和地質(zhì)工程等工程應(yīng)用領(lǐng)域拓展至散狀物料、粉體工程等領(lǐng)域[1-4]。其與有限元法和計算流體力學(xué)構(gòu)成了目前世界上主流的3種分析物質(zhì)系統(tǒng)動力學(xué)問題的數(shù)值計算方法。離散元法最核心的思想是通過大量的顆粒單元來模擬實(shí)際的研究對象,通過求解每一個顆粒的運(yùn)動狀態(tài)來反映實(shí)體結(jié)構(gòu)或者微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。離散單元法也將區(qū)域劃分成單元。但是單元因受節(jié)理等不連續(xù)面控制,在后續(xù)運(yùn)動過程中,單元節(jié)點(diǎn)可以分離,即一個單元與其鄰近單元可以接觸,也可以分開。

離散元法的一般求解過程為先將求解空間離散為離散元單元陣,并根據(jù)實(shí)際問題采用多種接觸模型將相鄰單元連接起來[5-10]。由于單元間相對位移是基本變量,由力與相對位移的關(guān)系可得到單元間法向和切向的作用力。然后對單元在各個方向上與其他單元間的作用力以及其他物理場對單元作用所引起的外力求合力和合力矩,根據(jù)牛頓運(yùn)動第二定律求得單元的加速度。最后對其進(jìn)行時間積分,得到單元的速度和位移。從而得到所有單元在任意時刻的速度、加速度、角速度、線位移和轉(zhuǎn)角等物理量[11-13]。

離散元法也有一定局限性。離散元法在數(shù)值模擬時通常需要迭代計算至少107次,使得迭代計算量非常大。且離散元模擬過程中,通常都是賦予顆粒接觸參數(shù)和接觸模型來進(jìn)行計算,使得其表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)性質(zhì)和實(shí)際材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)相匹配,而這種堆積模型的宏觀力學(xué)性質(zhì)和單元力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系是不明確的,需進(jìn)行大量的調(diào)試實(shí)現(xiàn)二者的匹配。現(xiàn)代工程中常常面臨多場和多相耦合的問題,如流固耦合、熱固耦合,而這些問題在離散單元法中實(shí)現(xiàn)的理論還不夠完善,一定程度上限制了離散單元法的應(yīng)用范圍。

1.2 離散元軟件

研究采用的離散元仿真分析軟件為EDEM(expectation-driven event monitoring),為全世界第一款離散元仿真軟件,也是目前中國最常用的,且大量試驗(yàn)已驗(yàn)證了其仿真結(jié)果的可靠性。EDEM軟件主要由三大模塊組成:模型創(chuàng)建模塊、仿真求解模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。模型創(chuàng)建模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)定物理模型、重力和材料,定義顆粒特性,定義或?qū)霂缀误w,設(shè)定幾何體特征和顆粒工廠參數(shù)。仿真求解模塊負(fù)責(zé)設(shè)定時間步長、仿真時間和網(wǎng)格屬性。最后通過數(shù)據(jù)分析模塊得到所需要顆粒的速度、應(yīng)力等信息,并分析處理信息、生成圖表。

2 離散元仿真參數(shù)的確定

在使用離散元軟件進(jìn)行分析前,先要確定被仿真物料的基本參數(shù)和物料與物料之間、物料與其他材料之間的接觸參數(shù),包括物料的顆粒大小、密度、泊松比和剪切模量,碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)等接觸參數(shù)。

通過查找相關(guān)糧食顆粒數(shù)據(jù),玉米籽粒[14]、大豆[15]、糙米[16]的密度大約為1 197,1 228,1 800 kg/m3。由于玉米籽粒的密度相較于其他糧食物料的低,且單個種子顆粒較大,在相同總質(zhì)量下?lián)碛懈蟮捏w積。玉米籽粒的這些特點(diǎn)有益于檢驗(yàn)在極端條件下傳送部分和收集部分能否滿足設(shè)計要求,且玉米籽粒與接觸材料橡膠帶、有機(jī)玻璃和不銹鋼的相關(guān)接觸參數(shù)標(biāo)定和研究較為豐富,便于查找使用且準(zhǔn)確性較高。同時較大的顆粒直徑能減少仿真計算的顆粒總數(shù),減輕仿真計算硬件壓力和節(jié)省仿真時間。因此,試驗(yàn)仿真物料的參數(shù)將以玉米籽粒為基礎(chǔ)。

