基于离散元法的卧式双轴搅拌机搅拌优化分析

肖舫

摘 要：提高颗粒物料混合的效率作为研究重点长期被人们关注。为了研究卧式双轴搅拌机结构参数和工艺参数对混合性能的影响，以两种颗粒物料混合作为实验对象，针对卧式双轴搅拌机的结构参数和搅拌工艺参数设计了多因素多水平的正交模拟实验。以EDEM软件为平台，基于离散元法对颗粒模型进行了搅拌混合数值模拟实验，继而进行了极差和方差分析，得出结论：轴间距1000mm，叶片间距610mm，双轴转速为80rpm的参数水平下混合度参数结果最佳;搅拌结构参数和工艺参数中，轴间距因素对混合度影响最大，双轴转速次之，搅拌轴叶片间距影响最小。表面合适的轴间距和恰当的搅拌速度对搅拌机混合性能影响显著。混合搅拌机的参数优化对众多行业都有着极为重要意义。

0 引言

粉料工厂的搅拌机生产效率决定了工厂的产量和企业规模，而粉料产品的质量往往也取决于颗粒混合设备的混合性能，搅拌机是粉料业最为关键的加工设备[1]。国内的搅拌机的研制和发展都朝着快速、高混合度、低耗、低残留量以及系列化等目标[2]。其中，卧式双轴桨叶搅拌机是目前最常见的机型，它采用双桨叶搅拌机构，可以缩短物料的混合时间，能够将物料有效的混合，混合的均匀度比单桨叶的好。设计新型物料搅拌机、优化搅拌机的结构参数和工艺参数、提高搅拌机的工作效率一直是卧式双轴桨叶搅拌机的研究重点[3]。

近几年，采用数值仿真的方法开展卧式搅拌机关键技术的研究也越来越广泛。涂文静[4]通过使用软件SolidWorks简化双轴搅拌机模型，并校核传动轴强度及刚度，进而对搅拌机结构进行优化。詹民民[5]通过使用软件Fluent分析不同的搅拌叶片安装间距和不同的搅拌臂长度搅拌桨对卧式粉料搅拌机搅拌槽内的流场分布以及固体相的体积分数分布情况的影响。丁智勇[6]通过使用软件EDEM对沥青混合料搅拌过程进行仿真，研究混合均匀性在不同转速条件下的变化情况，进而确定最佳的搅拌速度。搅拌机的混合效率是粉料加工企业长期以来的研究内容，提高搅拌混合机的效率也是为提高生产效率，实现收益增加的技术重点。因而，研究提高卧式双轴搅拌机的工作性能有着重要的实际意义。

1搅拌机三维模型及颗粒模型

1.1搅拌机模型

研究开展所用的搅拌机模型通过UG绘制部件装配，设计了包括箱体，叶片，检修门，侧挡板，搅拌轴，叶片体在内的主要部件等。为了提高解算效率，在进行EDEM分析时，将搅拌轴、搅拌桨叶及攪拌外筒的三维模型在保证仿真真实性的情况下进行了部件的简化，通过中转文件完成后导入Geometry模块。对EDEM中的双轴卧式搅拌机模型进行了简化改动，在不影响搅拌性能的情况下，搅拌保留了主箱体和双搅拌轴主要部件，如图1所示。

1.2颗粒模型

建立两种材料颗粒模型如图2所示，颜色分别定为白色和黑色，颗粒直径分别为15mm和20mm。为了便于分析物料混合的均匀性受到各种条件的影响情况，需要采用数值化的方法评定搅拌腔内散体物料混合程度，这里采用混合度作为评定物料分散均匀性和搅拌性能的指标参数[7]。

2 实验设计

2.1正交实验参数

在搅拌颗粒混合实验中，采用了多因素多水平的正交实验具体分析了搅拌轴中心距、单轴上的叶片间距、双轴转速结构参数对工艺性能的影响[8-9]。基于离散元法对预先准备的物料进行混合搅拌正交仿真分析，相比于单因素水平实验，正交试验不仅能够更准确地分析混合均匀性受各条件的影响情况，同时还能够提高实验效率。表1为实验采用的因素水平。

