基于EDEM的多点进料水平螺旋给料机仿真分析*

张有旺 王 伟 刘海洋 张卫国 吕锦超

1.天津港兴洋机械有限公司 2.上海亿博港口工程装备有限公司 3.上海海事大学 4.上海振华重工电气有限公司

1 引言

水平螺旋输送机是一种散体物料的连续输送机械，主要由内部螺旋体和外层壳体组成。水平螺旋输送机的结构形式简单，物料兼容性强，可多点进料、出料且易于布置，被广泛应用于食品加工、水泥、矿粉、化工、煤炭等行业[1]。多点进料水平螺旋给料机是水平螺旋输送机针对特定场合的变形形式，该形式的水平螺旋输送机，由于进料点数目增多，其壳体内部的物料填充率、颗粒轴向输送速度、生产率等参数可能发生变化，不同于单点进、出料的经典输送料态。而对于该工况的计算尚未找到合适的计算模型。基于此，借助离散元仿真软件EDEM，对多点进料水平螺旋给料机的输送过程进行仿真，着重探究进料点数对生产率的影响。

2 理论分析

对于“一进一出”形式的水平螺旋输送机的生产率计算方法是基于单质点理论提出的[2]，即选取输送机内螺旋叶片外缘处一点的颗粒运动和受力状态近似代替物料整体的运动状态。结合设计手册[3]给出的LS型螺旋输送机的计算，生产率(即输送能力)的计算方法为：

Q=47D2ntψρC

(1)

式中，Q为生产率，t/h；D为螺旋直径，m；n为螺旋轴转速，r/min；t为螺距，m；ρ为物料松散密度，t/m3；ψ为物料填充系数；C为输送机倾角系数，水平输送取C=1。

物料的轴向输送速度v与螺旋转速n的关系[4]为：

v=nt/60

(2)

式中，v为物料轴向输送速度，m/s。

结合式(1)、式(2)，得到如下关系式：

Q=2 820D2vψρ

(3)

从式(3)可以看出，当螺旋结构参数和物料种类不变时，生产率Q是关于轴向输送度v和填充系数ψ的函数，即：

Q(v,ψ)=Kvψρ

(4)

式中，K为螺旋结构系数，K=2 820D2。

基于此，研究多点进料水平螺旋给料机的生产率，需要重点考察在输送过程中填充系数和物料轴向输送速度对生产率的影响。由于物料在螺旋输送机内的运动过程较为复杂，经过抽象简化的数学模型不能较为全面地描述物料的实际运动状态。而离散元仿真软件EDEM能结合实际工况，模拟物料的输送过程，输出颗粒的多项参数。利用仿真软件的这一特点，能较为方便地探究多点进料工况下生产率的影响因素。

3 模型建立

多点进料水平螺旋给料机是一种定量放料装置，其原理与水平螺旋输送机一致。螺旋给料机的工作转速较慢，间歇工作，兼顾输送和锁料双重功能。通过SolidWorks建立多点进料水平螺旋给料机模型(见图1)。螺旋体采用实体式螺旋叶片，输送管采用U型截面，壁厚10 mm，管壁与叶片的间隙取10 mm。

图1 多点进料水平螺旋给料机模型

多点进料水平螺旋给料机的模型参数见表1。

表1 多点进料水平螺旋给料机的参数

4 EDEM仿真与分析

多点进料水平螺旋给料机的应用场景之一是码头的铁矿石粉料的定量装车。针对此场景，进行仿真参数设置。

4.1 参数设置

4.1.1 颗粒与几何体属性

铁矿石粉料的平均粒度约4 mm，依据比例放大的理论[5]，仿真用颗粒的粒度为40 mm，采用球面拟合的方式用3个球形颗粒拼合而成(见图2)。

图2 仿真颗粒模型

颗粒使用EDEM内部的GEMM材料库选择，螺旋体和外管选用钢制材料，颗粒和螺旋的材料属性设置见表2。

表2 颗粒和几何体的材料属性

4.1.2 接触模型和接触属性

仿真选用Hertz-Mindlin(no-slip)模型[2]。颗粒和几何体的接触属性设置见表3。

表3 颗粒和几何体的接触属性

4.1.3 运动参数

螺旋给料机的转速一般较慢，结合实际工况，仿真选用的螺旋转速为40 r/min。

4.2 仿真工况

4.2.1 颗粒工厂参数

颗粒工厂为边长1.5 m的立方体，属性为虚拟体。颗粒总数2万个，动态生成。为使颗粒快速移出颗粒工厂，保证生成速率，设置下落速度为3 m/s。

4.2.2 仿真方案设计

根据研究目的，以进料点数量为自变量，给料机的生产率为因变量，其他因素保持不变，设计仿真方案见表4。

表4 仿真方案设计

依据方案进行仿真，考察每一方案在单位时间内的出料量，统计生产率。仿真过程见图3。

图3 方案1仿真过程

4.3 仿真结果分析

4.3.1 质量与时间关系

通过EDEM后处理模块，查看仿真100 s时间计算域内物料质量随时间变化的情况(见图4)。

图4 方案1计算域内全时段质量随时间变化的曲线

从图4可以看出：在0～2 s内，计算域内质量急剧升高到最大值，此为进料过程；在2～35 s时段，质量最大值不变，此为管内输送过程；在35～85 s时段，质量近似线性减少，此为出料过程；85～100 s，质量一直为零，表示物料已全部排出，螺旋空转。