根據(jù)Zhou等[17]對玉米籽粒DEM參數(shù)標(biāo)定的研究,玉米籽粒的休止角主要由玉米籽粒之間的動摩擦系數(shù)決定,并通過試驗(yàn)證明了玉米籽粒相互之間和玉米籽粒與接觸邊界之間的接觸參數(shù)與玉米籽粒形狀無關(guān)。由于試驗(yàn)仿真主要從宏觀現(xiàn)象上驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和關(guān)鍵性能參數(shù)的確定,且在其他參數(shù)確定的情況下,顆粒形狀對仿真結(jié)果影響較小,為減小仿真計算量,將玉米籽粒簡化為球體進(jìn)行仿真計算。根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]對玉米籽粒形狀尺寸的統(tǒng)計,試驗(yàn)仿真采用直徑為8.23 mm的球體作為玉米籽粒仿真模型。

試驗(yàn)仿真所需參數(shù)包括玉米籽粒、橡膠帶、有機(jī)玻璃和不銹鋼的物料參數(shù)及其相互之間的接觸參數(shù),通過查閱相關(guān)標(biāo)定文獻(xiàn)[19-25],其主要仿真參數(shù)見表1和表2。

表1 物理參數(shù)設(shè)置

表2 接觸參數(shù)設(shè)置

3 傳送部分仿真結(jié)果及分析

通過糧庫實(shí)地調(diào)研,平房倉倉底余糧密度范圍為0.55～2.45 kg/m2,且80%以上區(qū)域的物料量低于1.30 kg/m2。因此,確定余糧清掃裝置前進(jìn)速度為0.8 m/s,清掃寬度為1 m,且假設(shè)清掃裝置的整體清掃率能達(dá)到100%,通過計算將傳送部分仿真生成顆粒的速率定為1 kg/s較為合適。同時為驗(yàn)證傳送部分在清掃高密度區(qū)域后,由于物料量的突然增加,傳送部分是否還能滿足糧食物料的高效輸送和再次恢復(fù)到平穩(wěn)工作狀態(tài),在仿真過程中將突然增加輸送物料量,將生成顆粒的速率短時間變?yōu)? kg/s,之后立刻恢復(fù)到1 kg/s,觀察仿真結(jié)果的變化。

根據(jù)對收集部分的收糧盒體積估算,其大約能收集10 kg以上物料,因此將仿真過程中物料總質(zhì)量定為11 kg。仿真時間設(shè)計為15 s,前2 s為波紋擋邊帶生成時間,使物料落入前形成完整的波紋擋邊帶結(jié)構(gòu)并以規(guī)定速度穩(wěn)定運(yùn)行;2 s后顆粒工廠開始以1 kg/s的速度生成質(zhì)量為5 kg的物料;7 s后顆粒工廠開始以2 kg/s的速度生成質(zhì)量為1 kg的物料,用來模擬突然清掃過高密度物料區(qū)域;7.5 s后顆粒生成速度恢復(fù)到1 kg/s,生成質(zhì)量為5 kg的物料,觀察在清掃過高密度物料區(qū)域后能否恢復(fù)到穩(wěn)定輸送狀態(tài);最后2.5 s將已生成的物料全部輸送完成,仿真結(jié)束。

傳送部分的仿真模型(圖2)主要由4個構(gòu)件組成:清掃出料口、物料擋板、波紋擋邊帶主體和波紋擋邊帶擋板。清掃出料口為一個虛擬的平面,其被添加為顆粒工廠,用于模擬余糧清掃系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)滾筒刷掃起的糧食顆粒。由于物料進(jìn)入旋轉(zhuǎn)滾筒刷的初始狀態(tài)不同,根據(jù)理論估算從旋轉(zhuǎn)滾筒刷掃起的物料水平方向上的速度約為0.532～1.242 m/s,垂直方向上的速度約為1.944～2.245 m/s。所以最終將顆粒工廠生成物料的水平速度設(shè)定為1 m/s、垂直速度為2 m/s。物料擋板的材料為有機(jī)玻璃,作用為減少物料的飛濺,使物料能更集中落入波紋擋邊帶中。波紋擋邊帶主體和波紋擋邊帶擋板的物料參數(shù)均采用橡膠帶的物料參數(shù),由于EDEM軟件中擋板按照規(guī)定路線移動只能通過單個設(shè)置,所以整個波紋擋邊帶擋板由40個單獨(dú)擋板間隔循環(huán)生成,即每次仿真前幾秒需等待波紋擋邊帶生成完整。

