基于EDEM 的滚筒烘丝过程物料运动行为研究

查蕾蕾，黄亚宇，杜林昕

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

EDEM 软件是世界上第一个基于离散单元法及现代化离散元模型设计的通用CAE 软件，该软件主要用于对工业生产中颗粒系统的仿真模拟及仿真结果的后处理分析[1]。EDEM 软件主要由前处理工具Creator、处理器Simulator、后处理工具Analyst三部分组成。通过Creator 工具导入三维模型或者根据颗粒的模型物理性质与力学性质建立模型；Simulator 工具用于设置颗粒参数，进而仿真模拟颗粒或颗粒群的运动过程；Analyst 工具可以对单个颗粒或粒群的仿真结果进行多方面分析，例如温度、速度等[2-3]。离散元法是美国教授CUNDALL于1971 年首先提出，用于处理解决非连续性介质问题，通过时间步长迭代求解出每一个颗粒的运动状态，离散元法特别适用于求解非线性问题[4-5]。

在烟叶制丝烘丝工艺中，烟丝物料的运动情况为典型的非线性问题，由于在实际生产加工过程中无法观察到密闭滚筒内烟丝物料的运动情况，只能间接通过控制单因素指标等方法实现烘丝设备的调整[6]。为了实现对密闭烘丝滚筒的可视化，提高烘丝过程的工艺质量，本文利用离散元软件EDEM对物料在滚筒中的运动行为进行模拟仿真，高度还原真实的烟叶烘丝工艺过程。

1 建模及仿真方法

1.1 加料设备建模

本文以云南省某卷烟厂制丝烘丝设备为研究对象，对该生产该设备进行尺寸规格测量后采用NX12.0 软件进行建模。

1.2 烟丝离散元模型建立

为建立更真实的烟丝模型，随机抽取烘丝设备中的烟丝反复测量，得烟丝厚度均值为0.15 mm（烟梗忽略不计）。利用烟丝结构测定装置对随机采样的烟丝进行结构测定，统计结果如表1 所示。

表1 烟丝大小及分布情况Tab.1 Size and distribution of shredded tobacco

由表1 可知，根据烟丝大小长度分布规律，按比例进行烟丝颗粒模型创建。为使烟丝仿真更加接近真实结果，将烟丝模型假设为由多个小颗粒粘接而成，通过粘接颗粒之间的摩擦力、剪切力与剪切模量等来描述烟丝的柔性、粘性等物理参数，创建离散化烟丝模型[7]。

在使用EDEM 软件进行离散元颗粒建模时，首先需要确定接触模型，即硬球模型与软球模型[8]。硬球模型是假定两个颗粒之间撞击时，颗粒表面不会发生明显塑性变形，而软球模型被允许颗粒形变。本文为探究烟丝在滚筒内部运动行为规律，包括烟丝与筒壁和抄板之间，烟丝与烟丝之间的接触、摩擦、碰撞与缠绕等，这些运动均会导致烟丝发生形变，所以选用软球模型[9]。通过离散元方法对烟丝颗粒系统进行运动仿真分析并求解[10]。EDEM 软件中建立烟丝及粒群烟丝模型，如图1 所示。

图1 EDEM 软件中烟丝及粒群烟丝模型Fig.1 Model of shredded tobacco and particles shredded tobacco based on EDEM

应用离散元软件EDEM 对烘丝过程烟丝在滚筒内的运动行为进行仿真计算。该模型准备和试算在wintel 结构的专业图形工作站上进行，每批次计算结果数据控制在4 T 范围以内，主计算作业全周期历时约6 个月，建模、仿真、后处理方法整体流程，如图2 所示。

图2 基于EDEM 的滚筒烘丝过程烟丝运动研究流程图Fig.2 Research flow chart on shredded tobacco movement in drum drying process based on EDEM

2 滚筒内烟丝物料运动离散元仿真

根据项目研究的需要，基于EDEM 软件对烘丝过程中烟丝物料在典型滚筒尺寸模型内进行了仿真计算。为保证仿真结果有效，参照烟叶真实参数与EDEM 材料库中的树叶参数，最终确定烟丝物料的参数如表2 所示。为了更好地揭示烟丝物料运动行为的一般性规律，滚筒内的烟丝物料运动仿真计算分别在27 组不同的典型工艺参数下进行。

