基于EDEM的垂直螺旋輸送機(jī)葉片磨損仿真分析

楊樂成，張成洋，趙春江

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024. 2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

螺旋輸送機(jī)是建筑材料、機(jī)械制造、化工運(yùn)輸、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中運(yùn)用較為廣泛的一種連續(xù)輸送機(jī)械。螺旋葉片是螺旋輸送機(jī)的重要的部件，其耐磨損性直接影響螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行效率，減少輸送機(jī)的使用壽命。在輸送機(jī)螺旋葉片的磨損研究中，商興國等[1]以LS250×6×60-M1型螺旋輸送機(jī)為研究對象，實(shí)際測量了螺旋葉片在實(shí)際工況中的磨損情況。楊志勇等[2]對螺旋葉片部件進(jìn)行了磨損分析，針對不同的磨損部件，提出了相應(yīng)的解決對策。韓彥良[3]等把TRIZ理論應(yīng)用在螺旋輸送機(jī)的磨損的問題中，解決了細(xì)小物料顆粒造成的軸承座與滾動軸承的磨損問題。郭二軍等[4]對雙螺旋輥式磨漿機(jī)的螺旋套做了微觀的磨損機(jī)理分析，得出了高應(yīng)力是其發(fā)生磨損的主要原因。卜壯志[5]對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的筒壁磨穿和葉片的磨損斷裂等故障問題進(jìn)行了分類總結(jié)。申正精[6]對螺旋離心泵做了固液兩相的分析研究，使用顆粒軌道模型模擬對螺旋離心泵的磨損。上述關(guān)于葉片磨損的研究文獻(xiàn)中，大多數(shù)是以實(shí)驗(yàn)或者數(shù)學(xué)模型來對磨損進(jìn)行分析研究。EDEM軟件不僅可以解決散狀物料在數(shù)值模擬中的問題，還可以和其它有限元軟件交互使用[7]。陳祖向、王學(xué)文等[8]人用EDEM分析了刮板輸送機(jī)中部槽的磨損分布規(guī)律，為以后的刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。張延強(qiáng)[9]以WK-75型礦用挖掘機(jī)的斗齒作為研究對象，用EDEM分析了斗齒的最易磨損部位和磨損規(guī)律。孫曉霞、孟文俊[10]結(jié)合理論分析與EDEM+FLUENT仿真分析,研究了垂直螺旋輸送機(jī)中穩(wěn)定螺旋渦參數(shù)，提高了輸送量。

1 EDEM模擬磨損分析

EDEM軟件將所分析的散體物料看做離散顆粒的幾何體，在這個(gè)幾何體中，每一個(gè)顆粒都作為獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行建模和分析。主要運(yùn)用磨損分析模型對螺旋輸送機(jī)輸送物料過程中的葉片進(jìn)行磨損仿真分析，Relative Wear模型和Hertz-Mindlin with Archard Wear模型是EDEM內(nèi)置的兩個(gè)磨損接觸模型。

1.1 Relative Wear接觸模型

散料對設(shè)備的沖擊磨損和磨粒磨損往往是設(shè)備磨損的主要形式，Relative Wear就是主要對這兩種磨損形式進(jìn)行識別的磨損接觸模型，它可以顯示出設(shè)備最易發(fā)生磨損的部位。切向累積接觸能量、法向累積接觸能量、法向累積接觸力、切向累積接觸力是Relative Wear接觸模型的四個(gè)衡量指標(biāo)。

法向累積接觸能量為：En=∑|Fnvnδt|.

式中，vn——法向相對速度，m/s；δ——時(shí)間步長；Fn——法向力，N.

切向累積接觸能量為：Et=∑|Ftvtδt|.

式中，vt——法向相對速度，m/s；Fn——切向力，N.

法向累積接觸力Fnc=∑|Fn|.

切向累積接觸力Ftc=∑|Ft|.

1.2 Hertz-Mindlin with Archarear模型

Hertz-Mindlin with Archarear模型是EDEM中標(biāo)準(zhǔn)Hertz-Mindlin(No slip)模型的擴(kuò)展，其基于J.F.Archard磨損理論[9]。它可以對設(shè)備磨損的區(qū)域給出近似的幾何體表面磨損深度值。

由Archard等式可知，去除材料的體積為

Q=WFndt

式中，dt——切向移動距離，m;K——無量綱常數(shù)；H——材料表面硬度，HB.

2 磨損仿真模型的建立

2.1 三維實(shí)體模型建立

本文的研究對象是垂直螺旋輸送機(jī)，由于實(shí)際的螺旋輸送機(jī)的構(gòu)件較多，為了便于進(jìn)行模擬仿真，將垂直螺旋輸送機(jī)的三維模型做了簡化處理，圖1為用soildworks三維軟件建立的垂直螺旋輸送機(jī)三維模型。

垂直螺旋輸送機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 垂直螺旋輸送機(jī)模型參數(shù)
Tab.1 Model parameters of vertical screw conveyor

軸徑螺距螺旋厚度螺旋高度圓筒內(nèi)徑406041600100

在soildworks中完成垂直螺旋輸送機(jī)的三維模型后，保存IGS格式文件，然后導(dǎo)入離散元軟件EDEM中。由于EDEM軟件中的網(wǎng)格劃分相對比較粗糙，因此，為了更好的模擬螺旋葉片表面的磨損分布，需要對螺旋葉片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。本文采Hypermesh軟件對螺旋葉片部分的網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，網(wǎng)格大小為2mm.細(xì)化后的葉片網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 垂直螺旋輸送機(jī)三維模型
Fig.1 Three-dimensional model of vertical screw conveyor

