基于离散元法的水平螺旋输送机仿真模拟与分析

北京工商大学材料与机械工程学院 于瑞江 汤晓华 张玉玲

1 引言

螺旋输送机是一种无挠性牵引物料的连续输送设备，可以用来沿水平方向和倾斜方向或垂直（立式）方向输送物料。螺旋输送机被用于粮油、食品的生产输送中。但目前，螺旋输送机的设计仍是依靠经验公式计算，很大程度上要依靠设计者的经验，许多参数的选择都是凭经验选取，这使得螺旋输送机的设计相对落后，易出现输送量低、功率消耗高、设备磨损严重以及物料堵塞破损等问题。

根据现有的文献得知，国外对螺旋输送装置的性能分析方面主要集中在利用虚拟样机技术对机器进行动态监控及可视化研究。本文使用仿真模拟的方法对水平螺旋输送机进行动态仿真，探究不同填充率下对颗粒物料运动速度、颗粒及螺旋输送机受力情况以及功率消耗的影响。

离散元法(DEM)是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特征的一种新型非连续介质力学数值方法，它能够仿真颗粒运动及颗粒接触的整个动态过程，更好地研究螺旋输送机的性能。离散元法最早由Cundall和Strack提出并应用于岩石力学的研究。在众多机械领域中，离散元法成为一种更加高效的仿真颗粒运动的数值方法，特别是对于岩石、沙粒及颗粒类物质的处理。随后，Yoshiyuki Shimizu、Philip J. OWEN等人前后利用DEM法对不同形状的散粒物料在不同状态下的螺旋输送机内的运动情况进行模拟仿真，并把得出的结论与试验值和经验值比较，结果表明他们所采取的方法是可行的[3-4]。Jigar Patel等通过分析DEM法在螺旋输送机输送过程仿真方面的研究现状。

2 仿真模型建立

2.1 螺旋输送机模型

本模拟仿真中用到的螺旋输送机螺旋管直径d1为40mm，螺距S为32mm，螺旋转速为200r/min，输送距离L为205mm，螺旋输送机在EDEM中的模拟图如图1所示。

图1 螺旋输送机在EDEM中的模拟图

2.2 颗粒模型及参数

在模拟中使用的颗粒材料为稻花香大米，模拟中采用球形颗粒代替，半径为1.6mm，具体物料属性如表1所示。表2为大米颗粒之间、大米颗粒与螺旋输送机之间的物料特性。

表1 材料物料属性

表2 物料特性

3 水平螺旋输送机生产率

对于实体螺旋面的水平螺旋输送机生产率为[5]：

式中：

d1——螺旋管直径，模型中螺旋管直径为40mm；

C——倾斜输送修正系数，由于是水平螺旋输送机，所以该值为1；

n——螺旋轴转速，模拟仿真中采用200r/min的转速；

k1——螺距和螺旋管直径之比。

将已知量代入上式得出以下公式：

其中Q相当于EDEM软件中的Generation Rate ，只需要更改该数值就可以模拟仿真不同填充率下的螺旋输送机输送情况。

4 EDEM仿真结果分析及结论

4.1 功率消耗

功率表示旋转螺旋带动大米颗粒运动时在单位时间内所消耗的能量，导出数据选取在螺旋轴旋转2~3转后螺旋输送机达到稳定状态时的数据。由于螺旋输送机转速恒为200r/min，所以消耗功率与扭矩成正比，不同填充率下的扭矩图如图2所示。

图2 不同填充率下螺旋送料器扭矩

由图2可看出：

（1）填充率在20%~30%之间，螺旋输送机扭矩（功率消耗）呈线性增加；

（2）填充率在30%~40%之间，螺旋输送机扭矩（功率消耗）基本不变；

（3）当填充率过大，如在60%~80%之间，螺旋输送机扭矩（功率消耗）急剧增大。在填充率较大时，被输送的物料在螺旋管中的分布可近似地认为沿管的圆弧扇形分布。当螺旋轴旋转时，实体螺旋面作用在物料的力，不仅有向前的推力（法向力），而且有圆周方向的切向力，这个圆周切向分力使物料沿圆周倾斜角度a。由于摩擦力及自重使物料沿圆弧下滑的力，平衡了螺旋面的圆周切向力。当圆周力增大时倾斜角a也增大，大到一定程度使得物料沿着圆周方向翻滚，而不沿螺旋轴方向输送。因此，在能保证输送量要求的情况下选用小的填充率，一般在20%~30%之间即可。

4.2 大米颗粒运动速度

螺旋输送机转速为200r/min时，填充率分别为20%、50%、70%时大米颗粒的平均速度如图3所示。

图3 不同填充率下颗粒平均速度

由图3可以看出，20%的填充率相比于70%的填充率，大米颗粒的平均速度仅高7.6%，可见，改变填充率系数，大米颗粒的平均速度没有多大变化。

4.3 接触受力情况

4.3.1 大米颗粒受力

物料填充率分别为20%、50%、70%时大米颗粒间以及大米与螺旋输送机之间的法向力和切向力变化曲线如图4所示。

图4 不同填充率下大米颗粒受力情况

由图4可知：

（1）由于摩擦力及自重使物料沿圆弧下滑的力，平衡了螺旋面的圆周切向力，所以大米颗粒受到螺旋输送机的法向力普遍大于所受切向力；

（2）在填充率为50%时，大米颗粒所受法向力和切向力是最大的；填充率为20%时，综合受力最小。

4.3.2 螺旋输送机受力

不同填充率下，螺旋输送机受力情况如图5所示：

图5 不同填充率螺旋输送机受力情况

由于力是相互作用的，所以在物料填充率为50%时，螺旋输送机的受力是最大的。所以，以20%的填充率输送单位质量的物料时螺旋输送机螺旋面受力最小，磨损和变形等最少。

[1]P A Cundall.A computer model for simulating progressive,large scale movement in blocky rock systems[C].//In:Proc.Symp. Int.Rock Mech,1971:3-8.

[2]P A Cundall,O Strack.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Geotechnique,1979,29:266-271.

[3]Yoshiyuki Shimizu,Peter A.Cundall.DEM SIMULATIONS OF BULK HANDLING BY SCREW CONVEYORS[J].Eng Mech,2001,12(7):864-872.

[4]Philip J OWEN,Paul W.CLEARY.Screw Conveyor Performance:Comparison of Discrete Element Modelling with Laboretory Experiment[J].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO,2009(12):9-11.

[5]宋祁群.水平螺旋输送机输送机理的研究[J].武汉水运工程学院学报,1993(17):375-382.