基于EDEM仿真的水平螺旋输送机输送机理分析研究
向少学;王小乐
【摘 要】借助离散元分析软件EDEM，完成了对不同螺旋转速和充填率下输送状态的水平螺旋输送过程仿真。通过仿真数据分析得出结论：水平螺旋输送机输送性能与螺旋转速和充填率有密切关系，应根据散粒物料的特性来设定充填率并配以适当的螺旋转速，才能保证水平螺旋输送机具有高输送效率和低能源消耗。%This essay completed the simulation of horizontal screw conveying at different screw speeds and filling ra-tio by virtue of the discrete element simulation software EDEM. The data results conclude that the conveying performance of the horizontal screw conveyor is closely associated with the filling ratio and screw speed which should be setted accordance with the characteristics of the materials for high efficiency and low energy dissipation.
【期刊名称】《港口装卸》 【年(卷),期】2015(000)005 【总页数】3页(P49-51)
【关键词】水平螺旋输送机;离散元法;仿真;EDEM 【作 者】向少学;王小乐
【作者单位】上海振华重工 集团 股份有限公司;上海振华重工 集团 股份有限公司 【正文语种】中 文
尽管水平螺旋输送机的结构和物料输送原理比较简单，但其输送过程的力学分析却十分复杂，导致在设计水平螺旋输送机时只能依靠实验数据与经验公式来确定其工作特性参数。另外，由于缺乏物料特性参数，设计者无法事前预料所设计的水平螺旋输送机的工作状况和使用效果。
本文在根据原始数据所完成的水平螺旋输送机机体选型设计基础上，应用离散元分析软件EDEM对不同充填率和螺旋转速下的水平螺旋输送机的输送过程进行了仿真，并对仿真结果进行了比较分析，所得结论可实现对水平螺旋输送机工作性能的预测，为水平螺旋输送机的优化设计提供一种新途径。 水平螺旋输送机结构尺寸见图1，主要参数见表1。 3.1 颗粒与几何体的物理属性
本仿真使用的颗粒是稻谷，螺旋输送机材质为钢。仿真中，材料物理属性的合理确定是保证仿真结果贴近现实的关键所在，仿真中所涉及的材料物理属性见表2和表3。 3.2 接触模型
仿真中，设定颗粒与颗粒之间，颗粒与几何体模型之间为无滑动的Hertz－Mindlin接触模型。仿真中设置颗粒直径的范围为3～9 mm，颗粒在该范围内以随机尺寸生成。颗粒在颗粒工厂内随机生成，无固定位置。为了使颗粒能尽快生成，设置其生成时的下落速度为10 m/s。
为了获得全面而具有对比性的数据，仿真实现了3种不同螺旋转速和3种不同颗粒充填率，具体参数见表4。通过改变工作条件，可观察到稻谷在水平螺旋输送机中的运动和分布状况。
由于仿真采用的是周期边界模型，所以仿真中仅截取了螺旋输送机的3个螺距长度进行仿真。表4中的颗粒数为3个螺距长度内的总颗粒数。
图2从各个视角展示了水平螺旋输送机内颗粒质量分布。根据物料颗粒的质量大
小对其着色，质量小的为绿色，质量大的为红色。图中可见颗粒在螺旋工作面形成堆积，在抵达螺旋顶部后大多数颗粒从堆积面塌落。与螺旋管内壁和螺旋工作面接触的绿色小颗粒集中明显，颗粒堆外表面的蓝色和红色颗粒集中程度相对较小。整体来看各种质量的颗粒混合比较均匀，并没有因螺旋表面产生的剪切力作用使颗粒发生明显的偏析，也没有发生明显的抛洒和浪涌。3种仿真下最佳螺旋转速为120 r/min，充填率为45%，非常接近本螺旋输送机的计算标准转速125 r/min和手册所推荐的充填率。
图3 从各个视角展示了同一螺旋转速、不同充填率(25%、35%、45%)下水平螺旋输送机内颗粒的线速度分布。根据颗粒线速度的大小对其进行着色，速度小的为绿色，速度大的为红色。同颗粒角速度分布的单一不同，线速度分布较为多样。充填率为25%时，颗粒堆自由面的颗粒发生崩落，颗粒开始从颗粒堆顶部的螺旋表面处下流并到达下一螺旋面的背面。充填率为35%时，崩落的程度加剧，虽然自由面更为陡峭，但其长度变短，颗粒堆与下一螺旋背面接触的程度变高，自由面的起始位置也开始向螺旋的另一侧移动。充填率为45%时，螺旋管内的颗粒几乎填满了螺旋工作面和下一螺旋背面之间的下半部分，使得颗粒的崩落减弱。总体来看(特别是从－X视角来看)，可以定性地认为同一螺旋转速下，增大充填率螺旋输送机内颗粒堆自由面颗粒崩落的程度先略微增大，当到达某一临界充填率后，由于颗粒太多又开始减小。相应地，颗粒线速度的平均值会由小变大(因为崩落颗粒的线速度较之于其他颗粒更大)再变小。
散体在水平螺旋输送机内的流动状态十分复杂，而且其影响因素复杂，螺旋轴的转速和充填率的变化都会影响水平螺旋输送机的输送效率。本文应用离散元法分析软件EDEM对水平螺旋输送机的输送过程进行了仿真，根据仿真结果分析得到如下结论:
(1)螺旋转速不变，增大物料充填率时:①颗粒平均线速度、颗粒平均轴向线速度变
化非常小，近于不变;②颗粒平均切向角速度减小，但减小的幅度不大(本仿真中仅达到39.2%);③颗粒平均质量流量增大，且增幅很大;④颗粒与边界碰撞的平均能量损耗略微增大，当充填率越过某一临界值时近于不变;⑤螺旋所受平均总力矩增大，且增幅很大;相应地，螺旋功率也随之增大且增幅也很大;⑥螺旋所受平均合力增大，且增幅非常大。
(2)物料充填率不变，螺旋转速增大时:①颗粒平均线速度、颗粒平均轴向线速度增大，且增幅很大;②颗粒平均切向角速度增大，但增幅没有颗粒平均轴向线速度明显;③颗粒平均质量流量增大，且增幅很大;④颗粒与边界碰撞的平均能量损耗减小，但并不明显，颗粒大部分能量消耗在彼此之间的正碰撞中;⑤螺旋所受平均总力矩略微增大;⑥螺旋所受平均合力先变大后又变小，但幅度很小，近于不变。 (3)水平螺旋输送机的输送能力随物料充填率的增大而增大，但颗粒输送速度并无太大变化，此时螺旋所受力矩与合力急剧增大，造成螺旋功耗和磨损加剧，所以不可盲目增大充填率。
(4)水平螺旋输送机的输送能力随螺旋轴转速增大而大幅增大，但转速过大，物料运动剧烈，易发生翻涌，物料之间的正碰撞加剧，易造成物料破损，所以不可盲目提高螺旋轴转速。
向少学:200125，上海市东方路3261号