圖2 螺旋葉片有限元網(wǎng)格模型
Fig.2 Finite Element Mesh Model of Helical Blade

2.2 顆粒模型

本文設(shè)定了兩種顆粒，一種為EDEM中默認(rèn)的圓球顆粒，另一種為形狀不規(guī)則的非球形顆粒。如圖3所示。兩種顆粒的泊松比、剪切模量和密度等物理屬性相同。

圖3 不同形狀顆粒模型
Fig.3 Particle models with different shapes

2.3 邊界條件設(shè)置

本文選取球接觸模型，顆粒和螺旋葉片之間選取Relative wear和Hertz-Min dlin with Archard Wear模型。垂直螺旋輸送機(jī)的進(jìn)料口設(shè)定為仿真的虛擬顆粒工廠，顆粒創(chuàng)建速率設(shè)為1500顆粒/s.綜合考慮仿真速度和計(jì)算精度后，時(shí)間步長為瑞利時(shí)間步長的23%，總的仿真時(shí)間為7.5 s，網(wǎng)格大小為2.5 Rmin.

3 仿真結(jié)果與分析

當(dāng)垂直螺旋輸送機(jī)完成給定時(shí)間的仿真模擬過程后，以螺旋葉片第二節(jié)螺旋葉片為研究對象，對葉片進(jìn)行磨損分析研究，如圖4.

圖4 累積接觸能量云圖
Fig.4 Cumulative contact energy nephogram

法向累積接觸能量和切向累積接觸能量可以顯示螺旋葉片磨損的分布。由圖4可知，越靠近螺旋葉片外側(cè)，法相累積接觸能量和切向累積接觸能量越高，螺旋葉片的磨損程度就越嚴(yán)重，這說明了螺旋葉片外側(cè)是最易磨損的部位。這與實(shí)際葉片的磨損分布規(guī)律情況相吻合。

圖5 葉片磨損深度云圖
Fig.5 Blade wear depth nephogram

圖5為螺旋葉片磨損深度云圖，由圖可知，越靠近螺旋葉片的外側(cè)，葉片的磨損深度值越大。這與圖5所示的磨損規(guī)律分布有著高度的一致性，進(jìn)一步說明了Relative Wear模型來標(biāo)示螺旋葉片磨損發(fā)生的主要部位的正確性。

為了更深入的研究螺旋葉片在物料輸送的過程的磨損情況，在螺旋葉片上等距的選取5個(gè)區(qū)域作為磨損值的樣本采集區(qū)域，并從外到內(nèi)依次標(biāo)號為5、4、3、2、1，如圖6所示。對每個(gè)獨(dú)立的樣本區(qū)域提取平均磨損深度值，作圖7.

圖6 葉片樣本區(qū)域分布圖
Fig.6 Regional distribution map of blade samples

圖7 不同區(qū)域葉片平均磨損深度曲線圖
Fig.7 Average wear depth curve of blades in different regions

由圖7可知，螺旋葉片的平均磨損深度是隨著時(shí)間的增加而逐漸增大的。當(dāng)時(shí)間為1 s～3 s時(shí)，葉片的磨損值為0.因?yàn)檫x取的葉片磨損區(qū)域并不在葉片底部，物料到達(dá)磨損區(qū)域有時(shí)間差，因此這段時(shí)間葉片沒有和顆粒發(fā)生接觸，不存在磨損。3 s后，螺旋葉片開始出現(xiàn)磨損且磨損量不斷增加。由上圖可知，區(qū)域5的磨損值在7 s時(shí)為6×10-8mm，區(qū)域1的磨損值約為1×10-8mm，當(dāng)t=8 s時(shí)，區(qū)域5的平均磨損深度值約為區(qū)域1內(nèi)磨損值的6倍，且區(qū)域2、3、4內(nèi)的磨損值低于2×10-8mm，這表明葉片的磨損主要集中在葉片外側(cè)，葉片內(nèi)側(cè)的磨損相對較少。另外，由圖7可以看出葉片外側(cè)的磨損速率也是高于其內(nèi)側(cè)磨損速率的。

為了探究螺旋葉片的磨損機(jī)理，本文選取區(qū)域5做接觸力曲線圖，如圖8所示。

圖8 區(qū)域5接觸力曲線
Fig.8 Area 5 contact force curve

由圖8可知，螺旋葉片上的法向累計(jì)接觸力和切向累積接觸力是隨著時(shí)間的增加而逐漸增大的。螺旋輸送機(jī)葉片磨損的存在有別于普通接觸磨損，即螺旋輸送機(jī)的葉片磨損主要分布在葉片邊緣，離螺旋葉片的內(nèi)緣越遠(yuǎn)，其磨損程度越嚴(yán)重。如圖8所示，螺旋葉片的切向累積接觸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于法向累積接觸力，這說明物料在垂直螺旋輸送機(jī)對螺旋葉片的滑移摩擦力更大。

4 結(jié) 論

本文基于離散單元法，通過EDEM離散元軟件模擬了垂直螺旋輸送機(jī)輸送物料的過程，分析了物料顆粒在垂直螺旋輸送機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)；然后通過對螺旋葉片的磨損仿真分析，對比葉片不用區(qū)域的平均磨損值，探究了螺旋葉片的磨損分布情況和規(guī)律，證明了螺旋葉片的外緣部分是磨損最嚴(yán)重的部位，這與螺旋葉片實(shí)際磨損的情況相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了垂直螺旋輸送機(jī)模型的正確性。