基于离散元方法的沥青搅拌筒叶片形式的对比研究

朱福民,刘潍坊,孟云黎

(上海海事大学 物流工程学院,上海 201306)



基于离散元方法的沥青搅拌筒叶片形式的对比研究

朱福民,刘潍坊,孟云黎

(上海海事大学 物流工程学院,上海 201306)

沥青养护车的工作效率与其搅拌筒的搅拌性能直接相关,而其中的叶片对搅拌筒的性能起决定性作用.现在应用较多的是螺旋叶片和立刀式叶片,但是不同的叶片对搅拌进出料性能、破碎性能、均匀性能的作用效果不同.利用离散元软件EDEM,选取合适的材料参数和接触模型进行数值模拟、仿真,对比分析传统螺旋叶片式搅拌筒与立刀叶片式搅拌筒的性能优良,为选取适合沥青养护车搅拌筒的叶片作为搅拌筒的内部设计提供参考.

离散元法; 沥青颗粒; 数值仿真对比; 搅拌筒叶片

沥青路面由于易遭损害,所以需时常维护和翻修.据统计,我国每年大约需要翻修20%的沥青路面,每年有220万t的旧沥青会被废用.2013年,中国的沥青产量比去年增长了9.71%,达到了1 993.51万t,而2014年国内沥青总产量为2 077.9万t,预计今后国内沥青产量将还会不断增长.多功能沥青养护车在其中起到了关键的作用.搅拌筒是多功能养护车的核心部件之一,而搅拌筒叶片结构又是影响搅拌筒搅拌性能的关键因素,因此搅拌筒叶片形状的选取十分的重要.利用离散元软件EDEM对不同的叶片类型进行仿真分析,可以了解到不同叶片的搅拌性能、筒内颗粒的受力情况、均匀性、破碎性和颗粒的进出料性,从而提高沥青养护车的作业性能,对沥青养护车设备的设计、优化以及工程建设中的使用都具有重要的意义.

1 理论模型

1.1 颗粒接触模型

离散元的分析方法是将分析对象看做离散颗粒的集合体,将该对象的每一个颗粒都作为一个单元建立模型,进行数值模拟分析的一种分析方法.由于沥青、砂石、混凝土等原料在实际操作中会产生一定的黏性,所以本文应采用Hertz-Mindlin with JKR模型来模拟沥青物料的接触.

JKR法向力FJ基于重叠量δ和相互作用参数、表面能量γ:

(1)

(2)

式中:E*为当量杨氏模量;R*为当量半径;α为法向重叠量;γ为表面张力.

当γ=0时,力变成了Hertz-Mindlin法向力FH:

(3)

这个模型提供吸引凝聚力,即使颗粒并不是直接接触.颗粒间有非零凝聚力的最大间隙公式δc为

(4)

(5)

当δ<δc时,模型返回0.当颗粒并非实际接触并且间隔小于δc时,凝聚力达到最大值.这个最大凝聚力Fp称为pull-out force,为

(6)

摩擦力计算和Hertz-Mindlin(no slip)接触模型不同点在于它是取决于FJ的正向排斥部分.因此,JRK摩擦模型在接触力的凝聚力分量更大时提供一个更大的摩擦力.

将两个颗粒分开所需要的力取决于液体表面张力γs和润湿角θ:

(7)

1.2 颗粒破碎模型

破碎是指物料在碰撞过程中粒度减小,要达到物料破碎的效果,就要对物料施加足够大的外力以克服物料内部间的内聚力,当外力变形达到一定程度时物料就会发生破碎.国内外研究破碎理论已有100多年的历史,其中较好描述颗粒破碎模型的是VOGEL和PEUKERT提出的一种关于破碎概率及碰撞强度的累积破碎模型,料颗粒破碎率N可以表示为

(8)

式中:b为材料抗冲击系数;ki为第i颗颗粒的碰撞次数;Ei为第i颗颗粒受到的冲击碰撞能量;E0为颗粒破碎的临界冲击能量.

所以,颗粒在搅拌筒内部碰撞的次数越多,受到的有效冲击能量(Ei-E0)越大,颗粒物料破碎的概率就会越大.在实际搅拌筒作业过程中,物料的破碎主要靠物料颗粒的相互撞击、颗粒与搅拌筒内部壳体的撞击,以及颗粒与搅拌筒内部叶片的撞击所产生,颗粒在旋转搅拌筒和叶片的带动下,连续不断地冲击碰撞,当有效冲击能量足够大时,颗粒便会发生破碎.

(9)

式中:m为颗粒的质量;vi为颗粒受到冲击后的速度;v0为颗粒破碎的临界速度,vi>v0.

