基于EDEM的垂直螺旋输送机叶片磨损仿真分析

杨乐成，张成洋，赵春江

(1.太原理工大学机械工程学院，太原 030024. 2.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024)

螺旋输送机是建筑材料、机械制造、化工运输、交通运输等行业中运用较为广泛的一种连续输送机械。螺旋叶片是螺旋输送机的重要的部件，其耐磨损性直接影响螺旋输送机的运行效率，减少输送机的使用寿命。在输送机螺旋叶片的磨损研究中，商兴国等[1]以LS250×6×60-M1型螺旋输送机为研究对象，实际测量了螺旋叶片在实际工况中的磨损情况。杨志勇等[2]对螺旋叶片部件进行了磨损分析，针对不同的磨损部件，提出了相应的解决对策。韩彦良[3]等把TRIZ理论应用在螺旋输送机的磨损的问题中，解决了细小物料颗粒造成的轴承座与滚动轴承的磨损问题。郭二军等[4]对双螺旋辊式磨浆机的螺旋套做了微观的磨损机理分析，得出了高应力是其发生磨损的主要原因。卜壮志[5]对盾构螺旋输送机的筒壁磨穿和叶片的磨损断裂等故障问题进行了分类总结。申正精[6]对螺旋离心泵做了固液两相的分析研究，使用颗粒轨道模型模拟对螺旋离心泵的磨损。上述关于叶片磨损的研究文献中，大多数是以实验或者数学模型来对磨损进行分析研究。EDEM软件不仅可以解决散状物料在数值模拟中的问题，还可以和其它有限元软件交互使用[7]。陈祖向、王学文等[8]人用EDEM分析了刮板输送机中部槽的磨损分布规律，为以后的刮板输送机的结构设计提供了参考。张延强[9]以WK-75型矿用挖掘机的斗齿作为研究对象，用EDEM分析了斗齿的最易磨损部位和磨损规律。孙晓霞、孟文俊[10]结合理论分析与EDEM+FLUENT仿真分析,研究了垂直螺旋输送机中稳定螺旋涡参数，提高了输送量。

1 EDEM模拟磨损分析

EDEM软件将所分析的散体物料看做离散颗粒的几何体，在这个几何体中，每一个颗粒都作为独立的个体进行建模和分析。主要运用磨损分析模型对螺旋输送机输送物料过程中的叶片进行磨损仿真分析，Relative Wear模型和Hertz-Mindlin with Archard Wear模型是EDEM内置的两个磨损接触模型。

1.1 Relative Wear接触模型

散料对设备的冲击磨损和磨粒磨损往往是设备磨损的主要形式，Relative Wear就是主要对这两种磨损形式进行识别的磨损接触模型，它可以显示出设备最易发生磨损的部位。切向累积接触能量、法向累积接触能量、法向累积接触力、切向累积接触力是Relative Wear接触模型的四个衡量指标。

法向累积接触能量为：En=∑|Fnvnδt|.

式中，vn——法向相对速度，m/s；δ——时间步长；Fn——法向力，N.

切向累积接触能量为：Et=∑|Ftvtδt|.

式中，vt——法向相对速度，m/s；Fn——切向力，N.

法向累积接触力Fnc=∑|Fn|.

切向累积接触力Ftc=∑|Ft|.

1.2 Hertz-Mindlin with Archarear模型

Hertz-Mindlin with Archarear模型是EDEM中标准Hertz-Mindlin(No slip)模型的扩展，其基于J.F.Archard磨损理论[9]。它可以对设备磨损的区域给出近似的几何体表面磨损深度值。

由Archard等式可知，去除材料的体积为

Q=WFndt

式中，dt——切向移动距离，m;K——无量纲常数；H——材料表面硬度，HB.

2 磨损仿真模型的建立

2.1 三维实体模型建立

本文的研究对象是垂直螺旋输送机，由于实际的螺旋输送机的构件较多，为了便于进行模拟仿真，将垂直螺旋输送机的三维模型做了简化处理，图1为用soildworks三维软件建立的垂直螺旋输送机三维模型。

垂直螺旋输送机的基本参数如表1所示。

表1 垂直螺旋输送机模型参数
Tab.1 Model parameters of vertical screw conveyor

轴径螺距螺旋厚度螺旋高度圆筒内径406041600100

在soildworks中完成垂直螺旋输送机的三维模型后，保存IGS格式文件，然后导入离散元软件EDEM中。由于EDEM软件中的网格划分相对比较粗糙，因此，为了更好的模拟螺旋叶片表面的磨损分布，需要对螺旋叶片进行网格细化。本文采Hypermesh软件对螺旋叶片部分的网格进行重新划分，网格大小为2mm.细化后的叶片网格模型如图2所示。

