基于離散元法的瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒立式葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱福民,萬(wàn)沈文

(1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

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基于離散元法的瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒立式葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱福民1,萬(wàn)沈文1

(1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒的攪拌性能直接影響著其工作效率,其中葉片對(duì)攪拌性能起著至關(guān)重要的作用.與傳統(tǒng)的螺旋葉片相比立式葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝,具有良好的攪拌性能和優(yōu)良的破碎性能.通過(guò)離散元仿真軟件對(duì)攪拌筒內(nèi)部立式葉片的數(shù)量和傾斜角對(duì)瀝青顆粒受力、破碎性、均勻性等攪拌性能的影響進(jìn)行數(shù)值模擬,為瀝青養(yǎng)護(hù)車的立式葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考.

攪拌筒立式葉片; 瀝青顆粒; 離散元方法

ZHU Fu-min,WAN Shen-wen

(1.Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

瀝青作為建筑道路多用途材料,應(yīng)用廣泛,需求量巨大.2013年,中國(guó)的瀝青產(chǎn)量比去年增長(zhǎng)了9.71%,達(dá)到了1993.51萬(wàn)t,而2014年國(guó)內(nèi)瀝青總產(chǎn)量為2077.9萬(wàn)t,預(yù)計(jì)2015年國(guó)內(nèi)瀝青產(chǎn)量將還會(huì)增長(zhǎng).瀝青路面需要時(shí)常維護(hù)和翻修,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年大約需要翻修20%的瀝青路面,每年有220萬(wàn)t舊瀝青會(huì)被廢棄[1].目前針對(duì)瀝青路面的修補(bǔ)方式為:將損壞的舊瀝青取出,加入攪拌設(shè)備里再次軋碎,添入再生劑以提高瀝青的質(zhì)量,同時(shí)需要添加一些新的瀝青攪拌混合,該法便可以回收再用舊瀝青[2].多功能瀝青養(yǎng)護(hù)車的出現(xiàn),正是解決這一棘手問(wèn)題的關(guān)鍵.

瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒中的葉片對(duì)其工作效率有至關(guān)重要的影響,與傳統(tǒng)的螺旋葉片相比,立式葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝,具有良好的攪拌性能和優(yōu)良的破碎性能.本文主要研究立式葉片的攪拌性能,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真攪拌筒內(nèi)顆粒的受力情況、均勻性、破碎性和顆粒的進(jìn)出料性對(duì)葉片的數(shù)量和傾斜角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而提高瀝青養(yǎng)護(hù)車的作業(yè)性能,對(duì)瀝青養(yǎng)護(hù)車設(shè)備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、使用以及工程建設(shè)都具有重要的意義.

1 模型建立

1.1 顆粒接觸模型

在實(shí)際作業(yè)中,攪拌筒內(nèi)的混合料大多為瀝青料、混凝土、砂石等混合物,具有一定的黏性,故本文宜選用Hertz-Mindlin with JKR模型來(lái)模擬瀝青物料的接觸.Hertz-Mindlin with JKR是一個(gè)凝聚力接觸模型,是一個(gè)在接觸區(qū)域中可以考慮范德華力的影響并允許用戶模擬強(qiáng)黏性的系統(tǒng).在這個(gè)模型中,法向彈性接觸力的實(shí)現(xiàn)基于JKR(Johnson-Kendall-Roberts)理論[3].

JKR法向力Fn基于重疊量δ和相互作用參數(shù)、表面能量γ:

(1)

(2)

α=R1+R2-r1-r2

(3)

式中:E*為當(dāng)量楊氏模量;α為法向重疊量;R*為當(dāng)量半徑;R1為顆粒1的半徑;R2為可顆粒2的半徑;r1為顆粒1的球心位置矢量;r2為顆粒2的球心位置矢量.

當(dāng)γ=0時(shí),力變成了Hertz-Mindlin法向力FH:

(3)

這個(gè)模型提供吸引凝聚力,即使顆粒并不是直接接觸.顆粒間有非零凝聚力的最大間隙為

(4)

(5)

當(dāng)δ<δc時(shí),模型返回0.當(dāng)顆粒并非實(shí)際接觸并且間隔小于δc時(shí),凝聚力達(dá)到最大值.這個(gè)最大凝聚力Fp為

(6)

顆粒間的摩擦力計(jì)算取決于JKR法向力的正向排斥部分.因此,JRK摩擦模型在接觸力的凝聚力分量更大時(shí)提供一個(gè)更大的摩擦力.JKR這個(gè)模型和一般的模型相比主要區(qū)別在于摩擦模型.