由式(9)可知,在临界速度一定的情况下,旋转搅拌筒要提供一定的转速,才能使颗粒得到足够大的冲击速度.

2 参数设置

2.1 搅拌筒叶片参数设置

为了客观地做好仿真对比试验,应当合理地设置好螺旋叶片和立刀叶片的相关参数.本文将3组螺旋叶片布置在筒内,螺旋叶片采用圆柱螺旋线,为了使螺旋叶片在筒内圆周方向上分布均匀,3组螺旋叶片以120°的夹角间距分布,如图1.螺旋升角设置为30°.叶片高度为 200 mm,远远低于内径1 470 mm.

图1 螺旋叶片的布局Fig.1 Distribution of spiral blades

为了与传统的螺旋叶片作对比分析,立刀式叶片也采取三组叶片,以120°夹角在圆周方向上等距离均匀分布,每组叶片在轴向上同样以30°升角分布成3块叶片,在圆筒内的分布如图2所示.叶片的倾斜角设置为15°,叶片高度300 mm,长度700 mm,总共9块立刀叶片,叶片总表面积为165 969 cm2,与螺旋叶片总表面积大致相等,保证了对比仿真试验的公正性.

图2 立刀叶片布置图Fig.2 Distribution of vertical blades

2.2 仿真参数设置

搅拌筒壳体和叶片都取钢铁材料,密度为7 800 kg·m-3,泊松比为0.28,剪切模量70 MPa.选取的沥青物料密度为2 438 kg·m-3,泊松比为0.2,剪切模量为23 MPa.颗粒直径为20 mm,颗粒之间的恢复系数取0.1,静摩擦系数取0.545,滚动摩擦系数取0.01.颗粒与筒体之间的恢复系数取0.2,静摩擦系数取0.5,滚动摩擦系数取0.01.重力加速度方向取z方向,取-9.81 m·s-2.接触模型采用Hertz-Mindlin with JKR模型.设置筒体绕中心轴线性旋转,转速为5 r·min-1,加速度为0.

本次模型选取时步为30%,为了保证在进料仿真时研究正常作业时的搅拌性能,仿真总时间设为20 s,有充足的时间余量,而出料仿真时设定为

15 s.网格尺寸为3倍最小颗粒.

3 不同叶片的仿真结果分析比较

通过改变需要分析的变量,对应的颗粒和筒体会通过颜色变化表征出相应的每一时刻的量值大小.当前设定颗粒运动速度为考察量,从x,y两方向可以看出,不管是螺旋叶片还是立刀叶片搅拌筒,颗粒在搅拌筒运动时,沿叶片边缘的颗粒速度较大,叶片根部的颗粒运动速度较小,说明叶片对颗粒运动的影响十分显著.

3.1 破碎性能分析

由前文的破碎数学模型可知,物料颗粒的破碎概率与有效撞击能量大小、颗粒速度大小和撞击次数多少相关.当沥青物料投放设定在前端锥筒口时,仿真时间设定为20 s,物料颗粒即使完成进料动作后,依然在搅拌筒底端继续作业,因此该仿真包含了进料和搅拌作业的过程,且两个过程同时进行,因此研究搅拌破碎性能可以在该进料仿真中进行.

图4显示了颗粒在0～20 s内整个仿真过程中颗粒撞击的次数.由图4可以看出,颗粒于第1 s时刻投入搅拌筒里,之后开始与筒体和叶片产生剧烈的碰撞.相对于立刀式搅拌筒,螺旋式搅拌筒在进料过程中的柱状数据相对平缓,在后期稳定搅拌作业时开始起伏,与立刀式搅拌筒类似.说明其在传输物料时碰撞较为均匀,但在整个过程中它们总的碰撞次数大致相近,说明立刀式叶片和螺旋叶片在搅拌过程中对颗粒撞击次数的影响上基本相同.

图3 搅拌筒内部颗粒速度变化图Fig.3 Particle velocity in the mixing drum

图4 颗粒撞击次数-时间图Fig.4 Time-frequency of particle impact

由图5可以看出,受重力加速度影响,在第1 s时刻被投下的物料颗粒具有最大的平均速度和平均动能.螺旋式搅拌筒的物料颗粒在搅拌期间,平均速度最大为0.45 m·s-1,最小为0.28 m·s-1,大多时刻物料颗粒的平均速度都分布在0.30～0.38 m·s-1之间,而立刀式搅拌筒,平均速度最大可达0.50 m·s-1上,最小为0.33 m·s-1,大多时刻分布在0.40～0.45 m·s-1之间.立刀式搅拌筒中的物料颗粒获得的搅拌速度明显比螺旋式搅拌筒高.从物料颗粒的平均动能曲线图6可以看出,螺旋式搅拌筒的物料颗粒平均动能趋于平缓,大致保持在0.008 J左右,而立刀式搅拌筒的平均动能变化剧烈,在0.016 J上下跳动,说明物料颗粒在立刀式搅拌筒内受到的冲击力剧烈,获得的动能更多,速度更大.

