基于EDEM的粉料称量冲击载荷仿真研究

施进发，高志龙，2，杨杰，马军旭

（1.华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450045；2.南水北调中线信息科技有限公司，北京 100089）

1 引言

混凝土是由多种物料按比例定量称量后混合均匀的拌合料，在建筑、水利、公路等工程领域中应用最广泛，其经济、技术指标对于工程的质量和成本有着举足轻重的联系。随着技术的发展以及混凝土需求和质量的提高出现了各种形式带有计量装置的搅拌设备，应用最广泛的是混凝土搅拌站（楼）[1]。配料称量作为混凝土生产过程中的关键工艺，配料称量的精度严重影响混凝土的强度和质量。物料下落的冲击载荷作为影响混凝土搅拌站配料精度的主要因素一直困扰着混凝土生产企业。

因此，减小冲击载荷对称量精度的影响，已成为国内外专家学者研究的重要课题。文献[2]针对工业煤粉锅炉中间仓落料冲击问题，改进了中间仓内部结构，有效缓解了冲击现象。文献[3]使用有限元仿真，分析了冲击载荷下的石油测试管柱减震系统的动力学性能。文献[4]对大型自移式破碎站钢结构进行了研究，使用虚拟样机和有限元对落料冲击载荷系数进行了数值模拟，并把模拟结果与理论计算进行对比。

文献[5]采用试验方法探究了散状物料冲击载荷的影响因素，得到落料高度和冲击层厚度对冲击载荷影响较大。文献[6]使用离散元方法对转载物料冲击载荷进行了研究，并使用冲击系数表征了冲击大小。文献[7]探究了空气阻力等因素对卸料轨迹预测的影响，并得出了冲击载荷预测公式。综上可以看出，专家学者对冲击载荷研究较多，但大多是基于实验手段得到的经验公式，鲜有针对混凝土搅拌站称量系统冲击载荷的研究。主要通过三维CAD软件建立称量系统简化模型，应用离散元软件EDEM对称量过程进行模拟仿真，并对称量装置进行结构优化，减小了冲击载荷对称量斗的影响，保障了混凝土的生产质量，为称量斗设计优化提供了理论依据。

2 称量机理

工控机根据工程需求把混凝土配比量发送到PLC，PLC主要依靠控制回路控制称量物料输送执行单元，如螺旋和阀等，称量斗称重传感器信号经称重显示控制仪表测量处理后，再反过来控制称量斗，进而形成一个闭环控制系统完成整个物料的计量过程，混凝土搅拌站称量系统，如图1所示。

图1 混凝土搅拌站物料称量系统简图Fig.1 Schematic Diagram of the Material Weighing System of the Concrete Mixing Plant

称量开始时，PLC在称重传感器未受力的情况下，命令电机给螺旋输送机大转速转动，上料系统快速把粉料送入称量料斗，以缩短上料时间。

当PLC通过称重传感器测得称量斗中物料与实际重量达到设定值90%时，命令螺旋输送电机减小转速，进入慢速放料阶段，以减小物料的冲击载荷影响，保证称量精度。当被称物料重量达到预设值时，关闭电机，完成称量过程。PLC下达指令打开卸料门，进行卸料，最后关闭卸料门进行下一个周期的称量。

3 落料冲击离散元模型

EDEM是全球首个基于离散元素法（EDM）用于仿真、分析和观察粒子流运动规律的通用CAE软件。离散单元法作为一种新兴的散状物料分析方法，发展迅速，在矿物加工、原料处理、石油、煤气以及制药生产等行业广泛应用，不仅可以分析颗粒模型的行为特征，还能帮助各类行业工程设计人员进行散状物料设备的设计、检测和优化[8]。利用EDEM进行数值模拟，可对颗粒流与冲击物、颗粒之间的相互作用进行分析，进而获得颗粒在下落冲击过程的能量变化、冲击速度、受力过程等力学特征[9]。因此EDEM是分析颗粒冲击特性、获得动力学规律的有效方法。利用EDEM探究落料冲击载荷对称量装置的影响。

3.1 三维模型的建立

以某混凝土搅拌站称量系统螺旋输送机喂料进入称量斗的过程为研究对象，由于主要探究冲击载荷对称量斗的影响，所以对称量装置进行了简化，只保留了模拟仿真的关键部件，螺旋输送机和称量斗两部分，系统主要参数：物料为粉料，其粒度为4mm；螺旋输送机长度为200mm，螺旋角为40°；落料高度1240mm；利用三维绘图软件SolidWorks简化和缩放，如图2所示。

图2 称重装置简化模型Fig.2 Simplified Model of the Weighing Device

3.2 颗粒间接触模型

颗粒材料间接触以及颗粒与冲击物间的作用，均属于非线性接触，主要考虑弹性力、黏滞力以及滑动摩擦。选取Hertz−Mind⁃lin非线性接触模型计算颗粒间的相互作用。设半径为R1，R2的两球形颗粒发生弹性接触，法向重叠量为：

式中：r1，r2—两颗粒的球心位置矢量。

等效粒子半径为：

在法线方向上的力为赫兹弹性力和非线性黏滞力：

式中：vn—颗粒的相对速度；

A—颗粒的黏滞参数；

E∗—等效弹性模量，可由下式求得：

式中：E1，σ1、E2，σ2—两颗粒的弹性模量和泊松比。

在切线方向上，基于Mindlin 理论和Mohr−Coulomb 摩擦定律，切向接触力为：

式中：lt—颗粒的切向变形量；

μ—摩擦系数；

G∗—等效剪切模量可由下式求得：

式中：G1，G2—两颗粒的剪切模量。

3.3 仿真参数确定

将三维实体模型导入EDEM中，设定机械元件的动力学参数，颗粒直径为2mm，颗粒工厂以20000粒/s生成，螺旋轴以80r/min旋转向称量斗输送物料。在离散元仿真过程中选取不同的接触模型，其粒子间的力学性质也有差异，由于粉料属于干颗粒且无附加阻力，选取Hertz−Mindlin with JKR 接触模型。仿真输送物料为粉料：水泥和粉煤灰，螺旋输送机和称量斗材料为钢。以上材料的自身和相互之间的力学属性，如表1、表2所示。