雖然這個(gè)模型是為細(xì)、干顆粒設(shè)計(jì)的,但它也可以用于模擬濕顆粒.將兩個(gè)顆粒分開(kāi)所需要的力Fs取決于液體表面張力γs和潤(rùn)濕角θ的大小:

(7)

顆粒間切向力Ft為

(8)

(9)

式中:G*為當(dāng)量剪切模量;G1,G2分別為顆粒1和顆粒2的剪切模量;ν1,ν2分別為顆粒1和顆粒2的泊松比.

1.2 顆粒破碎模型

破碎是指物料在碰撞過(guò)程中粒度減小,要達(dá)到物料破碎的效果,就要對(duì)物料施加足夠大的外力以克服物料內(nèi)部間的內(nèi)聚力,當(dāng)外力達(dá)到一定程度時(shí)物料就會(huì)發(fā)生破碎.國(guó)內(nèi)外研究破碎理論已有一百多年的歷史,其中較好描述顆粒破碎模型的是根據(jù)VOGEL和PEUKERT[4]提出的一種關(guān)于破碎概率及碰撞強(qiáng)度的累積破碎模型,料顆粒破碎率N可以表示為

(10)

式中:b為材料抗沖擊系數(shù);ki為第i顆顆粒的碰撞次數(shù);Ei為第i顆顆粒受到的沖擊碰撞能量;E0為顆粒破碎的臨界沖擊能量.

從式(10)可以看出,當(dāng)顆粒受到的沖擊能量始終小于顆粒破碎的臨界沖擊能量時(shí),顆粒不會(huì)產(chǎn)生破碎.當(dāng)顆粒受到?jīng)_擊能量大于顆粒破碎的臨界沖擊能量時(shí),顆粒的破碎概率將隨顆粒的碰撞次數(shù)和該沖擊能量大小的變化而變化,式中的材料抗沖擊系數(shù)與顆粒材料和大小等參數(shù)相關(guān),每顆顆粒的臨界沖擊能量是由顆粒材料的性質(zhì)決定的.因此顆粒在攪拌筒內(nèi)部碰撞的次數(shù)越多,受到的有效沖擊能量(Ei-E0)越大,顆粒物料破碎的概率就會(huì)更大.在實(shí)際的攪拌作業(yè)過(guò)程中,物料的破碎主要靠物料顆粒的相互撞擊,顆粒與攪拌筒內(nèi)部殼體的撞擊,以及顆粒與攪拌筒內(nèi)部葉片的撞擊而產(chǎn)生,顆粒在旋轉(zhuǎn)攪拌筒和葉片的帶動(dòng)下,連續(xù)不斷地沖擊碰撞,當(dāng)有效沖擊能量足夠大時(shí),顆粒便會(huì)發(fā)生破碎.

(11)

式中:m為顆粒的質(zhì)量;vi為顆粒受到?jīng)_擊后的速度;v0為顆粒破碎的臨界速度,viv0.

由式(9)可知,在臨界速度一定的情況下,旋轉(zhuǎn)攪拌筒要提供一定的轉(zhuǎn)速,才能使顆粒得到足夠大的沖擊速度.

2 參數(shù)設(shè)置

2.1 攪拌筒的相關(guān)參數(shù)

本文考慮到瀝青養(yǎng)護(hù)車設(shè)備復(fù)雜且料倉(cāng)系統(tǒng)中其他裝置占據(jù)了一定的空間,因此攪拌筒的直徑取1 470 mm.為了保證臥式攪拌筒在水平旋轉(zhuǎn)時(shí)具有一定的出料性能,瀝青養(yǎng)護(hù)車攪拌筒前錐筒半錐頂角?？刂圃?0°～50°之間[5].出于進(jìn)出料速率考慮,半錐角取50°.攪拌筒段取2 000 mm,進(jìn)出料錐筒段取330 mm,總長(zhǎng)2 330 mm.筒的轉(zhuǎn)速為5 r·min-1.