图5 颗粒平均速度-时间图Fig.5 Time-velocity of particle

图6 颗粒冲击动能-时间图Fig.6 Time-kinetic energy of particle

因此,沥青物料颗粒虽然在螺旋式搅拌筒和立刀式搅拌筒内撞击次数大致相同,但在立刀式搅拌筒内获得的动能和速度更大,运动变化更剧烈,从而可知立刀式叶片比螺旋式叶片破碎性能更好.

3.2 混合性能分析

为了更好地分析沥青混合料在搅拌筒中的运动特性,可以结合颗粒的运动流线图分析颗粒的运动轨迹.图7为不同体积大小的颗粒在运动轨迹流线中的分布,可以看出颗粒体积的范围在1.8×10-5～5.8×10-5m3之间.在搅拌过程中,不同大小的颗粒在搅拌筒内都能均匀地随着搅拌筒滚动,从x轴方向看呈漩涡状流动,在两种叶片的搅拌筒内都不会产生颗粒离析现象,保障了颗粒搅拌的均匀性.图8为两种搅拌筒正常作业时,其内部颗粒的速度变化图.可以看出,立刀式搅拌筒内部颗粒在同样的转速带动下,提升较高,颗粒做自由落体下落的速度更大,受筒体的冲击更剧烈.并且,螺旋式搅拌筒中速度高的颗粒只分布在颗粒斜坡堆表面,速度为1.26 m·s-1左右,如图中黑框所示区域.而立刀式搅拌筒的高速颗粒不仅分布在表层大部分区域(速度为2.25 m·s-1左右),还分布在颗粒堆内部(速度为2.00 m·s-1左右).表明立刀式搅拌筒对沥青物料的搅拌更为充分.

图7 不同体积颗粒运动流线图Fig.7 Moving stream lines of particles in different volume

图8 不同速度颗粒运动流线图Fig.8 Moving stream lines of particles in different velocity

3.3 进出料性能分析

从图9可以分析看出,在进料过程中,颗粒在螺旋搅拌筒内最早在第6 s时刻开始有颗粒触碰到搅拌筒筒底,在第15 s时刻所有沥青物料颗粒基本到达搅拌筒底端.而立刀式搅拌筒虽然最早在第4 s时刻颗粒开始碰到搅拌筒底,但在第17 s时刻,所有物料颗粒才基本达到底端,说明螺旋式搅拌筒的传料性能更加流畅,进料速度快于立刀式搅拌筒.在出料作业时,从图10可以看到,螺旋式搅拌筒在9 s开始出料,立刀式搅拌筒在10 s开始出料,虽然螺旋式搅拌筒内的颗粒出料比立刀式搅拌筒较为快些,但整体出料数量和效果基本一致.

4 结论

(1) 传统型的螺旋叶片搅拌筒的物料进出料较为流畅,物料输送特性优良,颗粒在搅拌筒内流动较为规则,适用于无需注重破碎性能的混合搅拌设备,如水泥混凝土搅拌车、各类混合机等.

(2) 立刀叶片不仅具有良好的进出料性能和混合均匀性,对沥青物料颗粒具有更好的破碎性能,并能充分搅拌沥青物料颗粒.而且结构上更易拆装维修,所以沥青多功能养护车应该首先选取立刀叶片作为搅拌筒内部结构的基础.

图9 不同速度颗粒运动流线图Fig.9 Moving stream lines of particles in different velocity

图10 出料过程颗粒数量-时间图Fig.10 Time-number of particles in discharge process

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Contrast research in the form of asphalt of asphalt mixing drum base on discrete element method

ZHU Fumin, LIU Weifang, MENG Yunli

(Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

The working efficiency of the asphalt maintenance vehicle and its mixing performance is directly related to the mixing drum,and the blades have a vital role in the mixing performance.The conventional spiral blade and the vertical bladesare now applied widely.However,the mixing performance and crushing performance are different for different blades.Using the discrete element simulation software EDEM,contrasting the traditional spiral blade drum with the new fly blade drum and finally select the suitable style of blade for mixing drum.

discreet element method; asphalt grain; numerical simulation and comparison; vertical bladesof the mixing drum

朱福民(1962-),男,教授,博士.E-mail:fmzhu@shmtu.edu.cn

TH 216

A

1672-5581(2017)01-0036-06