图1 垂直螺旋输送机三维模型
Fig.1 Three-dimensional model of vertical screw conveyor

图2 螺旋叶片有限元网格模型
Fig.2 Finite Element Mesh Model of Helical Blade

2.2 颗粒模型

本文设定了两种颗粒，一种为EDEM中默认的圆球颗粒，另一种为形状不规则的非球形颗粒。如图3所示。两种颗粒的泊松比、剪切模量和密度等物理属性相同。

图3 不同形状颗粒模型
Fig.3 Particle models with different shapes

2.3 边界条件设置

本文选取球接触模型，颗粒和螺旋叶片之间选取Relative wear和Hertz-Min dlin with Archard Wear模型。垂直螺旋输送机的进料口设定为仿真的虚拟颗粒工厂，颗粒创建速率设为1500颗粒/s.综合考虑仿真速度和计算精度后，时间步长为瑞利时间步长的23%，总的仿真时间为7.5 s，网格大小为2.5 Rmin.

3 仿真结果与分析

当垂直螺旋输送机完成给定时间的仿真模拟过程后，以螺旋叶片第二节螺旋叶片为研究对象，对叶片进行磨损分析研究，如图4.

图4 累积接触能量云图
Fig.4 Cumulative contact energy nephogram

法向累积接触能量和切向累积接触能量可以显示螺旋叶片磨损的分布。由图4可知，越靠近螺旋叶片外侧，法相累积接触能量和切向累积接触能量越高，螺旋叶片的磨损程度就越严重，这说明了螺旋叶片外侧是最易磨损的部位。这与实际叶片的磨损分布规律情况相吻合。

图5 叶片磨损深度云图
Fig.5 Blade wear depth nephogram

图5为螺旋叶片磨损深度云图，由图可知，越靠近螺旋叶片的外侧，叶片的磨损深度值越大。这与图5所示的磨损规律分布有着高度的一致性，进一步说明了Relative Wear模型来标示螺旋叶片磨损发生的主要部位的正确性。

为了更深入的研究螺旋叶片在物料输送的过程的磨损情况，在螺旋叶片上等距的选取5个区域作为磨损值的样本采集区域，并从外到内依次标号为5、4、3、2、1，如图6所示。对每个独立的样本区域提取平均磨损深度值，作图7.

图6 叶片样本区域分布图
Fig.6 Regional distribution map of blade samples

图7 不同区域叶片平均磨损深度曲线图
Fig.7 Average wear depth curve of blades in different regions

由图7可知，螺旋叶片的平均磨损深度是随着时间的增加而逐渐增大的。当时间为1 s～3 s时，叶片的磨损值为0.因为选取的叶片磨损区域并不在叶片底部，物料到达磨损区域有时间差，因此这段时间叶片没有和颗粒发生接触，不存在磨损。3 s后，螺旋叶片开始出现磨损且磨损量不断增加。由上图可知，区域5的磨损值在7 s时为6×10-8mm，区域1的磨损值约为1×10-8mm，当t=8 s时，区域5的平均磨损深度值约为区域1内磨损值的6倍，且区域2、3、4内的磨损值低于2×10-8mm，这表明叶片的磨损主要集中在叶片外侧，叶片内侧的磨损相对较少。另外，由图7可以看出叶片外侧的磨损速率也是高于其内侧磨损速率的。

为了探究螺旋叶片的磨损机理，本文选取区域5做接触力曲线图，如图8所示。

图8 区域5接触力曲线
Fig.8 Area 5 contact force curve

由图8可知，螺旋叶片上的法向累计接触力和切向累积接触力是随着时间的增加而逐渐增大的。螺旋输送机叶片磨损的存在有别于普通接触磨损，即螺旋输送机的叶片磨损主要分布在叶片边缘，离螺旋叶片的内缘越远，其磨损程度越严重。如图8所示，螺旋叶片的切向累积接触力远远高于法向累积接触力，这说明物料在垂直螺旋输送机对螺旋叶片的滑移摩擦力更大。

4 结 论

本文基于离散单元法，通过EDEM离散元软件模拟了垂直螺旋输送机输送物料的过程，分析了物料颗粒在垂直螺旋输送机的运动状态；然后通过对螺旋叶片的磨损仿真分析，对比叶片不用区域的平均磨损值，探究了螺旋叶片的磨损分布情况和规律，证明了螺旋叶片的外缘部分是磨损最严重的部位，这与螺旋叶片实际磨损的情况相吻合，进一步验证了垂直螺旋输送机模型的正确性。