表2 烟叶烟丝物料参数Tab.2 Material parameters of leaf tobacco and shredded tobacco

采用该滚筒几何模型主要目的是将EDEM 软件仿真后烟丝运动数据与实验进行比对，通过校验和修正、完善模型等设置参数等要素，并通过该环节探索、发现本项目问题的建模和计算收敛性、精度和效率的规律等要点，滚筒半径为0.8 m，长度为3 m。采用与本项目构建的实验系统透明滚筒同样的结构和尺寸，抄板的布置也采用与实验透明滚筒同样的轴向螺旋渐进方式。几何模型构建过程同样地先在三维建模系统中构建滚筒的空间几何结构模型，然后导入到EDEM 离散元仿真系统中用于仿真分析，其滚筒几何模型如图3 所示。

图3 滚筒几何模型Fig.3 Drum geometric model

对27 组不同的典型工艺参数下滚筒内烟丝运动进行仿真，滚筒进料口处烟丝流量分别取60，70，80 kg/h，滚筒倾角分别取1.5°，3°，5°，滚筒转速算分别取9，10，11 r/min。数字化计算在该滚筒空间范围内进行，按照离散元区域接触搜索算法，对滚筒空间进行区域分割。如，某次典型计算中，滚筒计算空间在离散元分析系统中被分割为2 786 871 个区域，在烟丝处理流量为80 kg/h、滚筒倾角为3°、滚筒转速为10 r/min 的工艺参数下，EDEM软件计算截图及滚筒计算空间分割效果如图4 所示。

图4 滚筒计算过程及计算空间分割的z 轴方向视图Fig.4 z-axis view of roller calculation process and calculation space division

运用EDEM 软件对尺寸为0.8×3.0（m）的滚筒中烟丝物料运动行为进行仿真计算，对计算结果进行后处理分析，后处理分析包括对时间节点与烟丝物料在滚筒中运动情况等信息的记录。结合烟叶制丝工艺参数要求进一步分析研究物料在滚筒内的运动特征，通过调节工艺参数，对在不同工艺参数控制下烟丝物料在滚筒中的运动特征进行分析研究，揭示烟丝物料在滚筒中的运动规律及状态。

3 烟丝物料运动数字化分析

3.1 单片烟丝运动状态分析

首先对单片烟丝的一般性运动规律展开研究。从EDEM 的后处理工具Analyst 中提取构建烟丝物料模型的所有离散化颗粒中每个颗粒的运动状态信息。以烟丝物料滚筒中某单片烟丝的运动仿真结果为例，对单片烟丝的运动状态进行分析。图5 所示为单片烟丝在倾角为3°滚筒模型中的运动轨迹，仿真计算系统绝对坐标系的原点位置取直角坐标系的坐标原点，位于烟丝物料滚筒进料口外部。由图5可见，单片烟丝以一定速度进入滚筒进料口，随后抛落到靠近进料口的筒壁底侧，与其它烟丝物料在抄板的作用下一起向前并上升约0.6 m 后再次抛落至筒壁底侧，完成一个上升与下降的运动周期，清晰地表达出被选烟丝在所提取信息范围内的运动状态。

图5 某片烟丝在倾角为3°的滚筒中的运动轨迹Fig.5 Trajectory of a piece of tobacco in a drum with an inclination of 3°

为进一步分析研究烟丝物料在滚筒中的运动状态，通过数字化手段揭示烟丝物料在滚筒中的运动状态，基于EDEM 仿真分析结果，提取出烟丝物料的数字化表征。如图6 所示为提取的该片烟丝质心颗粒在0.12～0.25 s 部分时间的空间位置坐标。

图6 该片烟丝质心颗粒0.12～0.25 s 的空间位置坐标Fig.6 Spatial position coordinates of the tobacco centroid particle in 0.12～0.25 s

同理，基于EDEM 仿真分析结果，提取出该片烟丝颗粒的速度状态。如图7 所示为烟丝质心颗粒在0～12 s 内的速度情况，可以直观地看出烟丝的运动速度呈周期性变化。被选烟丝在0.12 s 开始进入滚筒，下落速度由0.10 m/s 增至2.82 m/s，约在0.36 s 时下落至滚筒底部，当烟丝接触滚筒底部时，速度快速下降至0.12 m/s。随后，烟丝在滚筒内壁摩擦力和抄板作用下，逐渐跟随滚筒作圆周运动，约在1.1 s 时该烟丝与滚筒速度一致，为0.49m/s。大约1.82 s 时烟丝在（烟丝位置逐渐升高，重力势能逐渐增大）滚筒内壁上产生了滑移，速度降至0.22 m/s，烟丝滑移落到抄板上，继续跟随抄板向上运动。大约在2.2 s 时，烟丝运动到重力势能最大点开始作抛落运动，进而完成一个周期运动，实现对烟丝运动速度的数字化分析研究。

