離散元法在卷煙包裝機(jī)組煙庫仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

湯達(dá)偉，方 鑫，楊 格，鄧義求

1. 中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000 號(hào)10 號(hào)樓 201206

2. 北京合工仿真技術(shù)有限公司，北京市海淀區(qū)黑泉路8 號(hào)寶盛廣場(chǎng)D 座9015 室 100192

卷煙包裝機(jī)組煙庫主要由貯煙通道、分流裝置、煙支攪動(dòng)輥和下煙槽等組成，其作用是接收和儲(chǔ)存來自卷接機(jī)組的煙支，通過分流裝置使煙支進(jìn)入下煙槽，進(jìn)而被推入模盒。煙庫中的煙支在流動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)變形、堵塞等情況，造成停機(jī)，影響作業(yè)效率。針對(duì)此問題，陳曦等［1］通過改變攪動(dòng)輥?zhàn)饔脜^(qū)域，使煙支穩(wěn)定快速落入料斗；郭建娟等［2］改進(jìn)煙庫下煙通道內(nèi)分煙隔板和導(dǎo)煙板結(jié)構(gòu)，提高了煙支下落速度；蘇琦等［3］設(shè)計(jì)煙庫下煙吹風(fēng)裝置，提高了煙支下落順暢度。上述改進(jìn)雖取得一定效果，但未找到煙支變形堵塞的原因，不能從根本上解決問題，且上述改進(jìn)均基于實(shí)際生產(chǎn)線進(jìn)行，開發(fā)成本較高。利用軟件仿真模擬研究流動(dòng)煙支的變形問題具有實(shí)際意義。

離散元法（Discrete Element Method，DEM）是1971 年由Dr. Cundall 提出的一種處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法［4-5］，EDEM 軟件是基于離散元法設(shè)計(jì)的用來模擬和分析顆粒處理和生產(chǎn)操作的通用CAE 軟件［6］，在礦山機(jī)械［7］、農(nóng)業(yè)機(jī)械［8］、鋼鐵冶金［9］、特種車輛［10］等領(lǐng)域的仿真模擬研究中已有廣泛應(yīng)用。煙庫結(jié)構(gòu)中的煙支呈離散和獨(dú)立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，煙支之間存在接觸、擠壓等作用［11］，因此煙庫中煙支的流動(dòng)規(guī)律適用于用離散元法來解決，然而此類研究鮮見報(bào)道。

為此，以ZB28（X6S）高速包裝機(jī)組煙庫為研究對(duì)象，采用EDEM 仿真軟件分析了煙支的流動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律，以期為優(yōu)化煙庫設(shè)計(jì)、提高設(shè)備效率提供參考。

1 材料、設(shè)備與方法

1.1 材料與設(shè)備

材料：市購“紅雙喜”牌卷煙。

設(shè)備：ZB28（X6S）包裝機(jī)組，額定包裝速度為600 包/min（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；仿真軟件EDEM2019.1（英國DEM-Solutions 公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙庫結(jié)構(gòu)模型的建立

利用三維工程繪圖軟件CREO 2.0 建模生成ZB28 煙庫初始模型。為降低計(jì)算量，對(duì)初始模型進(jìn)行簡(jiǎn)化［12］，刪去煙庫內(nèi)所有螺栓、墊圈等零部件，保留推煙板、上下輸送帶、固定分流塊等關(guān)鍵作業(yè)部件。簡(jiǎn)化前后模型見圖1。將簡(jiǎn)化后的模型保存為中間格式并導(dǎo)入EDEM。

圖1 ZB28 包裝機(jī)組煙庫結(jié)構(gòu)三維模型Fig.1 3D Model of structure of hopper in ZB28 cigarette packer

