螺旋集料装置的结构设计与仿真分析

王志鹏，李永祥，王明旭，王震民，王 星

(河南工业大学 机电工程学院，郑州450001)

依据《国家粮食安全中长期规划纲要(2008—2020)》，我国对油料原料需求还会继续增长，为了保证油料原料供应充足与安全，在2020年还需新增加5 000万t。随着机械化程度的提升，在缩短油料原料收割时间的同时延长了油料原料的储存时间，由于油料原料自身水分比较高，储存时间延长极易发霉变质进而影响油料原料的安全[1]。目前，国内仓储和大型油料加工企业的清理收集主要通过人工和半自动化设备进行，不仅耗时费力，且维护成本也有较大的增加。郭英洲等[2]针对我国青贮取料机取料动力小及深度浅的问题，采用模块化、集成化设计方法及与现有设备的优化组合创新设计出了一种新型青贮取料设备。谢伟等[3]针对联合收获后田间滞留大量水稻“站秆”及“残茬”的问题，运用自动控制技术研发出多功能水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机。曾百功[4]针对玉米根茬后续处理困难的问题，结合玉米根茬与土壤等特性建立数学模型，研发出一种多功能玉米根茬收集装置。

随着离散元理论及仿真技术的不断完善与发展，EDEM仿真软件对颗粒及相关设备工程问题上的贡献越来越大[5]。薛忠等[6]针对螺旋式排肥器在热带果园中的施肥效果问题，建立了相应颗粒肥料的EDEM模型并进行分析，获得了仿真运动轨迹、速度与受力变化曲线图。付静等[7]针对有机肥在储存过程中黏连的问题，利用EDEM软件对其不同含水率的有机肥排肥过程进行仿真分析，为双料箱施肥机设计提供一定的参考。毛娅等[8]针对颗粒物料在连续立式搅拌机的混合特性，运用EDEM软件对其混合过程进行仿真分析获得了比较合适的转速。

为提高大豆螺旋集料装置的工作效率，本文通过理论分析对螺旋集料装置进行结构设计，采用Solidworks软件三维建模，并导入EDEM软件模拟仿真,分析流动速度与流动状态，检测集料装置的稳定性和效率，得到螺旋集料装置的质量流量。

1 离散元理论

1.1 离散元基本原理

离散元法的基本原理是将研究对象划分为相互独立的单元，根据离散单元之间相互的作用以及牛顿运动定律，运用动、静态松弛法等迭代方法对其进行循环计算，并根据实时的所有单元的受力与位移来更新单元的位置，通过对其单元的微观运动发现研究对象的宏观规律[9]。

1.2 离散元接触模型

目前，离散元理论的研究对象一般为散粒体，因此接触模型的颗粒接触力学对离散元理论非常重要。在EDEM软件中，使用较多的接触模型为Hertz-Mindlin无滑动接触模型、Hertz-Mindlin黏结模型、Hertz-Mindlin热传导模型，对于不同的仿真对象可以根据具体的使用范围来确定相应的仿真模型[10-11]。Hertz-Mindlin无滑动接触模型是 EDEM的自身默认模型。

在实际运行过程中，离散单元常用的模型是将其颗粒之间以及与边界的接触用振动方程来进行模拟。将颗粒接触的振动运动按照法线和切向方向进行分解[12]：

(1)

(2)

(3)

式中：m1,2为颗粒的等效质量；un、us分别为颗粒法向和切向的相对位移；j1,2为颗粒的等效转动惯量；θ为旋转角；s为旋转半径；Fn、Fs分别为颗粒的法向和切向分量；cn、cs分别为接触模型的法向和切向阻尼系数；Kn、Ks分别为接触模型的法向和切向弹性系数。考虑到颗粒间摩擦力的影响，颗粒的切向滑动与滚动的极限判断条件[12]为：

(4)

本文仿真物料颗粒为大豆，颗粒之间黏性力较小，采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型进行仿真模拟。

2 螺旋集料装置结构设计

2.1 螺旋集料装置工作原理

当螺旋集料装置开始工作时，电机带动螺旋轴转动，随着螺旋叶片的推动，两边的大豆颗粒被输送至螺旋中间的叶轮处，由叶轮的转动将大豆颗粒拨动至后方气力输送系统的吸嘴处，由气力输送系统进行输送收集，实现了大豆清理收集的一体化，大大增加大豆清理收集的稳定性。

随着工业高效化、智能化发展，螺旋集料装置的合理设计能够极大改善大豆收集的效率，节约成本，提高寿命，所以设计出安全、高速、稳定的螺旋集料装置对大豆等颗粒的收集具有重要意义。因此，有必要选取最优参数，基于离散元仿真软件 EDEM 对螺旋集料装置的收集输送过程进行分析，实现快速、稳定、安全的螺旋集料，为后续螺旋装置的设计提供一定的理论基础与参考。

2.2 设计要求

已知螺旋集料装置电机功率为0.25 kW，输送物料为大豆，物料容重(γ)为0.73 t/m3，物料综合特性系数(A)为50，物料填充率(φ)为0.30，螺旋总长度(L)为1 000 mm，倾斜输送修正系数(C)为1，螺旋叶片影响系数(K)为1，螺旋集料装置的生产率为4 t/h。

螺旋集料装置设计目标之一是提高螺旋收集的生产率，其公式[13]为：

Q=47D2φSnγCK

(5)

式中：Q为螺旋集料装置的生产率，t/h；D为螺旋叶片外径，m；φ为物料填充率;S为螺旋集料装置的螺距，m；n为电机转速，r/min；γ为物料容重，t/m3；C为倾斜输送修正系数；K为螺旋叶片影响系数。