表1 材料属性表Tab.1 Material Attribute Table

表2 颗粒接触属性表Tab.2 Particle Contact Attribute Table

4 仿真与分析

4.1 冲击载荷评价方法

混凝土搅拌站称量系统中，称量斗接受储仓中经螺旋输送机输送的粉料，称重控制仪表对称量斗中物料进行实时称重，物料质量流下料时对称量斗产生冲击，对称量装置造成干扰，致使粉料称量精度降低。

根据动量定理得：

式中：m—螺旋输送机每秒输送粉料的质量，kg；

v—粉料到达物料面的速度，m/s；

F—粉料对称量斗的冲击力，N；

t—粉料与称量斗表面接触时间，s；

g—重力加速度，m/s2；

h—下落距离，m。

根据式（8）、式（9）可得：

采用冲击系数来衡量冲击力的大小，冲击系数定义为：

式中：Fi—冲击力，N；mg—下落产生冲击力的质量流，N；η—冲击系数。

4.2 仿真结果与分析

为了探究冲击载荷对称量装置的影响，利用EDEM仿真，分析下落物料与称量斗之间的法向力、切向力以及平均力，颗粒工厂以20000粒/s的速率生成物料并进入螺旋输送机，计算结果可视化显示落料称量过程的全貌及落到称量斗的局部，如图3所示。

图3 计算机仿真截图Fig.3 Computer Simulation Screenshot

由图4可知物料从一定高度落入称量斗瞬间，动能较大，冲击载荷较大，冲击载荷在时程上出现的峰值主要由物料颗粒与称量斗开始接触和冲击至底面的反射波引起的。

图4 法向力和切向力随时间变化曲线Fig.4 Normal Force and Tangential Force Versus Time Curve

峰值主要分为三个阶段物料对称体撞击阶段、下落物料在称体材料中运行阶段、下落物料静止阶段。冲击力出现在第一个阶段，第二个阶段物料动能伴随着摩擦和碰撞耗散，最后一个阶段物料速度不断降低趋于静止[10]。上图曲线后期9s时冲击力趋于定值，因为随着物料的下落，称体底部有一层物料，起到了缓冲的作用，冲击载荷也在随着物料厚度的增加而减小。落料瞬间会对称体底部造成一定的冲击，以至于引起称体损坏和称量失准，此时称重仪表的重量为物料重量和动态冲击载荷重量，要想提高称量精度就必须减小和消除冲击载荷对称量斗的影响，即减小物料落到称体上的动能。

5 缓冲装置设计

在螺旋输送机下料口与称量斗之间，物料下落的路径上加装锥形溜料板，可使物料下落到锥形溜料板，使部分物料的动能转化为摩擦做功损耗，相当于减小了落料高度；物料下落至锥形溜料板表面向周围散开，离开溜料板分散下落，减小了对称量斗的冲击。

5.1 锥形溜料板

锥形溜料板的结构，如图5所示。在下料口下方设置一个锥形溜料板，在综合考虑物料静态休止角和冲量大小的前提下，设计圆锥溜料板角度为45°，在溜料板圆周表面按一定间隔开半径为3mm小孔，目的是使下落的物料在锥形溜料板表面打散，增加物料与导流板之间的摩擦损耗，然后沿着溜料板落至称量斗。整个过程经历2次斜面，分别是锥形溜料板和称量斗内壁，都起到了损耗动能，减速物料，减缓对称体冲击的作用。

图5 改进后加入锥形导流板称量系统效果图Fig.5 Effect of Adding a Tapered Baffle Weighing System After Improvement

5.2 称量系统改进后仿真分析

把增加锥形溜料板的三维模型导入EDEM中，设置其各项参数与未加入溜料板时一致，下料仿真效果，如图5所示。增加缓冲装置的称量斗受力时程曲线，如图6所示。

由图4和图6对比可以看出改进后的称量装置称量斗所受的法向力从92N减小至18N，切向力从25N减小至8N，物料对秤体的冲击载荷明显减小，冲击载荷对称量斗的影响得到改善。改进前和改进后法向力和切向力冲击系数，如表3所示。由表3可以看出，在增加锥形溜料板以后，法向最大力冲击系数减小39.6%，切向最大力变化不大，整体来看缓冲效果较佳。

图6 改进后法向力和切向力随时间变化曲线Fig.6 Shows the Variation of Normal Force and Tangential Force with Time

表3 冲击力与冲击系数Tab.3 Impact Force and Impact Coefficient

6 结论

（1）根据动量定理骨料下落对称体的冲击载荷主要由物料下落的高度差及单位物料的决定的，高度差越小，单位物料的质量越小，冲击力对称量精度的影响就越弱。

（2）在离散元软件EDEM中对称量系统进行模拟，得到了物料对称量系统的冲击力和冲击系数，较好的反应了料流对称量系统的冲击效应。

（3）设计了锥形溜料板，大大减弱了冲击载荷对称量系统的影响，提高了称量精度，保证了混凝土的性能和质量。此缓冲方式成本增加较少，作用明显，无需维护，且制作简单。本方法可向干混砂浆搅拌站、沥青搅拌站称量系统中进一步推广。