2.2 立式刀片相關(guān)參數(shù)

本次設(shè)計(jì)的葉片如圖1所示,出于進(jìn)出料性能和葉片內(nèi)部布置的考慮,葉片的傾斜角設(shè)置為15°,葉片高度300 mm,長(zhǎng)度700 mm.

以3塊葉片為1組,每組立式刀片以120°夾角在圓周方向上等距離均勻分布,在軸向上同樣以45°升角分布,如圖2所示.

圖1 立式葉片

圖2 立式葉片的布置圖

2.3 仿真參數(shù)

攪拌筒殼體和葉片都取鑄鐵材料,密度7 800 kg·m-3,泊松比為0.28,剪切模量70 GPa.選取的瀝青物料為密度2 438 kg·m-3,泊松比為0.2,剪切模量為23 MPa.顆粒直徑為20 mm,顆粒之間的恢復(fù)系數(shù)取0.1,靜摩擦系數(shù)取0.545,滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.01.顆粒與筒體之間的恢復(fù)系數(shù)取0.2,靜摩擦系數(shù)取0.5,滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.01.重力加速度方向取z方向,取-9.81 m·s-2.接觸模型采用Hertz-Mindlin with JKR模型.設(shè)置筒體繞中心軸線性旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為5 r·min-1,加速度為0.

本次模型選取時(shí)步為30%,為了保證在進(jìn)料仿真時(shí)研究正常作業(yè)時(shí)的攪拌性能,仿真總時(shí)間設(shè)為20 s,有充足的時(shí)間余量,而出料仿真時(shí)設(shè)定為15 s.網(wǎng)格尺寸為3倍最小顆粒的3倍.

3 葉片數(shù)量對(duì)攪拌性能的影響

攪拌筒的葉片數(shù)量是影響攪拌特性的一個(gè)重要因素,不同葉片數(shù)量的攪拌筒對(duì)物料顆粒的碰撞特性不同,從而影響瀝青攪拌筒的破碎能力.根據(jù)筒內(nèi)部尺寸的約束,以及各葉片之間的間距,保證其他條件不變的情況下,分別選取9,12,15個(gè)葉片這3種不同的情況來(lái)分析攪拌筒的破碎性能和進(jìn)出料性能.

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3.1 顆粒受力分析

圖3分別表示單個(gè)物料顆粒在3,4,5組葉片攪拌筒中的受力隨時(shí)間變化的曲線圖,在第1s時(shí)刻物料被投入攪拌筒中,受重力加速度影響受力較大,出現(xiàn)尖銳的波峰,這種情況在研究攪拌性能中不考慮.物料顆粒在3種攪拌筒內(nèi)不斷地被推送至攪拌筒底,在5s左右開(kāi)始進(jìn)入正常攪拌作業(yè),顆粒受力出現(xiàn)波動(dòng).顆粒在含3組葉片的攪拌筒中,受力最大時(shí)在16～17 N之間.進(jìn)入13 s時(shí),顆粒受力波動(dòng)開(kāi)始劇烈,受力最大在15 N左右,最小受力在11 N,雖然整體曲線較為平緩但不規(guī)則,說(shuō)明顆粒在含3組葉片的攪拌筒里受力不均勻.含4,5組葉片的攪拌筒都在7s開(kāi)始劇烈波動(dòng),最大受力均在19 N左右,最小受力為12 N.說(shuō)明隨著葉片數(shù)量的增多,物料顆粒受力的變化更加劇烈,但變化更加規(guī)則.含4組葉片的攪拌筒與含5組葉片的攪拌筒在受力整體曲線上大致相同,變化不大.兩者對(duì)比,只含3組葉片的攪拌筒對(duì)顆粒受力的影響十分顯著.

