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        基于離散元法的粉碎機(jī)沖擊力測(cè)試

        2019-12-03 05:59:50邢志中張武剛路正雄李實(shí)軍
        關(guān)鍵詞:大豆

        邢志中,郭 衛(wèi),張武剛,王 淵,路正雄,李實(shí)軍

        (西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安710054)

        0 引 言

        粉碎機(jī)的更新推動(dòng)著各行各業(yè)的不斷進(jìn)步,礦業(yè)、食品等行業(yè)的發(fā)展無一不需要粉碎機(jī)[1]。而粉碎機(jī)的磨損已經(jīng)是粉碎設(shè)備行業(yè)所常見的現(xiàn)象,同時(shí)它也是各制造商及學(xué)者非常重視的問題。粉碎內(nèi)腔所受沖擊力為粉碎機(jī)磨損的一個(gè)重要因素,因此,針對(duì)粉碎內(nèi)腔所受沖擊力展開研究,分析其影響因素,對(duì)延長(zhǎng)粉碎機(jī)的使用壽命,避免不必要的損害,具有十分重要的意義[2-3]。

        離散元法是求解與分析復(fù)雜離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與力學(xué)特性的一種新型數(shù)值方法,而EDEM作為全球首個(gè)現(xiàn)代化離散元模型模擬的軟件,已在制造業(yè)、礦山、食品行業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[4-5]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的梁艷坤通過離散元法對(duì)神東礦區(qū)哈拉溝煤礦垮落帶中破碎巖體潰砂的速度進(jìn)行了深度研究,最終得知松散砂在潰砂通道內(nèi)流動(dòng)的速度分布呈現(xiàn)出紡錘形[6]。清華大學(xué)的李睿采用離散元法對(duì)球床的堆積結(jié)構(gòu)開產(chǎn)研究,從仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果得知:在球床的大空間區(qū)域顆粒堆積具有隨機(jī)性,邊緣部位則呈現(xiàn)有序堆積[7]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的彭飛應(yīng)用EDEM軟件研究喂料器的喂料過程,得到了主軸直徑、螺距、物料轉(zhuǎn)速與喂料穩(wěn)定性的關(guān)系,并確定了這3個(gè)因素的最佳參數(shù)組合[8]。本研究應(yīng)用離散元軟件EDEM研究立式粉碎機(jī)粉碎內(nèi)腔所受沖擊力的大小與分布情況。同時(shí)由筆者已發(fā)表學(xué)術(shù)論文以及試驗(yàn)研究,得知改進(jìn)后的圓錐上蓋粉碎機(jī)粉碎效果優(yōu)于圓柱上蓋粉碎機(jī)(改進(jìn)前粉碎機(jī))[9]。在此基礎(chǔ)上,分析改進(jìn)前后粉碎機(jī)粉碎內(nèi)腔所受沖擊力的差別,大豆顆數(shù)、粉碎刀具轉(zhuǎn)速對(duì)改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔所受沖擊力的影響,所得結(jié)論為今后的研究與實(shí)際生產(chǎn)、延長(zhǎng)其使用壽命提供一定的參考依據(jù)。

        1 研究對(duì)象及粉碎機(jī)模型的建立

        1.1 立式粉碎機(jī)及其模型

        研究對(duì)象為小型立式粉碎機(jī)與中黃39大豆,利用EDEM軟件模擬分析大豆對(duì)小型立式粉碎機(jī)內(nèi)腔的沖擊力。研究所用的立式粉碎機(jī)型號(hào)為HC-700(圖1),改進(jìn)前后粉碎機(jī)上蓋內(nèi)腔如圖2所示,對(duì)立式粉碎機(jī)幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量,依此采用UG軟件建立其三維模型。在EDEM軟件仿真過程中,只需建立顆粒所接觸的幾何體,因此對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[10-12],改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔三維模型如圖3(a)、(b)所示。

        1.2 顆粒模型

        本研究以中黃39大豆為樣本(圖4)。隨機(jī)選取800粒,測(cè)量其長(zhǎng)、寬、高[13]。計(jì)算出每顆大豆的等效直徑D與球形率φ,從而求出大豆長(zhǎng)、寬、高、等效直徑以及球形率的均值(見表1)。

        圖1 小型立式粉碎機(jī)Fig.1 Small vertical mill

        圖2 改前進(jìn)后粉碎機(jī)上蓋內(nèi)腔Fig.2 Crushing machine cover inner cavities before and after improvement

        圖3 改進(jìn)前后粉碎內(nèi)腔三維模型Fig.3 Three-dimensional models of the crushing cavity before and after improvement

        表1 大豆群體的三維尺寸及等效直徑、球形率Table 1 Three dimensional size,equivalent diameter and spherical rate of soybean population

        圖4 中黃39大豆顆粒Fig.4 Yellow 39 soybean particles

        從表1可以看出,中黃39大豆的球形率均值已高達(dá)97.7%,因此,在軟件仿真過程中,認(rèn)為中黃39大豆為球體。根據(jù)密度公式算出中黃39大豆的單粒密度,重復(fù)100次實(shí)驗(yàn),求得中黃39大豆密度均值為1.229 g/cm3.