1. 清掃出料口 2. 物料擋板 3. 波紋擋邊帶主體 4. 波紋擋邊帶擋板

傳送部分仿真主要從統(tǒng)計整個傳送仿真過程中的糧食灑落率和觀察各仿真階段物料輸送情況來確定波紋擋邊帶的運(yùn)行效果。對于傳送部分輸送狀態(tài)的觀察主要針對在9.0,12.5 s時的仿真狀態(tài)結(jié)果,9.0 s時主要觀察面對較大的物料量,傳送部分是否能應(yīng)對突然加大的物料沖擊,而在12.5 s時主要觀察傳送部分在正常情況下能否穩(wěn)定運(yùn)行和面對突然加大的物料量后在一段時間內(nèi)能否恢復(fù)正常狀態(tài)。

傳送部分仿真共進(jìn)行5組,將波紋擋邊帶運(yùn)行速度分別設(shè)定為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 m/s。通過EDEM的質(zhì)量傳感器,累計統(tǒng)計整個輸送過程中糧食灑落的總量,從而通過總輸送的質(zhì)量計算糧食灑落率。仿真結(jié)果見表3。

表3 波紋擋邊帶在不同速度下對糧食灑落率的影響

由表3可知,當(dāng)波紋擋邊帶運(yùn)行速度為0.2 m/s時,糧食灑落率最高為10.08%。當(dāng)運(yùn)行速度為0.4 m/s時,糧食灑落率最低為3.20%。之后隨著波紋擋邊帶運(yùn)行速度不斷增加,糧食灑落率緩慢上升,且上升幅度越來越大。

通過對仿真結(jié)果的觀察,造成波紋擋邊帶運(yùn)行速度為0.2 m/s時糧食灑落率最高的原因是輸送物料量太大,而波紋擋邊帶運(yùn)行速度過慢,造成波紋擋邊帶的各個擋板之間被完全裝滿。在輸送過程前段中物料就已高出波紋擋邊帶邊緣,在進(jìn)入輸送過程后段時,由于波紋擋邊帶變得更加傾斜,每個擋板間能儲存的物料減少,溢出的物料從擋板間向前滾落。在輸送過程前段和輸送過程后段交界處大量堆積,當(dāng)超過糧食物料最大堆積角時,從波紋擋邊帶兩側(cè)灑出。

由圖3可知,當(dāng)波紋擋邊帶運(yùn)行速度≥0.4 m/s時,由于輸送速率過慢造成輸送過程前段和后段交界處的物料堆積溢出現(xiàn)象消失,通過對各個運(yùn)行速度下9 s時輸送過程后段擋板間物料仿真狀態(tài)的觀察,均未出現(xiàn)長時間大量物料從兩側(cè)滑落的現(xiàn)象。

圖3 波紋擋邊帶以0.2 m/s速度運(yùn)行9 s時的運(yùn)行狀態(tài)