2.3 螺旋参数设计

(1)已知螺旋集料装置的生产率(Q)，根据公式(5)推算螺旋叶片外径。

(6)

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

(2)螺旋轴转速的确定应根据物料综合特性来确定，即[14]：

(7)

式中：n为螺旋轴转速，r/min;nmax为螺旋轴的极限转速，r/min;A为物料综合特性系数(A=50)。

(3)螺旋螺距的计算公式[15]为：

S=KD

(8)

式中：S为螺旋螺距，m；K为螺旋叶片影响系数，通常取值为0.8～1.0，取K=1。

(4)螺旋轴径(d)的计算公式[16]为：

0.2D≤d≤0.35D

(9)

将Q、γ、φ、C、K、公式(7)和(8)分别代入公式(6)求得D≈143 mm≈140 mm。

将A、D代入公式(7)求得n=134 r/min，圆整为标准转速，故取n=120 r/min。

由公式(8)求得S=140 mm。

由公式(9)取d=0.3D，则求得d=42 mm≈40 mm。

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

2.4 叶轮设计

根据螺旋集料装置功能需要，最终设计的螺旋集料装置如图1所示。中间叶轮的设计为：①叶轮的厚度与螺旋叶片的厚度设置相同，为2 mm,保证叶轮与叶片的强度与刚度相同；②叶轮的水平长度和倾斜长度根据叶片参数确定为140 mm和40 mm；③为了减少两边螺旋叶片输送过来的物料后退程度，设计倾斜角度为120°；④叶轮的叶片与叶片之间应有足够的空间供物料进来，为了叶轮受力均匀以及效率更高，将其角度设为45°，即分为8组叶片。

注：1.驱动电机；2.左带座轴承；3.螺旋机架；4.螺旋叶轮；5.螺旋叶片；6.右带座轴承。

图1 螺旋集料装置二维示意图和局部剖视图

3 离散元仿真

3.1 离散元仿真参数的设定

本文所取大豆颗粒的本征参数，采用生产厂家提供的检测数据；螺旋集料装置材料钢的本征参数选自软件自带的材料数据库。本研究中各仿真参数的取值如表1所示[17]。

表1 离散元仿真参数

3.2 离散元仿真模型

利用Solidworks软件建立螺旋集料装置的三维模型，导入离散元软件进行仿真分析前进行模型简化，导入EDEM软件进行仿真[18]。考虑到时间以及计算机性能的限定，对仿真过程进行简化处理，颗粒仿真采用软球模型，以球形颗粒代替大豆，大小随机正态分布，不考虑螺旋集料装置的移动情况，产生颗粒堆后，直接对叶轮、叶片、轴设定转速，主要观察颗粒流运动速度、状态能否达到设计要求。颗粒生成方式为 Dynamic，先以快速填充方式使物料充满料斗，静止1 s，待物料处于静止状态，对螺旋体转速进行设置，步长设为0.05 s，仿真时间设为10 s，待仿真结束后，通过后处理中geometry bin对输送的颗粒速度、质量流量进行采集，三维模型如图2所示。

图2 螺旋集料装置三维模型图

3.3 螺旋集料装置流动状态仿真

先对大豆在螺旋集料装置中的流动状态进行仿真分析，待仿真结束后，采用后处理中上色功能，对物流进行着色处理，螺旋外部设有外壳，为了更好地便于观察螺旋在运动过程中大豆颗粒的运动状态，在导入模型时对其螺旋外壳进行删除。仿真结果如图3所示。

图3 螺旋集料装置流动状态仿真图

由图3可知，螺旋体与物料直接接触，根据参数设置模拟了大豆在螺旋集料装置中的流动状态。大豆随着螺旋的转动被两端的螺旋叶片推至叶轮处；随后，大豆在叶轮的转动下被输送至螺旋后侧。可以清晰看到，随着时间的延长，大豆颗粒逐渐被输送至螺旋后侧，达到了预期的设计效果。

3.4 螺旋集料装置流动速度仿真(见图4)

图4 螺旋集料装置流动速度仿真图

结合流动速度分析图4，对大豆螺旋集料装置的颗粒速度进行分析。采用后处理中上色功能对物料颗粒速度大小进行标记，较大值标记为红色，中间值标记为蓝色，较小值标记为绿色。由图4可以清楚地看出物料运动中的速度分布情况，装置未向前移动时，前方物料基本处于稳定的较低速度状态；在螺旋转动的过程中，叶轮中心的物料速度越来越大，在叶轮的转动下，物料被输送至螺旋后侧。

3.5 螺旋集料装置质量流量(见图5)

图5 螺旋集料装置质量流量

由图5可知，螺旋集料装置的质量流量随着时间延长逐渐增加，最终稳定在1.1～1.2 kg/s之间，表明螺旋集料装置最终趋于平缓，具有一定的稳定性，平均质量流量为1.18 kg/s，与理论质量流量1.11 kg/s 相比提升了6.3%，表明螺旋集料装置具有一定的优越性。

4 结 论

针对大豆螺旋集料装置收集效率低的问题，首先通过理论分析对螺旋集料装置进行结构设计，然后采用Solidworks软件三维建模，并导入EDEM软件仿真，获得了大豆螺旋集料装置流动状态分析图和速度分析图，得到螺旋集料装置质量流量为1.18 kg/s，与理论质量流量1.11 kg/s相比提升了6.3%，表明螺旋集料装置具有一定的优越性。研究结果对提高螺旋集料装置的效率和降低维护成本具有实际意义，为后续复杂螺旋机械装置设计提供一定参考。