        2 軟件仿真與粉碎內(nèi)腔所受沖擊力分析

        2.1 EDEM軟件仿真

        由于中黃39大豆表面沒有粘附作用,故設(shè)置顆粒與幾何體、顆粒與顆粒之間的接觸模型為:Hertz-Mindlin(no slip)built-in[14-16]。該模型顆粒間法向力如式(1)

        式中R*為等效粒子半徑;α為接觸半徑;E*為等效彈性模量如式(2)

        式中E1,v1為顆粒1的彈性模量和泊松比;E2,v2為顆粒2的彈性模量和泊松比。

        顆粒間縱向力如式(3)

        式中 δ為切向重疊量;G*為等效剪切模量,計(jì)算公式如下

        式中G1和G2分別是顆粒1和2的剪切模量。

        全局變量參數(shù)見表2[17-21]。

        將前文UG軟件建立的粉碎機(jī)三維模型導(dǎo)入到EDEM中。根據(jù)粉碎機(jī)的工作轉(zhuǎn)速,設(shè)置粉碎刀具轉(zhuǎn)速為6 200 rpm.添加顆粒工廠于1×10-12s內(nèi)生成100顆中黃39大豆,其大小采用正態(tài)分布生成,參照表1設(shè)置中黃39大豆直徑平均值為3.452 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.087.

        表2 全局變量參數(shù)Table 2 Global variable parameters

        在求解器中設(shè)置仿真時(shí)間總長(zhǎng)4 s,1~3 s為粉碎機(jī)運(yùn)行時(shí)間,除此之外,設(shè)置數(shù)據(jù)寫出頻率為0.01 s,網(wǎng)格邊長(zhǎng)為最小大豆顆粒半徑的2倍[22-25]。

        2.2 粉碎機(jī)內(nèi)腔所受沖擊力分析

        在EDEM后處理的coloring模塊中選擇部件為粉碎機(jī)內(nèi)腔,為便于觀察,將粉碎機(jī)內(nèi)所有顆粒隱藏,分析改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔所受顆粒沖擊力的大小及分布情況。圖4(a)、(b)、(c)、(d)分別為1.02及1.12 s時(shí),改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔所受顆粒沖擊力的情況。

        圖4 粉碎內(nèi)腔所受沖擊力Fig.4 Impact force of the crushing cavity

        從圖4(a)、(b)、(c)、(d)上下腔體所受沖擊力云圖可以看出,顏色越趨近于深灰色沖擊力越小,顏色越趨近于紅色沖擊力越大,在粉碎機(jī)工作的過程中,改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔所受顆粒的沖擊力多集中于下腔體。通過EDEM后處理中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能,將1.01~1.20 s時(shí)間段改進(jìn)前后粉碎機(jī)上下蓋內(nèi)腔所受沖擊力導(dǎo)出進(jìn)行比較,重復(fù)9次仿真實(shí)驗(yàn),求出各時(shí)間點(diǎn)上下蓋內(nèi)腔所受沖擊力均值。其中A代表改進(jìn)前的粉碎機(jī),B代表改進(jìn)后的粉碎機(jī)(圖5)。

        圖5 1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi)上下蓋所受沖擊力Fig.5 During 1.01~1.20 s impact force of upper and lower covers

        從圖5可以看出,1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi),改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力分別大于各自上蓋內(nèi)腔所受沖擊力。其中,改進(jìn)前粉碎機(jī)上蓋內(nèi)腔的最大受力為10.32 N,最小受力為1.17 N,受力波動(dòng)較平緩;下蓋內(nèi)腔的最大受力為34.06 N,最小受力為18.69 N,受力波動(dòng)較大。改進(jìn)后粉碎機(jī)上蓋內(nèi)腔的最大受力為11.74 N,最小受力為1.16 N,受力波動(dòng)較平緩,下蓋內(nèi)腔的最大受力為43.98 N,最小受力為25.02 N,受力波動(dòng)較大。因此在改進(jìn)前后粉碎機(jī)上下蓋設(shè)計(jì)的過程中,應(yīng)著重考慮下蓋的強(qiáng)度。除此之外得知,改進(jìn)前后粉碎機(jī)上蓋內(nèi)腔所受沖擊力無明顯大小區(qū)別,而改進(jìn)后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力除在1.12與1.17 s時(shí)小于改進(jìn)前粉碎機(jī),其余各時(shí)間點(diǎn)改進(jìn)后粉碎機(jī)下蓋所受沖擊力均大于改進(jìn)前。進(jìn)而可以得出雖然改進(jìn)后粉碎機(jī)粉碎效果有所提高,但其下蓋內(nèi)腔所受沖擊力也明顯增大。