表1 煙支物理特性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of cigarette

1.2.2 煙支物理特性參數(shù)的標(biāo)定

在仿真模擬前參照文獻(xiàn)［13］對(duì)煙支的物理特性參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，包括煙支的外形尺寸、碰撞恢復(fù)系數(shù)、滾動(dòng)摩擦及靜摩擦系數(shù)、剪切模量、泊松比等，具體的參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)另文發(fā)表。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果及虛擬預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定輸入EDEM 的煙支物理特性參數(shù)見表1。

1.2.3 運(yùn)動(dòng)部件參數(shù)設(shè)置

分別設(shè)置ZB28 包裝機(jī)組的包裝速度為260、400、600 和800 包/min，獲得各運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，見表2。將上述參數(shù)輸入仿真軟件。

1.2.4 煙支預(yù)堆積

實(shí)際生產(chǎn)中煙庫運(yùn)行的初始條件是煙支充滿煙庫，因此在仿真前需要用煙支預(yù)堆積和填充煙庫。在EDEM 中按照表1 的參數(shù)生成煙支并填充整個(gè)煙庫內(nèi)腔體，通過軟件計(jì)數(shù)功能得到預(yù)堆積煙支數(shù)量為3 706 支。

表2 不同包裝速度下ZB28 煙庫各運(yùn)動(dòng)部件的作業(yè)參數(shù)Tab.2 Operating parameters of moving parts of ZB28 hopper at different packaging speeds

2 仿真結(jié)果

2.1 煙支運(yùn)動(dòng)速度模擬

煙庫中攪動(dòng)輥及活動(dòng)導(dǎo)煙塊做周期性運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煙庫內(nèi)煙支流動(dòng)速度呈現(xiàn)周期性變化。以600 包/min 運(yùn)行工況為例，推煙板一次作業(yè)時(shí)間為0.1 s，提取推煙板作業(yè)周期內(nèi)煙支速度變化數(shù)據(jù)，見圖2?？梢?，在上一推程結(jié)束時(shí)，推煙板處于初始位置，下煙通道底部煙支已被推出，下煙通道內(nèi)其余煙支受重力及煙支間壓力作用向下運(yùn)動(dòng)，因此下煙通道中煙支速度較高，可見紅色部分較多（圖2a）；當(dāng)推煙板推出煙支時(shí)，下煙通道最底層煙支以較大速度被推出，見紅色部分，而煙庫其他部分煙支則處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，大部分顯示為藍(lán)色（圖2b）；推煙板回程時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)被打破，固定分流塊頂部的煙支受到輸送帶上煙支推擠和重力作用下落速度加快，下煙通道內(nèi)中下部區(qū)域煙支為補(bǔ)充被推出煙支的空缺下落速度也開始增加，圖中顯示為綠色部分（圖2c）；當(dāng)推煙板回程結(jié)束時(shí)，下煙通道內(nèi)中上區(qū)域煙支受重力和上層煙支壓力作用繼續(xù)下落，相對(duì)速度較快，此處煙支標(biāo)記為綠色（圖2d）。四個(gè)過程周而復(fù)始，造成煙支速度的周期性變化。

圖2 包裝速度600 包/min 時(shí)煙支運(yùn)動(dòng)速度周期變化Fig.2 Periodic variation of cigarette movement speed at packaging speed of 600 packet/min

2.2 煙支受力情況模擬

以600 包/min 工況為例，提取煙支受力情況數(shù)據(jù)，見圖3。可見，煙支受力較大的位置主要集中分布在煙庫上方入口處、弧形板處及攪動(dòng)輥區(qū)域，即圖3 中的紅色區(qū)域。分布情況符合煙庫作業(yè)邏輯，由輸送帶送來的煙支在弧形板處受到弧形板及其他煙支的作用力改變運(yùn)動(dòng)方向，此時(shí)煙支受力較大；由于攪動(dòng)輥運(yùn)動(dòng)頻率較高［14］，攪動(dòng)輥區(qū)域的煙支接觸、碰撞頻繁，因此此處的煙支受力明顯較大。