3.2 顆粒破碎性能分析

物料顆粒對(duì)攪拌筒的撞擊情況可作為分析攪拌筒破碎性能的有效參考數(shù)據(jù).從圖4中可以看出,含5組葉片的攪拌筒在相同時(shí)間內(nèi),顆粒與壁面發(fā)生撞擊的次數(shù)最多,其次是含4組葉片的攪拌筒,含3組葉片的攪拌筒內(nèi)部顆粒撞擊最少.但整體來(lái)說(shuō),含4組葉片的攪拌筒與含5組葉片的攪拌筒差異不是很大,3組葉片的攪拌筒與前兩者的差異明顯,且撞擊不規(guī)則.圖5顯示了顆粒的沖擊能量隨時(shí)間變化的情況,隨著葉片數(shù)量增多,顆粒的沖擊能量明顯增大,葉片數(shù)量為9塊時(shí),顆粒沖擊能量最大只能為45J,葉片數(shù)量為15塊時(shí),最大沖擊能可達(dá)55J.因此,無(wú)論從撞擊次數(shù)還是從沖擊能量來(lái)看,在一定條件下,葉片數(shù)量越多,攪拌筒對(duì)顆粒的破碎性能就越好.

圖3 單個(gè)顆粒的受力-時(shí)間圖

3.3 顆粒均勻性分析

圖6顯示了不同體積大小顆粒的速度分布情況,當(dāng)葉片為3組時(shí),可以看到數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為集中,呈扁平狀,體積在3.2×10-5m3的顆粒其速度分布范圍更大,說(shuō)明顆粒體積在3.2×10-5m3時(shí)更容易達(dá)到最大速度,其余顆粒獲得的速度較小.當(dāng)葉片為5組時(shí),較大的顆粒體積為4.7×10-5m3,較小的顆粒體積為2.2×10-5m3,以及中等大小的顆粒體積為3.2×10-5m3,它們的速度范圍都比較一致.說(shuō)明了物料顆粒在葉片數(shù)量較小時(shí)更容易出現(xiàn)攪拌不均勻的現(xiàn)象,使得太大或太小的顆粒與中等大小顆粒出現(xiàn)離析的現(xiàn)象.葉片數(shù)量在12塊或更多時(shí),攪拌筒的混合均勻性能才能得到保障.

圖4 顆粒與攪拌筒內(nèi)壁撞擊次數(shù)-時(shí)間圖

3.4 顆粒進(jìn)出料性能分析

在出料時(shí)顆粒隨時(shí)間不斷減少,進(jìn)而能反映攪拌筒的出料性能.如圖7所示,相同時(shí)間內(nèi),隨著攪拌筒葉片的增多,出料的顆粒數(shù)量明顯增大.含4組和5組葉片的攪拌筒在第7 s開(kāi)始送出物料,而受3組葉片攪拌的顆粒在第11 s才開(kāi)始出料,出料速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及葉片較多的攪拌筒.

圖5 顆粒沖擊能量-時(shí)間圖

由以上分析可知,葉片數(shù)量多少直接影響了攪拌筒的性能.在一定條件下葉片數(shù)量越多,對(duì)顆粒的撞擊次數(shù)越多,沖擊能量更大,因此其破碎性能越好.并且葉片數(shù)量越多攪拌混合越均勻,進(jìn)出料性能越優(yōu)越,顆粒運(yùn)動(dòng)越有規(guī)則.

4 葉片傾斜角對(duì)攪拌性能的影響

圖6 顆粒體積-速度散點(diǎn)圖

圖7 顆粒數(shù)量-時(shí)間圖

4.1 顆粒受力分析

為了更細(xì)致地觀察顆粒受傾角的變化對(duì)攪拌性能的差異,將考察時(shí)間范圍縮小到2 s開(kāi)始,以去除顆粒受重力拋下的影響.圖8顯示了傾角10 °,15 °,20 °的葉片作用下,顆粒的總受力隨時(shí)間的變化情況.可以看出隨著角度的增大,顆粒受的力波動(dòng)范圍減小:在傾角為10 °時(shí),顆?？偟氖芰ψ畲蠓植荚?60 N,最小分布在115 N;傾角為15 °時(shí),總受力最大分布在500 N,最小分布在110 N;傾角為20 °時(shí),總受力最大分布在480 N,最小分布在110 N.因此角度的增大使得顆粒在攪拌筒內(nèi)受力減少,受力變化波動(dòng)平緩.