图7 该片烟丝质心颗粒0～12 s 的速度-时间图像Fig.7 Velocity-time image of shredded tobacco centroid particle in 0～12 s

3.2 烟丝物料运动状态分析

通过对烘丝滚筒仿真结果中单片烟丝物料运动信息的提取，可以清晰地分析出烟丝物料在滚筒中的运动情况，考虑影响烟丝运动的主要因素为滚筒转速与滚筒倾角，以及烟丝物料之间的相互作用，所以选定多片烟丝进行运动行为分析。如图8 所示为多片被选定烟丝质心颗粒在倾角为3°的滚筒中的运动轨迹图。

图8 多片烟丝质心颗粒在倾角为3°的滚筒中的运动轨迹Fig.8 Trajectory of multiple tobacco centroid particles in a drum with an inclination of 3°

可以看出，被选定的各片烟丝在运动中主要的差异在于空间位置，即烟丝颗粒运动的最高点最低点之间的差异，以及烟丝颗粒在滚筒中运动距离长度的差异，可是不难发现烟丝物料在运动中呈明显的周期性变化。为探究物料的周期性运动规律，在EDEM 仿真结果中将烘丝滚筒内的一个周期运动分为前、中、后3 个部分并截取横向截面。

本文基于对27 组不同工艺参数下滚筒内烟丝物料的运动仿真结果进行研究，通过对烘丝滚筒内一个周期运动的前，中、后3 个环形截面研究分析，归纳出烟丝在滚筒内虽然在上抛最高点与下落最低点的空间位置存在差异，但物料总体均以上升、下落、震荡为运动周期，不断以螺旋状向前运动。并且，基于烟丝质心颗粒的运动行为分析，将烟丝物料在滚筒内一个周期运动状态分为3 个阶段的典型运动，即1 阶段持料上升运动、2 阶段持泻落运动以及3 阶段抛落运动，如图9 所示。

图9 滚筒中烟丝物料的3 种典型运动Fig.9 Three typical movements of shredded tobacco in the drum

（1）持料上升运动

烟丝物料在抄板和滚筒壁的带动以及烟丝物料间的相互摩擦、碰撞作用下，沿滚筒壁向上并作圆周运动，此时烟丝物料颗粒质心的Z轴向速度及加速度均不为零，速度呈上升趋势，如图9（a）所示。但随着滚筒转动速度逐渐增大到某临界值时，部分烟丝物料由于受到离心力作用做离心运动，另一部分烟丝物料由于自身重力做泻落运动。

（2）泻落运动

烟丝物料经入料端进入滚筒内后，在滚筒内因抄板带动，以及烟丝物料间的相互摩擦、碰撞作用随滚筒壁作上升运动，但由于滚筒转速偏低导致离心力不足，部分烟丝受重力及摩擦阻力影响产生烟丝堆积滑移现象，甚至泻落至滚筒底部，产生滑移泻落烟丝量占物料总比的25%～35%。此过程中，烟丝物料的运动状态特征即为泻落运动状态，如图9（b）所示。此时产生滑移、泻落的烟丝的Z轴方向速度小于0，加速度不为0。

（3）抛落运动

烟丝物料随滚筒内壁和抄板作上升运动，当运动到烟丝物料重力势能最大时，由于烟丝跟随滚筒转动，物料并非垂直下落，在惯性作用下烟丝物料做斜抛运动。根据物料滚筒转速不同，烟丝物料斜抛运动所覆盖的空间面积存在较大差异，抛洒烟丝量占烟丝物料总比为30%～45%。此时做抛落运动烟丝Z轴方向速度≤0，烟丝作抛落运动，如图9（c）所示。

4 结论

对生产线烟丝尺寸、形状抽样检测，应用EDEM 软件建立了粒群烟丝离散模型，并在EDEM软件离散元仿真系统中计算烘丝滚筒内烟丝物料的运动状态，分析不同典型工艺参数下烟丝在滚筒内的运动行为，得到以下结论：

（1）EDEM 仿真计算将密封滚筒内烟丝物料运动的“黑箱”过程“可视化”，将烟丝物料运动行为数字化表征，得到了烟丝物料的运动规律及基本状态。（2）各物料颗粒的上抛高点、下落低点、水平移动距离有明显差异，但在烘丝滚筒内的总体运动轨迹呈周期性螺旋式向前运动。（3）烟丝物料在滚筒中的运动行为主要有3 种典型运动状态：持料上升运动、泻落运动、抛落运动。