由圖4、圖5可知,波紋擋邊帶運(yùn)行速度從0.4 m/s逐漸增加的過程中,糧食灑落率也隨之增加,主要是由于輸送過程后段飛灑的物料增加造成的。由于物料是通過拋灑進(jìn)入輸送過程前段的,隨著波紋擋邊帶運(yùn)行速度的增加,物料在輸送過程前段停留穩(wěn)定的時間逐漸縮短,且前端清掃系統(tǒng)拋灑出的物料大多向波紋擋邊帶凹槽中部集中,停留時間較短,物料還未向凹槽兩側(cè)分散填補(bǔ),導(dǎo)致凹槽中部物料堆積還高于前后擋板就已進(jìn)入坡度增加的輸送過程后段,造成每個凹槽兩端還未填滿,但凹槽中部物料已出現(xiàn)向下溢出的現(xiàn)象。隨著運(yùn)行速度不斷增加,輸送過程后段因不穩(wěn)定而從凹槽中部滾落的物料數(shù)量也在增加。由于波紋擋邊帶凹槽兩側(cè)并未完全裝滿,所以滾落下來的物料并不會在輸送過程前段和后段的交界處形成堆積,在運(yùn)行速度為0.4 m/s左右從交界處兩側(cè)灑落的物料極少,對整體糧食灑落率的影響較小。但隨著運(yùn)行速度的逐漸增加,從輸送過程后段滾落的物料并不會重新回到輸送過程交界處,而是被后方快速移動而來的擋板擊飛。隨著運(yùn)行速度的增加,輸送過程后段不穩(wěn)定滾落物料數(shù)量增加,移動速度更快的擋板將滾落的物料擊飛,造成輸送過程后段擊飛拋灑嚴(yán)重。波紋擋邊帶運(yùn)行速度越快,輸送過程后段上方空中被擊飛的物料數(shù)量越多,糧食灑落率越來越大,使得在運(yùn)行速度為1.0 m/s時輸送過程后段物料飛灑最為嚴(yán)重,糧食灑落率增加幅度有越來越大的趨勢。

圖4 波紋擋邊帶以0.4 m/s速度運(yùn)行9 s時擋板間的物料狀態(tài)

圖5 波紋擋邊帶以不同速度運(yùn)行12.5 s時的運(yùn)行狀態(tài)

通過分析,為保證傳送部分的糧食灑落率<3.5%,波紋擋邊帶的運(yùn)行速度應(yīng)為0.4～0.8 m/s,該速度范圍內(nèi),造成灑落的主要原因是前端清掃部分掃起的物料撞擊到物料擋板時,并不能保證物料反彈后都進(jìn)入到波紋擋邊帶收集范圍內(nèi),導(dǎo)致部分物料撞擊后直接從兩側(cè)飛出。由于帶式輸送只能從上表面輸送物料,而未落入輸送帶上的物料又將重新落回地面,造成糧食灑落率上升。前期的整體方案設(shè)計中并未考慮這一點(diǎn),因此在樣機(jī)加工環(huán)節(jié)中,在傳送部分兩側(cè)支撐板上焊接一對側(cè)邊擋板,阻擋糧食物料從兩側(cè)灑落,確保物料能盡可能多地收集。

4 收集部分仿真結(jié)果及分析

收集部分的仿真模型(圖6)主要由4個構(gòu)件組成:傳送出料口、收糧盒、收糧盒蓋板和收糧盒擋板。傳送出料口用于生成糧食顆粒,模擬從傳送部分拋灑出的物料。收糧盒為糧食物料儲存的區(qū)域,材質(zhì)為不銹鋼。收糧盒蓋板使收糧盒形成一個相對封閉的環(huán)境,減少外界對收集糧食的污染和防止傳送部分輸送物料的拋灑,材質(zhì)采用有機(jī)玻璃,能直接觀察收糧盒內(nèi)物料儲存情況。收糧盒擋板為收糧盒的出口,其與電動推桿連接,當(dāng)收糧盒裝滿且清掃裝置到達(dá)指定位置后,擋板上移,收糧盒開始卸料,其材質(zhì)為不銹鋼。

1. 收糧盒 2. 傳送出料口 3. 收糧盒蓋板 4. 收糧盒擋板

通過分析傳送部分仿真結(jié)果可知,當(dāng)波紋擋邊帶運(yùn)行速度為0.4 m/s時,傳送部分的物料灑落率最低,所以收集部分仿真先以此速度作為傳送出料口顆粒工廠生成物料的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。使用EDEM后處理模塊中的速度傳感器測得波紋擋邊帶在運(yùn)行速度為0.4 m/s時,輸送過程后段拋灑出的物料水平速度為0.625 7 m/s,垂直速度為0.330 6 m/s。設(shè)定物料生成速率為1 kg/s進(jìn)行仿真。由圖7可知,通過后處理模塊中質(zhì)量傳感器測出運(yùn)行速度為0.4 m/s時,最大容量為9.33 kg。