在全时段中选取出料过程中稳态出料时间段(60～80 s)，对比4种方案的物料质量随时间变化曲线(见图5)。

图5 60～80 s稳态时段质量随时间变化曲线

求出图中4条曲线的斜率，即得到对应4种工况下的生产率Q(见图6)。

图6 4种方案对应的生产率

分析图中曲线可知，随着进料点数的增加，生产率增大。进料点从1个变到2个，生产率增幅显著，为71.89 t/h；进料点从2个到3个、从3个到4个，生产率变化较小，增幅分别为7.43 t/h和12.19 t/h；进料点从1到2对应的生产率增幅约为2到3的10倍，3到4的6倍。因此，在不改变螺旋结构参数和运动参数的条件下，进料点个数从1个增加到2个，能显著增加水平螺旋输送机的生产率。在2个进料点的基础上再增加进料点个数，对提高生产率的意义不大。另外，随着进料点个数的增加，螺旋机的启动功率增大，需配置更大的电机。从整机结构布置和经济角度出发，不推荐设计多于2个进料点的水平螺旋给料机。

结合式(4)的分析，着重考察输送过程稳态时的横截面填充率和轴向输送速度。

4.3.2 横截面的填充率

在距离出料口500 mm的位置处设置1个厚度为30 mm的横截面，进行截断分析。查看稳态输送过程中，物料在横截面内的分布情况，考察不同方案下的物料的填充率。截断分析视图中颗粒的分布情况见图7。

图7 稳态输送时截断面内颗粒分布

从图7中颗粒分布数量能较为明显地看出，进料口数增加，横截面物料的填充率增加，即对应式(4)中的ψ增大。通过EDEM后处理模块，导出稳态输送时段，截断薄片区域内的颗粒数量来考察填充率的变化。方案1至方案4的变化结果见图8。

图8 横截面内填充率的变化

分析图中曲线，从整体趋势看，随着进料点数的增加，横截面物料的填充率不断增大。当进料点从1个增加到2个时，填充率增大幅度明显；当进料点从2个增加到3个、3个增加到4个时，填充率增大幅度较小，无明显浮动。原因是进料点数从1变到2，使得单位时间内进入输送机的物料增多，填充率明显增加。而2个进料点同时进料已使螺旋内部物料填充率接近1，故再增加进料点个数，对改变填充率的大小无明显意义。

对比图6和图8，易见2条曲线变化趋势出现高度一致性，即生产率与填充率存在较为明显的线性相关性，通过提高填充率可直接有效地提高生产率。

4.3.3 物料的轴向输送速度

在距离出料口500 mm的位置处布置1个圆柱形速度传感器(Velocity Profile Sensor)，传感器厚度40 mm，以考察物料的轴向输送速度(沿X正方向，见图9)。

图9 布置速度传感器

导出方案1到方案4稳态输送过程中物料轴向输送速度的平均值(见图10)。

图10 物料颗粒的平均轴向输送速度

分析图中曲线，从1个进料口到2个进料口，物料的轴向输送速度降势明显，之后的数据虽出现小幅波动但数值基本恒定，可以认为其速度不变。结合填充率的变化分析，从方案1到方案2，速度值发生明显变化的原因是1个螺距内物料填充增多，在螺旋转动过程中物料翻滚现象明显，物料之间的碰撞概率增加，降低了物料延轴向输送的平均速度。在转速不变的情况下，再增加进料点个数，已无法改变物料输送的轴向速度。因为物料的填充在该情形下已经处于“饱和”状态，内部达到动态平衡，外界输入量变化已无法对其产生显著影响。

5 结语

通过上述分析，得到如下结论：

(1)在螺旋结构参数和转速不变时，随着进料点数量的增加，生产率增大。生产率与进料点个数的变化规律呈非线性特征且存在明显拐点，仿真案例的拐点出现在第2个进料点。以此推测，不同螺旋结构参数，不同转速对应的生产率拐点不同。因此，在设计多点进料水平螺旋给料机时，应合理把握进料点的数量。

(2)在螺旋结构参数和转速不变时，随着进料点数量的增加，物料填充率增大且填充率随进料点个数的变化规律与生产率的变化规律一致，呈非线性特征，也具有对应的拐点。因此生产率是填充率的线性函数，控制填充率的大小将直接影响生产率的改变。

(3)在螺旋结构参数和转速不变时，在螺旋内部填充率未达饱和态前，物料的轴向输送速度与进料点个数呈负相关关系，即轴向输送速度随着进料点个数的增加而降低。当填充率达饱和态时，物料的轴向输送速度不受进料点个数增加的影响。