王志鵬，李永祥，王明旭，王震民，王 星

(河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450001)

依據(jù)《國家糧食安全中長期規(guī)劃綱要(2008—2020)》，我國對油料原料需求還會繼續(xù)增長，為了保證油料原料供應(yīng)充足與安全，在2020年還需新增加5 000萬t。隨著機(jī)械化程度的提升，在縮短油料原料收割時間的同時延長了油料原料的儲存時間，由于油料原料自身水分比較高，儲存時間延長極易發(fā)霉變質(zhì)進(jìn)而影響油料原料的安全[1]。目前，國內(nèi)倉儲和大型油料加工企業(yè)的清理收集主要通過人工和半自動化設(shè)備進(jìn)行，不僅耗時費(fèi)力，且維護(hù)成本也有較大的增加。郭英洲等[2]針對我國青貯取料機(jī)取料動力小及深度淺的問題，采用模塊化、集成化設(shè)計方法及與現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化組合創(chuàng)新設(shè)計出了一種新型青貯取料設(shè)備。謝偉等[3]針對聯(lián)合收獲后田間滯留大量水稻“站稈”及“殘茬”的問題，運(yùn)用自動控制技術(shù)研發(fā)出多功能水稻秸稈收集與連續(xù)打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)。曾百功[4]針對玉米根茬后續(xù)處理困難的問題，結(jié)合玉米根茬與土壤等特性建立數(shù)學(xué)模型，研發(fā)出一種多功能玉米根茬收集裝置。

隨著離散元理論及仿真技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，EDEM仿真軟件對顆粒及相關(guān)設(shè)備工程問題上的貢獻(xiàn)越來越大[5]。薛忠等[6]針對螺旋式排肥器在熱帶果園中的施肥效果問題，建立了相應(yīng)顆粒肥料的EDEM模型并進(jìn)行分析，獲得了仿真運(yùn)動軌跡、速度與受力變化曲線圖。付靜等[7]針對有機(jī)肥在儲存過程中黏連的問題，利用EDEM軟件對其不同含水率的有機(jī)肥排肥過程進(jìn)行仿真分析，為雙料箱施肥機(jī)設(shè)計提供一定的參考。毛婭等[8]針對顆粒物料在連續(xù)立式攪拌機(jī)的混合特性，運(yùn)用EDEM軟件對其混合過程進(jìn)行仿真分析獲得了比較合適的轉(zhuǎn)速。

為提高大豆螺旋集料裝置的工作效率，本文通過理論分析對螺旋集料裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用Solidworks軟件三維建模，并導(dǎo)入EDEM軟件模擬仿真,分析流動速度與流動狀態(tài)，檢測集料裝置的穩(wěn)定性和效率，得到螺旋集料裝置的質(zhì)量流量。

1 離散元理論

1.1 離散元基本原理

離散元法的基本原理是將研究對象劃分為相互獨(dú)立的單元，根據(jù)離散單元之間相互的作用以及牛頓運(yùn)動定律，運(yùn)用動、靜態(tài)松弛法等迭代方法對其進(jìn)行循環(huán)計算，并根據(jù)實時的所有單元的受力與位移來更新單元的位置，通過對其單元的微觀運(yùn)動發(fā)現(xiàn)研究對象的宏觀規(guī)律[9]。

1.2 離散元接觸模型

目前，離散元理論的研究對象一般為散粒體，因此接觸模型的顆粒接觸力學(xué)對離散元理論非常重要。在EDEM軟件中，使用較多的接觸模型為Hertz-Mindlin無滑動接觸模型、Hertz-Mindlin黏結(jié)模型、Hertz-Mindlin熱傳導(dǎo)模型，對于不同的仿真對象可以根據(jù)具體的使用范圍來確定相應(yīng)的仿真模型[10-11]。Hertz-Mindlin無滑動接觸模型是 EDEM的自身默認(rèn)模型。

在實際運(yùn)行過程中，離散單元常用的模型是將其顆粒之間以及與邊界的接觸用振動方程來進(jìn)行模擬。將顆粒接觸的振動運(yùn)動按照法線和切向方向進(jìn)行分解[12]：

(1)

(2)

(3)

式中：m1,2為顆粒的等效質(zhì)量；un、us分別為顆粒法向和切向的相對位移；j1,2為顆粒的等效轉(zhuǎn)動慣量；θ為旋轉(zhuǎn)角；s為旋轉(zhuǎn)半徑；Fn、Fs分別為顆粒的法向和切向分量；cn、cs分別為接觸模型的法向和切向阻尼系數(shù)；Kn、Ks分別為接觸模型的法向和切向彈性系數(shù)?？紤]到顆粒間摩擦力的影響，顆粒的切向滑動與滾動的極限判斷條件[12]為：

