基于ＥＤＥＭ软件的单螺杆离散元模拟仿真与分析 李勇 刘伟冬 青岛科技大学 青岛２６６０６１ 摘要：定量螺旋输送机主要用于粉体及颗粒物料的自动配料及定量包装。文中基于离散单元法，通过 ＥＤＥＭ分析软件完成对单螺杆定量螺旋输送机不同转速和填充率状态下的模拟仿真。同时分析填充系数、平均 质量流率以及合力矩等因素在输送过程中的影响，为螺旋输送机的优化设计提供参考依据。 关键词：螺旋输送机；离散元法；ＥＤＥＭ；转速；填充率 中图分类号：ＴＨ２２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１７）０４—００７８—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｔｉｏｎｅｄ ｓｐｉｒａｌ ｃｏｎｖｅｙｏｒｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＥＤＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｓｃｒｅｗ ｒａｔｉｏｎｅｄ ｓｐｉｒａｌ ｃｏｎ－ ｖｅｙｏｒｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄｓ ａｎｄ ｆｉｌｌ ｒａｔｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ．ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｖｅｒａｇｅ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔａｎｔ ｍｏｍｅｎｔ ｏｎ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｐｉｒａｌ ｃｏｎｖｅｙｏｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｉｒａｌ ｃｏｎｖｅｙｏｒ；ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ＥＤＥＭ；ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ；ｆｉｌｌ ｒａｔｅ ０ 引言 目前我国有很多企业仍采用手工定量配料或 对螺旋输送机进行简化，省略不必要的结构。如 图２所示，在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中建立一个简化的水平螺 旋输送机模型，并按一定比例进行缩放。 者包装，一方面劳动强度大，经济效益差；另一 方面，目前使用的定量螺旋输送机设备陈旧，输 送速度和精度较低，生产效率不高，螺旋输送机 的设计主要依靠经验公式，这也造成了螺旋输送 机设计相对落后，容易在生产过程中出现各种问 题＿２ｊ。文章基于ＥＤＥＭ离散元软件，通过对单螺 图２螺旋输送机简化模型图 杆定量螺旋输送机（见图１）进行模拟，探究不同 转速及填充率条件下的输送量、平均质量流率等 因素的变化。 为了提高网格划分精度，提高计算速度，取 螺杆轴直径为１６ ｎｌｍ，螺距为４０ ｍｍ，长度为 ３２０ ｉｎｎ，叶片直径为４０ ｉｎｍ，料槽内径为４３ ｍｍ， 并将其导入ＥＤＥＭ软件中。 １．２参数设置 新建一个仿真分析文件，颗粒与颗粒之间、 颗粒与几何体之间接触模型选用Ｈｅａｚ—Ｍｉｎｄｌｉｎ无 滑移接触模型＿３ Ｊ。 １．２．１材料参数的设置 图１单螺杆螺旋输送机 试验的颗粒材料设定为小米，主要是因为小 米非常接近球形形状，而且其材料属性易于测量 １模型建立与参数设置 １．１模型建立 和标定，粒径分布较为规律。螺杆和机筒采用的 材料是Ｃｒ１８Ｎｉ９，设置螺杆、机筒及小米的材料力 学性质及接触属性，见表１。 《起重运输机械》 ２０１７（４） 为了加快计算速度，使模拟结果更有针对性， 一７８一 表１接触属性表 作用对象 恢复系数 静摩擦因数 滚动摩擦因数 颗粒与颗粒 ０．１ ０．７ ０．０１ 颗粒与边界 Ｏ．３ ０．５ ０．０２ １．２．２颗粒参数的选取及设置 见图３，通过小米的泊松比、半径、剪切模量 和密度，经系统自动计算，得出一个颗粒质量为 ０．００５ ０７ ｇ，并设置颗粒半径和接触半径均为 １．２ ｍｍ。 颗粒工厂是用来设置生成颗粒的类型、大小、 位置、速度、加速度、方向等参数的。经过相关 计算得出本模拟中需要的颗粒数，即在１ Ｓ内生成 ４ ５００个颗粒，填满料槽。并在Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ中设置 颗粒产生的位置即Ｎｅｗ Ｓｅｃｔｉｏｎｓ ３。 图３颗粒参数设置 １．３求解器设置 求解器是ＥＤＥＭ计算数据并求解的模块，主 要包含时间步长、仿真时间设置、网格、碰撞接 触跟踪、多核使用五部分的设置。 １．３．１ 时间步长 时间步长的确定是决定仿真速度和精度的关键。 如果时间步长选取过大，模拟时间较短，但容易造 成颗粒接触过程描述不准确。如果时间步长选取过 小，计算量太大，对计算机性能要求较高。因此选 取合适的时间步长非常重要。本模拟中为了保证计 算的精度，选用固定时间步长为１８％，根据物料周 期及输送量，设置仿真时间为６０ Ｓ。 １．３．２碰撞接触跟踪 离散元仿真计算主要的难点在于对碰撞的检 测上。通过将仿真模型的区域划分成若干网格单 元，然后检查每个单元，并对包含有２个以上元 《起重运输机械》 ２０１７（４） 素的单元进行碰撞检测，从而缩短整体碰撞检测 处理所花的时间，提高仿真效率。 单击Ｐｒｏｇｒｅｓｓ键，进度条从０％读到１００％时， 计算完成，模拟结束。 ２结果处理及分析 对螺杆快速给料的输送情况进行模拟分析。 首先建立简化的螺旋输送机模型（见图４），相对 低速模型，增加了一个简化的包装袋或料斗秤。 螺杆转速分别为４０、６０、８０、１００ ｒ／ｍｉｎ，填充率 分别为３０％、４５％、６０％。 图４模型图 ２．１输送量 对于螺杆快速进给的阶段，选取了整个料斗 和空中未落人料斗内的物料建立一个网格本单元 盒子，每０．０５ Ｓ记录一次，从而可以直观地看到 整个物料从０到积累的全过程，以及物料质量的 变化规律。 在不同转速下，将盒子内物料质量信息按照 时间变化输出进行分析。如图５所示，４条质量变 化曲线均随时间呈线性增加趋势，并且由于脉动 现象的影响，周期性比较明显。在物理填充率相 等的情况下，选取５ Ｓ内输出物料的总质量。转速 在４０、６０、８０、１００ ｒ／ｍｉｎ时，输出质量分别为 ０．２４８、０．３９９ ８、０．５５８、０．７１２ ｋｇ。转速８０ ｒ／ｍｉｎ 时输出质量为４０ ｒ／ｍｉｎ的２．２５倍，比理论值多了 ０．２５倍。分析其原因可能是螺杆转速的增加对物 料颗粒与颗粒间的剪切耗能没有太大影响。螺杆 速度较低时，物料颗粒与颗粒问的剪切耗能相对 较多，用于输送的能量相应减少，因此输送效率 较低。 ２．２填充系数 若填充系数过大，输送过程中物料滑移面陡 峭，不利于物料向前运动，造成输送速度降低， 增加能量消耗；当填充系数较小时，螺旋轴外侧 一７９— ０．０５５ ８、０．０６７ ｍ／ｓ。填充率为４５％时，平均速度 分别为０．０３２、０．０４４、０．０５６ ８、０．０６８ ４ ｍ／ｓ。填 ＼嘲咯 Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ 充率为６０％时，平均速度分别为０．０３２ ８、０．０４４ ６、 ∞ ｌ昌 ∞ ∞ ０．０５７、０．０６９ ９ ｎＶｓ。在相同螺杆转速条件下，随 着颗粒填充率的增加，螺旋输送机的颗粒平均速 度略微增加，但是影响非常小。在同一螺旋转速 下，增大填充系数，螺旋输送机内颗粒堆自Ｆ｝｛面 颗粒崩落的程度先略微提高，到达某一临界充填 ０ （１ ５ ｌ ０ ｌ ５ ２ ０ ２ ５ ３ ０ ３ ５ ４ ０ ４ ５ ５ ０ ５ ５ Ｈ，￣ＩＮ＇Ｉ／ｓ ，？＝４０ Ｔ．／ｎｌ－Ｉ１ ２．，Ｉ＝６０ ｒ／１１１ｉ１１ ３．，ｌ＝８０ ｒ／１１１ｉ１１ ４．ｎ＝ｌ００ ｒ／１１１１ｎ 率后，由于颗粒太多义开始降低 。 ∞ ５质 随时 变化罔 Ｅ 物料较多，从而使物料堆积高度较低，南于物料 靠近螺旋轴，物料与螺旋叶片接触面平缓，摩擦 力矢量轴向分力较大，物料具有较高的轴向速度 而较少进行网周运动。所以，在水平螺旋输送机 巾，物料的填充系数一般控制在６０％以下。本次 模拟选取填充系数为３０％、４５％和６０％进行分析， 网６、冈７ 图８螺杆转速与颗粒转速关系【冬Ｉ ２．３平均质量流率 可＠ （ａ） （ｂ） （ｃ） 平均质量流率也是反映螺杆输送能力的重要 参数。从图９可以看ｆ｛｛，随着转速提高，平均质 量流率也增加。当填充率为３０％时，转速为４０、 ６０、８０、ｌＯ０ ｒ／ｍｉｎ时，平均质量流率分别为 ０．００２ ４、０．００４ １、０．００６ ｌ、０．００７ ５ ｋｇ／ｓ。当填 （ａ）填充率３０％ （１））填充率４５％ （（・）填充率６０％ 罔６螺杆横向俄面 充率为４５％，转速为４０、６０、８０、１００ ｒ／ｍｉｎ时， 平均质量流率分别为０．００３ ７、０．００５ ９、０．００８ ４、 ０．０１０ ４ ｋｇ／ｓ。填充率为６０％，转速为４０、６０、 ８０、１Ｏ０ ｒ／ｍｉｎ时，平均质量流率分别为０．００４ ７、 ０．００７ ９、０．Ｏ１ １ ３、０．Ｏｌ３ ６ ｋ ｓ。不同转速下，填 充率从３０％增加到６０％时，质量流率分别增加到 １．９５倍、１．９２倍、１．８５倍和１．８１倍。由此可以 Ｉａ） （ｂ） （ｃ） 看出填充率增加一倍，质量流率增加量少于ｌ倍。 而且随着转速提高，质量流率增加比例减小。 ２．４合力矩 （ａ）填充牢３０％ （｝１）填充率４５％ （ｃ ）填充率６０％ 罔７螺杆纵向截面 螺旋给料机所需的功率主要用于克服输送物 ８所爪为小ｌ川填充率卜，螺ｌ卡十转速与颗粒 转速火系罔．从 ｆｆＩ可以看ｆｆＪ，随着螺旋转速的 提高，颗粒的 均速度基本上呈线性增长。填充 料时的阻力。选取螺旋转速为６０ ｒ／ｒａｉｎ时，观察 主轴力矩变化情况。南于物料已经堆积在入料口 处，螺杆不是空载启动，启动时需要一个较大的能 量和力矩来使静止的螺杆和压在螺杆上的颗粒运动。 因此启动瞬间启动力矩特别大，从冈１０可以看 力 《起重运输机械》 ２０１７（４） 率为３０ｅｋ时，平均速度分别为０．０３２ ４、０．