圖7 運(yùn)行速度為0.4 m/s時收糧盒最大容量仿真結(jié)果

由圖7(a)可知,靠近傳送出料口一側(cè)的物料堆積高度遠(yuǎn)高于出料口對側(cè),形成的斜坡使收糧盒無法完全裝滿,導(dǎo)致后面生成的物料從傳送出料口處流出,無法進(jìn)入收糧盒內(nèi)部。由圖7(b)可知,由于收糧盒底部卸料坡度的原因,收糧盒出口側(cè)的物料遠(yuǎn)低于出口對側(cè)。收糧盒儲存的物料堆積方式為錐形,內(nèi)部空間并未充分利用。為增加收糧盒儲存能力,應(yīng)將物料堆積的頂點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離傳送出料口一側(cè),因此需增加傳送出料口生成物料的拋射能力,并提高波紋擋邊帶的運(yùn)行速度。

當(dāng)波紋擋邊帶運(yùn)行速度為0.6 m/s時,拋灑出的物料水平速度為1.134 3 m/s,垂直速度為0.752 1 m/s。當(dāng)波紋擋邊帶運(yùn)行速度為0.8 m/s時,拋灑出的物料水平速度為1.258 9 m/s,垂直速度為0.931 6 m/s。將兩組速度代入仿真,生成了如圖8所示10 kg物料時兩種速度下的仿真結(jié)果。由圖8可知,由于傳送出料口對側(cè)無開口,能堆積出更高的物料堆型,并在形成最大堆積斜坡后,從傳送出料口飛出的物料落在已形成的糧食斜面上會發(fā)生滾落,填補(bǔ)靠近收糧盒出口側(cè)的空間,使收糧盒空間充分利用。

圖8 生成10 kg物料時兩種速度下的仿真結(jié)果

由圖9可知,通過質(zhì)量傳感器測出運(yùn)行速度為0.6 m/s時,最大容量為14.83 kg;當(dāng)運(yùn)行速度為0.8 m/s時,最大容量為15.31 kg。從仿真結(jié)果來看,此時已達(dá)到收糧盒最大裝載能力,且波紋擋邊帶的運(yùn)行速度應(yīng)為0.6～0.8 m/s。

圖9 運(yùn)行速度為0.6,0.8 m/s時收糧盒最大容量仿真結(jié)果

收集物料在收糧盒內(nèi)相對穩(wěn)定后開始進(jìn)行卸料仿真,收糧盒擋板升起,物料從收糧盒出料口卸出。卸料仿真結(jié)果如圖10所示,大約需60 s完成卸料。從卸料仿真結(jié)果中可以看出收糧盒滿足設(shè)計要求,收糧盒內(nèi)物料基本能自動全部卸出,只有極少物料留于盒內(nèi)拐角處,可通過清掃裝置啟動運(yùn)行時產(chǎn)生抖動帶出。在控制系統(tǒng)設(shè)計中,裝置卸完物料后,先啟動前進(jìn),再下降收糧盒擋板關(guān)閉出料口,以排出收糧盒內(nèi)極少的物料殘留。

圖10 卸料仿真結(jié)果

5 結(jié)論

研究主要針對余糧清掃裝置的傳送部分和收集部分進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明,為保證傳送部分的灑落率在合理范圍內(nèi),波紋擋邊帶的運(yùn)行速度應(yīng)為0.4～0.8 m/s;在保證更大收集能力的情況下,最終確定將波紋擋邊帶運(yùn)行速度控制在0.6～0.8 m/s;傳送部分和收集部分結(jié)構(gòu)符合設(shè)計要求。由于研究簡化了仿真物料,對仿真結(jié)果的適用范圍有一定影響,在之后的研究中可以針對不同的物料改變仿真參數(shù),從而得到更為精確的仿真結(jié)果。并且同時將清掃部分、傳送部分和收集部分的仿真結(jié)合為一體,減少各部分仿真誤差的堆積,也是將來進(jìn)一步的研究方向。