        3 大豆數(shù)量、刀具轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎內(nèi)腔所受顆粒沖擊力的影響

        3.1 大豆數(shù)量對(duì)粉碎機(jī)內(nèi)腔所受沖擊力的影響

        按照上訴仿真步驟,分別在粉碎機(jī)內(nèi)生成100,200,300,400,500,600,700,800粒中黃39大豆進(jìn)行仿真,其他仿真條件保持不變,每種大豆數(shù)目均進(jìn)行9次重復(fù)試驗(yàn)。同樣通過EDEM軟件將1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi),改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力導(dǎo)出,并求出每次仿真不同大豆數(shù)目在各時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)沖擊力數(shù)值之和的平均值,再對(duì)不同大豆數(shù)目所對(duì)應(yīng)的9次重復(fù)仿真結(jié)果求均值,繪制相關(guān)折線圖(圖6)。其中A代表改進(jìn)前的粉碎機(jī),B代表改進(jìn)后的粉碎機(jī)。

        圖6 不同大豆顆數(shù)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力Fig.6 Impact force in inner cavity of different soybeans

        從圖6可以看出,1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi),粉碎機(jī)內(nèi)生成不同大豆數(shù)量進(jìn)行粉碎,下蓋內(nèi)腔所受到?jīng)_擊力均不相等。改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力最小值,均出現(xiàn)在大豆數(shù)量為100顆時(shí),其值分別為33.83與37.61 N;改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力最大值,均出現(xiàn)在大豆數(shù)量為600顆時(shí),其值分別為74.59與83.21 N.改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力與大豆顆粒數(shù)目有關(guān),并且當(dāng)大豆數(shù)量小于600時(shí),隨著大豆顆數(shù)的增加,下蓋內(nèi)腔所受沖擊力逐漸增大。

        3.2 刀具轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎機(jī)內(nèi)腔所受沖擊力的影響

        同樣按照首次仿真步驟,分別設(shè)置粉碎刀具轉(zhuǎn)速為:6 200,6 400,6 600,6 800,7 000 rpm進(jìn)行仿真,其他仿真條件不變,每種轉(zhuǎn)速下均進(jìn)行9次重復(fù)試驗(yàn)。將1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi),改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力導(dǎo)出,并求出每次仿真不同轉(zhuǎn)速在各時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)沖擊力數(shù)值之和的平均值,再對(duì)不同刀具轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的9次重復(fù)仿真結(jié)果求出均值,繪制相關(guān)折線圖(圖7)。其中A代表改進(jìn)前的粉碎機(jī),B代表改進(jìn)后的粉碎機(jī)。

        圖7 不同轉(zhuǎn)速下蓋內(nèi)腔所受沖擊力Fig.7 Impact force of inner cavity under different speeds

        從圖7可以看出,在1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi),當(dāng)粉碎刀具轉(zhuǎn)速為6 200 rpm時(shí),改進(jìn)前后粉碎機(jī)的下蓋內(nèi)腔所受沖擊力最小,分別為38.36和39.01 N.當(dāng)粉碎刀具轉(zhuǎn)速為7 000 rpm時(shí),改進(jìn)前后粉碎機(jī)的下蓋內(nèi)腔所受沖擊力最大,分別為47.03和47.13 N.隨著粉碎刀具轉(zhuǎn)速的增大,改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力均明顯增大。

        3.3 大豆顆數(shù)、刀具轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎機(jī)內(nèi)腔所受沖擊力的綜合影響

        分別在中黃39大豆顆數(shù)為400,600,800時(shí),設(shè)置改進(jìn)前后粉碎機(jī)粉碎刀具轉(zhuǎn)速為6 200,6 400,6 600,6 800,7 000 rpm,其余條件不變,每種情況9次重復(fù)仿真,共進(jìn)行270次仿真。分別求出1.01~1.20 s時(shí)間段內(nèi),各時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)下蓋所受沖擊力數(shù)值之和的平均值,繪制表格如圖8所示。

        圖8 不同大豆顆數(shù)、轉(zhuǎn)速下蓋所受沖擊力Fig.8 Impact force of the cover under different soybean numbers and speed