０４３ ８、 ８０— ∞ ¨ ｍ ∞ 陀 ０ Ｊ＾Ｊ 兰 ｌ＼ 晰 罐 蜓 霜 ： ６【】 ８（） １ ００ 转婊／（ｒｍｉｎ ０） 纠９螺ｆＴ转述 ｊ质 流 ｌ冬 ７ ７５８ ２６ ６ ８４ ８９ ６ ２Ｉ１ ５２ ５ ４３８】５ 主４．６６４ ７８ 娄 ３ ８９ｔ ４３ 、 ３】１ ８（Ｊ５ ２ ３４４ ６８ ｌ ５７】３１ 【】７９７ ９４３ （）【）２４ ５７４ ５ 的变化情况，开始启动的ｌ ｓ内 Ｊ矩瞬问到达最 ｉ曲值７．７８ Ｎ・－ｌＩ＇随后降到３．３２ Ｎ・ｌｌ１，随行１１Ｉ 片 旋转入料厂＝ｌ的物料逐渐减少，到３．６ ｓ时螺旋腔体 内 被物料填满。之 矩稳定 １．９６ Ｎ・１１１ 水次条什卜，螺杆Ｊ 动瞬问力矩接近螺朴稳定 转 的４倍 此任选川电机功率时，心增大装机 Ｊｈ－＇￣－ 、在・ 化Ｉ 、粮食及 料１一厂使用小，ｆＩ１于 受物料粘性、湿度等情况影响，为Ｊ，防ｌ卜满载 动 动力不足烧毁电机的情 ，也要适、 增大装机功率 ２．５速度矢量图 从 ｌ１运动欠 ＩＩ『以看…， 粒的速度及运 动主 有两类，一类主 是粒 较小的颗粒随叶片 旋转，１３．运动方向琏本睡血于叶片而； 一类主 是 径较大的 礼随螺朴做轴向运动．．整体术石， 符种质挝的 粒混合比较均匀，没仃发生明 的偏 析 浪涌 ．ｆｌＩ 个颗粒的运动情况不足绝对的， 前一划做轴 运动的颗粒也有ｕ］，ｑＢ（ｔ－叶片的推动 其他 粒的综合作 下，随叶片做旋转运动 《起重运输机械》 ２０１７（４） ８ ３ Ｏ ５ ４ ３ 总结 随 时 时 通过对－ 螺杆定｝８ 化 ・ 螺旋输送饥 料的 拟分 析，螺朴迷 较低时，物料 粗 卡 的 ｝』Ｊ 牦能卡ｆｊ对较多，川—ｒ输送的能 １：ＩＩ幢减少， 此 输送效率较低 桐川 ｆＩ：转述 什卜．Ｉ她 填允率的增ＪＪＩ１，螺旋输送机的 平均述瞍略 微提高， 螺旋昕受、 均总力 也增人， 旋ｊ 年乏１砸之增＿人，造成螺旋功牦和 帕 ，Ｊ ＪＪ』Ｉ剧‘’ 此，运行叫’小能卣｝］增人 允 １ 允 增』ＪＩ１ 俯时，质｝ 流牢增ＪＪＩｌ 少ｒ １ ｆ ，随符转述提 高，质 流率增醚ｆＩ ＩＺ，父＇Ｉ１：减小 对螺朴的 动力 技设汁 Ｊ ＩＩ ，Ｊ分析丧ｌｉＪｊ， 螺旋启动ｕ，ｔｇ 比正常运ｉ 人４ ｆ 的抓矩，这一 脱象 螺旋输送ｆＪｌ 沦汁 公工 ＩＩｔ没 号虑，波 汁汁箅时必须引起注意 参考文献 ｌ ｌ Ｊ ｌ』长东海．螺旋输送 的优化研究 Ｉ）．尺连：人缝Ｊ＝Ｉ 大 、 ：，２００６． ［２ Ｊ拿小尔． 旋输送机的 优化 ｊ Ｊ、 川 践 ．Ｉ．科技 创新与 川．２０１５（…）：ｌ ２４． 『３］ 冬枝，徐余ｆＩｊ．螺旋输 饥波 譬数的遗十 ｆｌｌｍｊ 『Ｊ］．水 技术．２０１【】（１）：２９—３３ ４ １ 超，， ’Ｊ忠，ｌ芏ｉ， ．ｊＩ Ｊ 离敞・、 法的 旋输送饥 敬俏模拟 ｊ分忻 Ｊ．伏ｆＪＬ化研 ，！（）ｌ５（２）：５７— ６１．Ｉ ５ １ ｆ｛，ＪＪ］ ＿Ｊ『ｊ，，Ｊ‘ｆ ｉ强， ．水 旋输送 【 ｒ 能ｎ０ ｊ敞 法仿！ Ｉ５’ｆｊ ［Ｊ］．★ 何。。ｆＪｌ１＿Ｊ＆，２（）ｌ４，３５ （１ １）：８９—９Ｉ ６ ｊ刘仆立．１ 波 Ｊ’Ｈ）｝：、１软什的 喋雠输 ＂【ｆ『Ｊ ｒ｜ 搜分析 ｌＪ Ｊ． 【做Ｉ Ｉ Ｊｌ『 １Ｊ，２０ｌ５（１（））：ｌ！ｌ一１：３． ： 刘ｆｌ；冬 地 Ｌ： ｝ ‘０ Ｉｆ 忪岭路９９ Ｉ‘ ０科技人 、 ：ｆｌＬ＠Ｉ ：院 邮 编： ２６６０６ｌ 收稿¨ ： ２（）ｌ６一（）７—２６ ８１一