(4)

本文仿真物料顆粒為大豆，顆粒之間黏性力較小，采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型進(jìn)行仿真模擬。

2 螺旋集料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 螺旋集料裝置工作原理

當(dāng)螺旋集料裝置開始工作時，電機(jī)帶動螺旋軸轉(zhuǎn)動，隨著螺旋葉片的推動，兩邊的大豆顆粒被輸送至螺旋中間的葉輪處，由葉輪的轉(zhuǎn)動將大豆顆粒撥動至后方氣力輸送系統(tǒng)的吸嘴處，由氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行輸送收集，實現(xiàn)了大豆清理收集的一體化，大大增加大豆清理收集的穩(wěn)定性。

隨著工業(yè)高效化、智能化發(fā)展，螺旋集料裝置的合理設(shè)計能夠極大改善大豆收集的效率，節(jié)約成本，提高壽命，所以設(shè)計出安全、高速、穩(wěn)定的螺旋集料裝置對大豆等顆粒的收集具有重要意義。因此，有必要選取最優(yōu)參數(shù)，基于離散元仿真軟件 EDEM 對螺旋集料裝置的收集輸送過程進(jìn)行分析，實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、安全的螺旋集料，為后續(xù)螺旋裝置的設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ)與參考。

2.2 設(shè)計要求

已知螺旋集料裝置電機(jī)功率為0.25 kW，輸送物料為大豆，物料容重(γ)為0.73 t/m3，物料綜合特性系數(shù)(A)為50，物料填充率(φ)為0.30，螺旋總長度(L)為1 000 mm，傾斜輸送修正系數(shù)(C)為1，螺旋葉片影響系數(shù)(K)為1，螺旋集料裝置的生產(chǎn)率為4 t/h。

螺旋集料裝置設(shè)計目標(biāo)之一是提高螺旋收集的生產(chǎn)率，其公式[13]為：

Q=47D2φSnγCK

(5)

式中：Q為螺旋集料裝置的生產(chǎn)率，t/h；D為螺旋葉片外徑，m；φ為物料填充率;S為螺旋集料裝置的螺距，m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；γ為物料容重，t/m3；C為傾斜輸送修正系數(shù)；K為螺旋葉片影響系數(shù)。

2.3 螺旋參數(shù)設(shè)計

(1)已知螺旋集料裝置的生產(chǎn)率(Q)，根據(jù)公式(5)推算螺旋葉片外徑。

(6)

式中：Q=4 t/h，γ=0.73 t/m3，φ=0.30，C=1，K=1。

(2)螺旋軸轉(zhuǎn)速的確定應(yīng)根據(jù)物料綜合特性來確定，即[14]：

(7)

式中：n為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min;nmax為螺旋軸的極限轉(zhuǎn)速，r/min;A為物料綜合特性系數(shù)(A=50)。

(3)螺旋螺距的計算公式[15]為：

S=KD

(8)

式中：S為螺旋螺距，m；K為螺旋葉片影響系數(shù)，通常取值為0.8～1.0，取K=1。

(4)螺旋軸徑(d)的計算公式[16]為：

0.2D≤d≤0.35D

(9)

將Q、γ、φ、C、K、公式(7)和(8)分別代入公式(6)求得D≈143 mm≈140 mm。

將A、D代入公式(7)求得n=134 r/min，圓整為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，故取n=120 r/min。

由公式(8)求得S=140 mm。

由公式(9)取d=0.3D，則求得d=42 mm≈40 mm。

綜合可得：D=140 mm，n=120 r/min，S=140 mm，d=40 mm。

2.4 葉輪設(shè)計

根據(jù)螺旋集料裝置功能需要，最終設(shè)計的螺旋集料裝置如圖1所示。中間葉輪的設(shè)計為：①葉輪的厚度與螺旋葉片的厚度設(shè)置相同，為2 mm,保證葉輪與葉片的強(qiáng)度與剛度相同；②葉輪的水平長度和傾斜長度根據(jù)葉片參數(shù)確定為140 mm和40 mm；③為了減少兩邊螺旋葉片輸送過來的物料后退程度，設(shè)計傾斜角度為120°；④葉輪的葉片與葉片之間應(yīng)有足夠的空間供物料進(jìn)來，為了葉輪受力均勻以及效率更高，將其角度設(shè)為45°，即分為8組葉片。

注：1.驅(qū)動電機(jī)；2.左帶座軸承；3.螺旋機(jī)架；4.螺旋葉輪；5.螺旋葉片；6.右?guī)ёS承。

圖1 螺旋集料裝置二維示意圖和局部剖視圖

3 離散元仿真

3.1 離散元仿真參數(shù)的設(shè)定

本文所取大豆顆粒的本征參數(shù)，采用生產(chǎn)廠家提供的檢測數(shù)據(jù)；螺旋集料裝置材料鋼的本征參數(shù)選自軟件自帶的材料數(shù)據(jù)庫。本研究中各仿真參數(shù)的取值如表1所示[17]。