        從圖8可以看出,在相同大豆數(shù)目時(shí),改進(jìn)前后粉碎機(jī)隨著粉碎刀具轉(zhuǎn)速增加,下蓋內(nèi)腔所受沖擊力同樣明顯增大。其中,改進(jìn)前粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力最大值出現(xiàn)在粉碎刀具為7 000 rpm,大豆數(shù)目為600時(shí),其值為:64.97 N;最小值出現(xiàn)在粉碎刀具為6 200 rpm,大豆數(shù)目為400時(shí),其值為:39.35 N.改進(jìn)后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力最大值出現(xiàn)在粉碎刀具為7 000 rpm,大豆數(shù)目為600時(shí),其值為:69.56 N;最小值出現(xiàn)在粉碎刀具為6 200 rpm,大豆數(shù)目為400時(shí),其值為:41.27 N.除此之外,在相同的轉(zhuǎn)速以及相同大豆顆數(shù)的情況下,改進(jìn)后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力均大于改進(jìn)前。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        試驗(yàn)所用大豆為山東祥豐種業(yè)有限公司所生產(chǎn)的中黃39大豆,變頻器為上海本川自動(dòng)化科技有限公司所生產(chǎn)的XYS-AT2型變頻器(圖9)。采用BSF120-3AA-T常溫應(yīng)變片(南京聚航科技有限公司生產(chǎn))布置在改進(jìn)前后粉碎機(jī)上下蓋內(nèi)腔,并在粉碎機(jī)上下蓋進(jìn)行打孔處理,應(yīng)變片的連接導(dǎo)線通過孔洞與外部ASMC1-9型電阻應(yīng)變儀連接(每通道最高采樣率為2 000 S/s,南京聚航科技有限公司生產(chǎn)),最終由計(jì)算機(jī)對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(圖10)。在中黃39大豆顆數(shù)為400,600,800時(shí),通過變頻器調(diào)至改進(jìn)前后粉碎機(jī)粉碎刀具轉(zhuǎn)速為6 200,6 400,6 600,6 800,7 000 rpm,其余條件不變,每種情況重復(fù)9次試驗(yàn)。結(jié)果如圖11,圖12所示。

        圖9 變頻器Fig.9 Inverter

        通過對(duì)比圖5與圖11,圖8與圖12.可以看出,在相同的轉(zhuǎn)速以及相同大豆顆數(shù)的情況下,改進(jìn)前后粉碎機(jī)上下蓋內(nèi)腔所受沖擊力的仿真與試驗(yàn)值有略微偏差。但粉碎機(jī)上下蓋內(nèi)腔受力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的總體改變趨勢(shì)一致。

        圖10 電阻應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)Fig.10 Resistance strain gauge and computer integrated test system

        圖11 改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔受力試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Crusher lumen loading test results before and after improvement

        圖12 不同大豆顆數(shù)、轉(zhuǎn)速下蓋內(nèi)腔受力試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Cover under different soybean star numbers,speed lumen loading test results

        5 結(jié) 論

        1)改進(jìn)前后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力均大于各自上蓋內(nèi)腔所受沖擊力,即下蓋內(nèi)腔比上蓋內(nèi)腔的磨損更為嚴(yán)重,在粉碎機(jī)設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)著重考慮下蓋的強(qiáng)度。改進(jìn)后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力大于改進(jìn)前粉碎機(jī),改進(jìn)后粉碎機(jī)上蓋內(nèi)腔所受沖擊力與改進(jìn)前上蓋內(nèi)腔所受沖擊力無明顯大小差別。

        2)在相同粉碎機(jī)內(nèi),當(dāng)中黃39大豆數(shù)目小于600時(shí),隨著中黃39大豆數(shù)目的增加,下蓋內(nèi)腔所受沖擊力明顯增大。即中黃39大豆數(shù)目為600左右時(shí),下蓋內(nèi)腔的磨損隨之越嚴(yán)重。

        3)在相同粉碎機(jī)內(nèi),隨著粉碎刀具轉(zhuǎn)速的增加,下蓋內(nèi)腔所受沖擊力明顯增大。即粉碎刀具轉(zhuǎn)速越高,下蓋內(nèi)腔磨損隨之越嚴(yán)重。

        4)在相同的轉(zhuǎn)速以及相同大豆顆數(shù)的情況下,改進(jìn)后粉碎機(jī)下蓋內(nèi)腔所受沖擊力均大于改進(jìn)前。即雖然改進(jìn)后粉碎機(jī)提高了粉碎效果,但其下蓋內(nèi)腔磨損程度比改進(jìn)前粉碎機(jī)更為嚴(yán)重。

        5)EDEM軟件仿真所得改進(jìn)前后粉碎機(jī)內(nèi)腔受力結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果基本一致,表明了采用EDEM軟件分析粉碎機(jī)內(nèi)腔受力的可行性。

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