陳亞維,盧坤明,張春明,李 賀

(1.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,河南 鄭州 451191;2.鄭州東浩科技有限公司 技術(shù)部,河南 鄭州 451191)

0 引 言

電磁振動(dòng)給料機(jī)(簡(jiǎn)稱:電振機(jī))被廣泛應(yīng)用在冶金、煤炭、電力、化工、建材、輕工和糧食等行業(yè)中,與其他設(shè)備配套,實(shí)現(xiàn)給料、喂料、配料、定量包裝和流程自動(dòng)化作業(yè)[1,2]。目前,電振機(jī)已經(jīng)趨于成熟[3],實(shí)體產(chǎn)品在市場(chǎng)上也得到了廣泛應(yīng)用。

學(xué)者們對(duì)電振機(jī)做了很多研究:RADEMACHER F J C等[4]采用質(zhì)點(diǎn)化原理研究了電振機(jī)的加料原理;顧平燦[5]從振幅與物料運(yùn)動(dòng)方式之間的關(guān)系對(duì)電振機(jī)給料速度進(jìn)行了研究;柳志康等[6]借助EDEM仿真軟件從機(jī)械指數(shù)和振幅對(duì)電振機(jī)進(jìn)行了研究;王新文等[7]基于EDEM對(duì)給料機(jī)的閘門開度進(jìn)行了研究;彭美豹等[8]從閘門開度和振幅研究了電振機(jī)內(nèi)物料的定量加料特性;石加聯(lián)等[9]研究了不同料層厚度下電振機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

以上研究多是從單個(gè)或者兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究,而針對(duì)參數(shù)變化對(duì)物料輸送速度規(guī)律的研究卻很少。

本文借助SolidWorks繪制電振機(jī)三維模型，用離散元數(shù)值軟件EDEM,并采用離散單元法[10]、控制變量法系統(tǒng)研究振幅、擋板高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向角這4種參數(shù)下的電振機(jī)加料規(guī)律,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證擋板高度和振幅變化對(duì)電振機(jī)加料的影響。

1 電振機(jī)加料原理

電振機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電振機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖1中,電磁鐵線圈固定在底座上,通過電磁鐵線圈的電流經(jīng)過半波整流,在正半周內(nèi)線圈中有電流通過時(shí),銜鐵和鐵芯相互吸引,這時(shí)振動(dòng)槽向后運(yùn)動(dòng),電振機(jī)的前后兩塊主振板彈簧發(fā)生變形,儲(chǔ)存一定的勢(shì)能。在負(fù)半周線圈中無電流通過時(shí),電磁鐵的電磁力消失,這時(shí)板彈簧釋放儲(chǔ)存的勢(shì)能,振動(dòng)槽朝相反的方向運(yùn)動(dòng),推動(dòng)振動(dòng)槽中的物料向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁鐵線圈持續(xù)通電時(shí),電振機(jī)就作往復(fù)振動(dòng),在槽體的連續(xù)振動(dòng)下,物料實(shí)現(xiàn)定量輸送[11,12]。

2 EDEM仿真

2.1 EDEM模型的建立

除去電振機(jī)裝置中不必要的部分,筆者利用SolidWorks繪制料倉(cāng)、擋板、振動(dòng)槽,并直接在料倉(cāng)中央位置繪制一個(gè)薄板,導(dǎo)入EDEM之后，可以利用該薄板直接建立虛擬顆粒工廠。

導(dǎo)入EDEM之后，電振機(jī)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 電振機(jī)計(jì)算模型

筆者在出口處建立質(zhì)量流速傳感器,來統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)流速。料槽參數(shù)為:長(zhǎng)度L=500 mm,振動(dòng)槽槽寬B=90 mm,槽高H=120 mm,傾斜角度α=0°;料倉(cāng)底部距離振動(dòng)槽底部距離90 mm,擋板高度h可以在0～90 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

本文采用的豌豆顆粒被近似看作理想球體,且顆粒表面沒有黏附力,故筆者選用Hertz-Mindlin[13,14]無滑動(dòng)模型模擬振動(dòng)輸送過程中顆粒間的相互作用,仿真步長(zhǎng)根據(jù)瑞利波法確定為Rayleigh[15]時(shí)間步長(zhǎng)的20%。顆粒工廠先快速生成顆粒,當(dāng)料倉(cāng)中存有顆粒后再減緩,根據(jù)不同參數(shù)下模型的物料輸送能力,對(duì)顆粒工廠顆粒生成速度進(jìn)行調(diào)節(jié),避免顆粒過多，增加運(yùn)算時(shí)長(zhǎng),也避免顆粒過少出現(xiàn)顆粒不足的現(xiàn)象。筆者設(shè)置采樣時(shí)間0.01 s,仿真時(shí)間15 s。

仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

2.3 仿真設(shè)計(jì)

該仿真是為了探究電振機(jī)在振幅、擋板高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向角度參數(shù)下的電振機(jī)加料規(guī)律。為了減少仿真次數(shù),筆者規(guī)定其他參數(shù)選用以下參數(shù):振幅A=1 mm,擋板高度h=50 mm,振動(dòng)頻率f=25 Hz,振動(dòng)方向角β=30°。振幅、頻率,均可以在軟件中直接進(jìn)行設(shè)置,擋板高度可以通過設(shè)置EDEM軟件中擋板的CAD參數(shù)來調(diào)節(jié)。振動(dòng)方向角可以通過調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)算例始末位置進(jìn)行模擬。

仿真安排如表2所示。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 振幅

在不同振幅下,電振機(jī)流速隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

表2 仿真試驗(yàn)

圖3 不同振幅下流量隨時(shí)間變化曲線

由圖3可以看出,當(dāng)振幅在0.5 mm～3.5 mm范圍之內(nèi)時(shí),流速隨著振幅的增加而增大;流速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間隨穩(wěn)態(tài)流速的增大而減小。

為了進(jìn)一步探究振幅與流速的關(guān)系,各個(gè)振幅流速均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后(8 s以后),筆者取流速平均值繪制流速隨振幅的變化曲線,如圖4所示。

由圖4可以看出,當(dāng)振幅在0.5 mm～3.5 mm范圍內(nèi)時(shí),電振機(jī)的加料速度是隨著振幅的增加呈開口向下的二次曲線增長(zhǎng)的,曲線擬合的擬合度高達(dá)0.995 6。曲線零點(diǎn)解為物料運(yùn)動(dòng)所需要的最小振幅。

3.2 擋板高度

在不同擋板高度下,電振機(jī)流速隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖4 流速隨振幅變化曲線圖

圖5 不同擋板高度下流速隨時(shí)間的變化曲線

由圖5可以看出,流速隨著擋板高度的增加而增大。

為了進(jìn)一步探究擋板高度與流速的關(guān)系,當(dāng)各個(gè)擋板高度下流速均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后(8 s以后),筆者取流速平均值繪制流速隨擋板高度的變化曲線,如圖6所示。

由圖6可以看出,電振機(jī)的加料速度隨著擋板高度的升高呈線性增長(zhǎng),曲線擬合的擬合度高達(dá)0.993 5。

3.3 振動(dòng)頻率

在不同振動(dòng)頻率下,電振機(jī)流速隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖6 流速隨擋板高度的變化曲線圖

圖7 不同振動(dòng)頻率下流速隨時(shí)間的變化曲線

由圖7可以看出,當(dāng)振動(dòng)頻率在15 Hz～50 Hz時(shí),流速隨著振動(dòng)頻率的增加而增大。

為了進(jìn)一步探究振動(dòng)頻率與流速的關(guān)系,當(dāng)各個(gè)頻率下流速均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后(8 s以后),筆者取流速平均值繪制流速隨振動(dòng)頻率的變化曲線,如圖8所示。

圖8 流速隨振動(dòng)頻率的變化曲線

由圖8可以看出,當(dāng)振動(dòng)頻率在15 Hz～30 Hz時(shí),電振機(jī)的加料速度隨著振動(dòng)頻率的增加呈開口向上的二次曲線增長(zhǎng);當(dāng)振動(dòng)頻率在30 Hz～50 Hz時(shí),流速隨著振動(dòng)頻率的增加呈線性增加,曲線擬合度分別為0.999 8和1。

3.4 振動(dòng)方向角

電振機(jī)取不同振動(dòng)方向角時(shí),流速隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

由圖9可以看出,當(dāng)振動(dòng)方向角取15°～45°時(shí),流速隨著振動(dòng)方向角的增加而增大;當(dāng)振動(dòng)方向角取45°～70°時(shí),流速隨著振動(dòng)方向角的增加而減小。

為了進(jìn)一步探究振動(dòng)方向角與流速的關(guān)系,當(dāng)各個(gè)振動(dòng)方向角下流速均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后(8 s以后),取流速平均值,筆者繪制流速隨振動(dòng)方向角的變化曲線,如圖10所示。