圖8 顆?？偸芰?時(shí)間圖

4.2 破碎性能分析

由圖9可以看出,不同的葉片傾斜角顆粒撞擊次數(shù)大致相同,因此,葉片傾斜角小,產(chǎn)生的破碎性能更好.圖10顯示了顆粒在不同傾斜角度葉片作用下所受的沖擊能量變化情況.可以看到,顆粒在傾斜角10°的葉片作用下沖擊能量能達(dá)到最大65 J,而在傾斜角15°時(shí),顆粒的沖擊能量最大達(dá)到58.6 J,當(dāng)葉片傾斜角為20°時(shí),顆粒能達(dá)到的最大沖擊能量為53 J,且整個(gè)曲線分布隨著角度的增大在y軸上逐漸降低,說(shuō)明顆粒的沖擊能量會(huì)隨著攪拌筒葉片的傾斜角增大而減小.

圖9 顆粒與攪拌筒內(nèi)壁撞擊次數(shù)-時(shí)間圖

4.3 顆粒均勻性分析

圖11顯示了不同體積大小的顆粒在攪拌筒內(nèi)速度散點(diǎn)圖.可以看出隨著傾斜角度增加,數(shù)據(jù)點(diǎn)越來(lái)越不集中,散開(kāi)程度越來(lái)越明顯.傾斜角為10 °的攪拌筒更偏重使得體積在3.4×10-5m3左右的顆粒獲得較大的速度,而其他體積的顆粒速度較小,說(shuō)明攪拌筒對(duì)不同大小的顆粒施力不均勻,易出現(xiàn)偏析的現(xiàn)象.而傾斜角度在20 °時(shí),數(shù)據(jù)點(diǎn)更加散開(kāi)分布較為均勻,說(shuō)明攪拌筒葉片具有較大的傾斜角,其內(nèi)部不同大小的顆粒速度都十分均勻,攪拌較為均勻充分.

圖10 顆粒沖擊能量-時(shí)間圖

圖11 顆粒體積-速度散點(diǎn)圖

4.4 進(jìn)出料性能分析

結(jié)合出料顆粒數(shù)量圖12可以看出,雖然3種攪拌筒出料時(shí)間相同,但隨著傾斜角度的增變大,顆粒出料速度增大,出料顆粒數(shù)量增多,傾斜角為20°時(shí)顆粒的出料速度最快,出料顆粒數(shù)量最多.

綜上所述,攪拌筒葉片傾斜角對(duì)攪拌性能的影響十分顯著.傾斜角較小時(shí),攪拌筒的破碎性能很好,對(duì)于瀝青物料的破碎攪拌很有幫助;傾斜角較大時(shí),該攪拌筒的進(jìn)出料性能會(huì)得到很大的提升,并且其內(nèi)部的物料顆粒攪拌較均勻,不易出現(xiàn)離析的現(xiàn)象.

圖12 顆粒數(shù)量-時(shí)間圖

5 結(jié)論

(1) 攪拌筒內(nèi)安裝的葉片數(shù)量對(duì)物料的破碎性、均勻性和進(jìn)出料性有著明顯的影響.在一定條件下葉片數(shù)量越多對(duì)物料的破碎越好.在實(shí)際攪拌筒的設(shè)計(jì)和制造中,立式葉片應(yīng)選取至少4組(12塊)葉片.

(2) 本文對(duì)傾斜角為10°到20°的立式葉片作了仿真分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾斜角角度較小時(shí),攪拌筒表現(xiàn)出優(yōu)良的破碎性能;當(dāng)傾斜角較大時(shí),表現(xiàn)出優(yōu)良的混合均勻性能和進(jìn)出料性能.可以根據(jù)實(shí)際需求選取適當(dāng)?shù)娜~片傾斜角.

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Optimumdesign for the vertical blades of the mixing drum of the asphalt maintenance truck base on discrete element method

The mixing performance of the mixing drum of the asphalt maintenance vehicle has a direct influence on its working efficiency,and the blades have a vital role in the mixing performance.Compared with the conventional spiral blade,the structure of the vertical blades are simple and easy to assemble,and has good mixing performance and good crushing performance.Therefore,this paper mainly studies the mixing performance of the vertical blades.Numerical simulation on the influence of the number of vertical blades and tilt angle in the mixing drum on the mechanical properties such as the strength,the crushing and the homogeneity of the asphalt particles was made by discrete element simulation software,which can provide a reference for optimum design for the vertical blades of the asphalt maintenance truck.

vertical blades of the mixing drum; asphalt grain; discreet element method

朱福民(1962-),男,博士,教授.E-mail:hnfumin@sina.com

U 415.51

A

1672-5581(2016)01-0054-08