表1 離散元仿真參數(shù)

3.2 離散元仿真模型

利用Solidworks軟件建立螺旋集料裝置的三維模型，導(dǎo)入離散元軟件進(jìn)行仿真分析前進(jìn)行模型簡化，導(dǎo)入EDEM軟件進(jìn)行仿真[18]?？紤]到時間以及計算機(jī)性能的限定，對仿真過程進(jìn)行簡化處理，顆粒仿真采用軟球模型，以球形顆粒代替大豆，大小隨機(jī)正態(tài)分布，不考慮螺旋集料裝置的移動情況，產(chǎn)生顆粒堆后，直接對葉輪、葉片、軸設(shè)定轉(zhuǎn)速，主要觀察顆粒流運(yùn)動速度、狀態(tài)能否達(dá)到設(shè)計要求。顆粒生成方式為 Dynamic，先以快速填充方式使物料充滿料斗，靜止1 s，待物料處于靜止?fàn)顟B(tài)，對螺旋體轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，步長設(shè)為0.05 s，仿真時間設(shè)為10 s，待仿真結(jié)束后，通過后處理中g(shù)eometry bin對輸送的顆粒速度、質(zhì)量流量進(jìn)行采集，三維模型如圖2所示。

圖2 螺旋集料裝置三維模型圖

3.3 螺旋集料裝置流動狀態(tài)仿真

先對大豆在螺旋集料裝置中的流動狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，待仿真結(jié)束后，采用后處理中上色功能，對物流進(jìn)行著色處理，螺旋外部設(shè)有外殼，為了更好地便于觀察螺旋在運(yùn)動過程中大豆顆粒的運(yùn)動狀態(tài)，在導(dǎo)入模型時對其螺旋外殼進(jìn)行刪除。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 螺旋集料裝置流動狀態(tài)仿真圖

由圖3可知，螺旋體與物料直接接觸，根據(jù)參數(shù)設(shè)置模擬了大豆在螺旋集料裝置中的流動狀態(tài)。大豆隨著螺旋的轉(zhuǎn)動被兩端的螺旋葉片推至葉輪處；隨后，大豆在葉輪的轉(zhuǎn)動下被輸送至螺旋后側(cè)?？梢郧逦吹剑S著時間的延長，大豆顆粒逐漸被輸送至螺旋后側(cè)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

3.4 螺旋集料裝置流動速度仿真(見圖4)

圖4 螺旋集料裝置流動速度仿真圖

結(jié)合流動速度分析圖4，對大豆螺旋集料裝置的顆粒速度進(jìn)行分析。采用后處理中上色功能對物料顆粒速度大小進(jìn)行標(biāo)記，較大值標(biāo)記為紅色，中間值標(biāo)記為藍(lán)色，較小值標(biāo)記為綠色。由圖4可以清楚地看出物料運(yùn)動中的速度分布情況，裝置未向前移動時，前方物料基本處于穩(wěn)定的較低速度狀態(tài)；在螺旋轉(zhuǎn)動的過程中，葉輪中心的物料速度越來越大，在葉輪的轉(zhuǎn)動下，物料被輸送至螺旋后側(cè)。

3.5 螺旋集料裝置質(zhì)量流量(見圖5)

圖5 螺旋集料裝置質(zhì)量流量

由圖5可知，螺旋集料裝置的質(zhì)量流量隨著時間延長逐漸增加，最終穩(wěn)定在1.1～1.2 kg/s之間，表明螺旋集料裝置最終趨于平緩，具有一定的穩(wěn)定性，平均質(zhì)量流量為1.18 kg/s，與理論質(zhì)量流量1.11 kg/s 相比提升了6.3%，表明螺旋集料裝置具有一定的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

針對大豆螺旋集料裝置收集效率低的問題，首先通過理論分析對螺旋集料裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后采用Solidworks軟件三維建模，并導(dǎo)入EDEM軟件仿真，獲得了大豆螺旋集料裝置流動狀態(tài)分析圖和速度分析圖，得到螺旋集料裝置質(zhì)量流量為1.18 kg/s，與理論質(zhì)量流量1.11 kg/s相比提升了6.3%，表明螺旋集料裝置具有一定的優(yōu)越性。研究結(jié)果對提高螺旋集料裝置的效率和降低維護(hù)成本具有實際意義，為后續(xù)復(fù)雜螺旋機(jī)械裝置設(shè)計提供一定參考。