推煙板作業(yè)量不同也會(huì)使煙庫內(nèi)煙支受力有所差異。利用EDEM 后處理Selection 功能［15］分別提取400、600 和800 包/min 工況下攪動(dòng)輥區(qū)域煙支受力數(shù)據(jù)，見圖4?？梢?，400 包/min 模擬工況下煙支受力波動(dòng)范圍內(nèi)數(shù)值最小，其次為600 包/min模擬工況下，800 包/min 模擬工況下煙支受力波動(dòng)范圍內(nèi)數(shù)值最大，變化情況符合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)提取數(shù)據(jù)計(jì)算煙支受力平均值，分別為0.012 9、0.016 6 和0.019 8 N。

圖3 包裝速度600 包/min 下煙支受力分布Fig.3 Distribution of forceacting on cigarettes at packaging speed of 600 pack/min

圖4 不同包裝速度下攪動(dòng)輥區(qū)域煙支受力情況Fig.4 Distribution of force acting on cigarettes in stirring roller area at different packaging speeds

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的有效性，赴上海卷煙廠拍攝了以260 包/min 速度運(yùn)行的GD X6 包裝機(jī)組（煙庫結(jié)構(gòu)與ZB28 包裝機(jī)組一致）運(yùn)行情況，與同樣速度下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 煙庫內(nèi)煙支的整體分布情況Fig.5 Overall distribution of cigarettes in hopper

由圖5 可見，煙庫內(nèi)煙支并非完全緊密排列，煙支間存在一定空隙，在煙庫內(nèi)形成“氣孔”。仿真結(jié)果與上機(jī)運(yùn)行結(jié)果相吻合。

由圖6 可見，正常運(yùn)行情況下煙支不會(huì)發(fā)生斷流，始終較為均勻地堆積在攪動(dòng)輥下端水平處，仿真結(jié)果與上機(jī)運(yùn)行結(jié)果相吻合。

由圖7 可見，固定分流塊下方并非處于填充堆滿狀態(tài)，而總是存在較大的空隙，仿真結(jié)果與上機(jī)運(yùn)行結(jié)果相吻合。

由圖8 可見，當(dāng)煙支流動(dòng)時(shí)，在弧形板頂端有部分煙支無法被挾帶流動(dòng)，在此處停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致輸送帶傳送的煙支與這些惰性煙支形成切線流動(dòng)（圖8a）；仿真結(jié)果（圖8b）顯示弧形板頂端部分煙支速度較小，表明此處煙支為惰性煙支。仿真結(jié)果也與上機(jī)運(yùn)行結(jié)果相吻合。

圖6 下煙通道煙支分布Fig.6 Cigarette distribution in the discharge channels

圖7 固定分流塊下方煙支分布Fig.7 Cigarette distribution under the fixed deflector

圖8 弧形板處煙支流動(dòng)死角Fig.8 Cigarette distribution in the dead corner of arc plate

4 結(jié)論

基于離散元仿真軟件EDEM 建立了ZB28 高速包裝機(jī)組煙庫中煙支流動(dòng)仿真模型，該模型可模擬不同包裝速度下煙支的流動(dòng)速度及受力情況。以ZB28（X6S）高速包裝機(jī)組煙庫為對(duì)象進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：在260 包/min 運(yùn)行速度下，煙庫內(nèi)煙支整體分布、下煙通道煙支分布、固定分流塊下方煙支分布和弧形板處煙支流動(dòng)死角的仿真結(jié)果與上機(jī)運(yùn)行結(jié)果具有一致性，說明EDEM 仿真軟件適用于分析煙庫中煙支的流動(dòng)規(guī)律，可為煙庫設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。受限于研究條件，本研究中僅對(duì)仿真工況和實(shí)際工況進(jìn)行直觀對(duì)比，相關(guān)指標(biāo)的數(shù)字化比較還有待進(jìn)一步深入研究。