本实验因素为A：搅拌轴间距、B：轴上叶片的间距、C：搅拌轴转速，是L9（33）三因素三水平正交实验，建立的正交实验方案如表2所示。

2.2仿真实验设计

搅拌开始前，首先将建立的两种物料颗粒模型按照一定的比例投放， 分别落人转筒内的混合腔。混合搅拌一定的时间后， 停机取样。在EDEM中的搅拌实验过程如图3所示，为了便于观察颗粒分布情况，将搅拌机箱体隐藏。

图3  颗粒混合EDEM仿真

Figure 3 EDEM simulation of particle mixing

通过观察混合腔的截面图可以初步判断物料的混合情况。以第一组因素水平实验为例，经过不同搅拌时间后混合状态如图4所示，可以看出，经过10s的搅拌混合后，两种颗粒的混合效果有了明显的提高。为了得到搅拌完成后两种物料颗粒的混合度准确值，需要将搅拌实验的区域划分为多个尺寸合理等份的子区域，借助EDEM的result获取各组间两种物料的组分比，以颗粒数50为筛选指标进行挑选，对有统计意义的有效组bin数据结果进行处理，进而获取相关参数并计算得出混合度。

3  实验结果分析

图5为各组实验搅拌50s后颗粒混合情况，可以看出第1组、第3组及第9组中依然存在大面积未与白色颗粒相混合的黑色颗粒堆积，混合效果明显差于其它几组。经过计算，第1组至第9组的最终混合度计算结果分别为：2.982、3.980、3.402、5.300、4.988、6.480、4.419、5.832、2.904。

3.1极差分析

差分析法简称R法，在正交实验的数据处理中，极差分析法可以获取影响结果因素的重要性将因素进行排列。表3为对混合度的极差进行分析结果。

从极差分析结果可以看出：对于因素A轴间距 kj2 > kj3 > kj1，表明轴间距因素在1000mm水平下，50s内的混合度更高。对于因素B双轴转速 kj2 > kj3 > kj1，说明在50s内叶片间距参数水平在610mm下的混合效果较优。对于因素C双轴转速 kj2 > kj3 > kj1，说明在50s测试时间内，双轴转速参数在80rpm水平下的混合效果较优。

对ABC三因素的极差分析有： RA > RC > RB，说明在三种因素实验所取水平梯度中，轴间距的显著性最大，转速的显著性次之，叶片间距对目标参数的影响最小。

综上所述：实验因素在轴间距为1000mm，叶片间距610mm，双轴转速为80rpm的参数水平下混合度参数结果最佳，相应的实验组因素组合为A2B2C2实验组。其次，轴间距对混合度影响是最大的，其次是双轴转速，对试验时间内的物料混合程度的影响最小因素是搅拌片间距。

3.2方差分析

通过采用方差分析方法对试验结果进行分析可以对影响试验结果的各因素的重要程度给以准确的定量估计，并对极差分析法的实验数据波动进行分析。表4为对混合度的方差分析结果。

根据表4的数据，采用方差分析的计算方法进行进一步分析，计算结果如表5所示：

结果表明：因素A轴间距的检验F 值为 7.328， F0.1>7.328> F0.25，所以因素A轴间距在α = 0.25水平上对混合度的影响较为显著;因素C转轴转速的检验F值为3.281，F0.1>3.281> F0.25，所以因素B 双转轴转速在α = 0.25 水平上对混合时间的影响较显著。因素B叶片间距的因素检验F 值为1< F0.25，所以因素B叶片间距对混合时间的影响不显著。

4  结论

本文采用了离散元的分析方法，针对卧式搅拌机的结构及工艺参数对搅拌效率的影响进行了研究。通过分析软件EDEM模拟颗粒混合系统，精确模拟散体颗粒混合分布状态，并对搅拌结构参数与工艺参数匹配，以多因素正交实验和极差方差分析为研究手段，评定了搅拌轴中心距，双臂排布参数和叶片转速因素在多水平下的混合度指标，并得到了以下结论：在三因素三水平L9 （ 33）正交实验中，轴间距为1000mm，叶片间距610mm，双轴转速为80rpm的参数水平下混合度参数结果最佳;在搅拌结构参数和工艺参数中，轴间距因素对混合度影响最大，双轴转速次之，搅拌轴叶片间距影响最小。表面合适的轴间距和恰当的搅拌速度对搅拌机混合性能影响明显，合适的搅拌轴叶片间距也在一定程度上影响搅拌效率。