圖9 不同振動(dòng)方向角下流速隨時(shí)間的變化曲線

圖10 流速隨振動(dòng)方向角度數(shù)β的變化曲線

由圖10可以看出,當(dāng)振動(dòng)方向角在15°～70°時(shí),電振機(jī)的加料速度隨著振動(dòng)方向角的變化呈開口向下的二次曲線變化,曲線擬合度為0.998 2。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)裝置采用鄭州藝霖機(jī)械設(shè)備有限公司的雙頭定量分裝秤,通過調(diào)節(jié)料倉(cāng)擋板高度來驗(yàn)證仿真中擋板高度對(duì)電振機(jī)的影響規(guī)律;通過改變創(chuàng)優(yōu)模塊對(duì)電振機(jī)輸入的激振電壓來模擬仿真中振幅對(duì)電振機(jī)的影響規(guī)律。由于日常采用AC 220 V電壓對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電,此處經(jīng)過創(chuàng)優(yōu)模塊對(duì)振動(dòng)電磁鐵輸入電壓進(jìn)行半波整流,整流后頻率為50 Hz恒定不變;設(shè)備所采用的電振機(jī)振動(dòng)方向角為20°恒定不變。因此，筆者只研究了振幅和擋板高度對(duì)加料速度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過記錄雙頭秤儀表參數(shù)來獲取。

雙頭秤儀表如圖11所示。

圖11 雙頭秤儀表

實(shí)驗(yàn)并不能直觀體現(xiàn)振幅的大小,但對(duì)電振機(jī)輸入不同激振電壓時(shí),線圈對(duì)銜鐵產(chǎn)生的吸引力不同,主振彈簧發(fā)生變形量不同,最終反映的振幅不同。所以筆者通過設(shè)定目標(biāo)重量,將中加值設(shè)為0,通過采集每次流出物料的實(shí)際重量和所用的時(shí)間,計(jì)算出流速,通過流速的大小,間接反映振幅的大小。

實(shí)驗(yàn)分別采集了激振電壓為99 V、131 V、164 V、197 V、220 V,擋板高度為50 mm、70 mm、80 mm、90 mm時(shí)的流速大小,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定后,每個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)5次以上,得到流速隨激振電壓(振幅)變化曲線如圖12所示。

由圖12可以看出,當(dāng)擋板高度一定時(shí),流量均值隨著激振電壓(振幅)的增加呈二次曲線線性增加。該變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果相同。

當(dāng)激振電壓(振幅)一定時(shí),流速隨擋板高度增加的變化曲線如圖13所示。

由圖13可以看出,當(dāng)激振電壓(振幅)一定時(shí),流速隨著擋板高度的增加呈線性增長(zhǎng)。該變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果相同。

圖12 不同擋板高度下流速隨激振電壓(振幅)的變化曲線

圖13 不同激振電壓下流速隨擋板高度的變化曲線

5 結(jié)束語

本文借助SolidWorks和EDEM軟件,采用離散單元法、控制變量法系統(tǒng)研究了振幅、擋板高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向角4種參數(shù)變化對(duì)電振機(jī)物料輸送流速的影響,得出了每一種參數(shù)對(duì)電振機(jī)物料輸送流速的影響規(guī)律,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證擋板高度和振幅變化對(duì)電振機(jī)加料影響規(guī)律的可靠性。研究結(jié)論如下:

(1)當(dāng)振幅在0.5 mm～3.5 mm,激振電壓在99 V～220 V范圍內(nèi)時(shí),電振機(jī)物料輸送流速隨著振幅(激振電壓)的增加而增加,符合呈開口向下的二次曲線增長(zhǎng)規(guī)律;

(2)擋板高度在50 mm～90 mm范圍內(nèi),電振機(jī)物料輸送流速隨擋板高度的增加呈線性增長(zhǎng);

(3)當(dāng)振動(dòng)頻率在15 Hz～30 Hz時(shí),電振機(jī)物料輸送流速隨著振動(dòng)頻率的增加呈開口向上的二次曲線增長(zhǎng),當(dāng)振動(dòng)頻率在30 Hz～50 Hz時(shí)，流速隨振動(dòng)頻率的增加呈線性增長(zhǎng);

(4)電振機(jī)物料輸送流速隨振動(dòng)方向角的增加先增后減,在45°左右達(dá)到峰值,呈開口向下的二次曲線變化規(guī)律。

電振機(jī)加料流速增大使得其物料輸送能力提升,但在一些需要定量加料的場(chǎng)合,不但要求加料速度快,還要求加料的穩(wěn)定性好;另外,各種參數(shù)之間可能會(huì)存在交互影響作用。

因此,今后的研究方向主要是探索電振機(jī)加料速度與穩(wěn)定性之間的關(guān)系，以及多參數(shù)下的綜合影響規(guī)律。