管鏈輸送機(jī)刮板磨損分析與設(shè)計(jì)

王明旭，龍 鋆，張洪源

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

在糧食輸送和包裝裝備中，管鏈輸送機(jī)是一種新型高效連續(xù)輸送設(shè)備，相比于螺旋輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、氣力輸送機(jī)等傳統(tǒng)連續(xù)性輸送裝備，其具有密封輸送，輸送距離長，輸送效率高，且可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時進(jìn)料、卸料，空間輸送等優(yōu)勢[1-2]。管鏈輸送機(jī)內(nèi)部的圓盤狀刮板與物料直接發(fā)生相對運(yùn)動，是管鏈輸送機(jī)最易損壞的部件之一。刮板由于磨損而變形、碎裂，破碎的刮板在管道中將導(dǎo)致后續(xù)的刮板卡死，引發(fā)物料堆積，產(chǎn)生惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響物料的運(yùn)輸效率。

近年來，隨著管鏈輸送機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，其被廣泛重視。吳禮三[3]對管鏈輸送機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在的制造、安裝及運(yùn)行問題作出具體的分析，并提出相應(yīng)的解決方案；陳洋[4]運(yùn)用EDEM對螺旋滾筒截割煤巖過程中的螺旋滾筒葉片進(jìn)行磨損仿真，總結(jié)葉片的磨損規(guī)律，綜合分析多種因素對葉片磨損的影響；薛秀麗[5]總結(jié)刮板輸送機(jī)在煤料輸送過程中刮板磨損的原因，并對刮板結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)。然而，對于管鏈輸送機(jī)刮板磨損尤其是在輸送糧食物料工況下的磨損分析目前報(bào)道較少。

由于管鏈輸送機(jī)不同的輸送路徑對刮板磨損有不同的影響[6]，而管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段是其完成多點(diǎn)進(jìn)料、卸料的關(guān)鍵階段，是管鏈輸送機(jī)最為普遍的一種布置路徑，具有典型性與代表性。另外，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，水平輸送狀態(tài)下刮板的磨損尤為突出。因此運(yùn)用EDEM針對管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段的刮板磨損展開分析，標(biāo)記磨損最嚴(yán)重的區(qū)域，總結(jié)磨損規(guī)律，分析磨損機(jī)理，并對管鏈輸送機(jī)的刮板設(shè)計(jì)優(yōu)化提出新的方案。以期對管鏈輸送機(jī)在糧食輸送包裝領(lǐng)域提供技術(shù)和理論支撐。

1 磨損接觸模型選擇

Relative Wear和 Archard Wear是離 散元 磨損分析運(yùn)用最為廣泛的磨損接觸模型，兩者均以Hertz-Mindlin接觸模型為基礎(chǔ)，能夠較為準(zhǔn)確地反映運(yùn)動構(gòu)件的磨損情況。

1.1 Relative Wear磨損接觸模型

Relative Wear磨損接觸模型是EDEM內(nèi)置的一種接觸模型，模型能直觀地通過法向累積接觸力、切向累積接觸力、法向累積接觸能量、切向累積接觸能量，標(biāo)示出物料對幾何體設(shè)備的切向磨料磨損和法向沖擊的分布情況。

法向累積接觸力：

切向累積接觸力：

法向累積接觸能量：

切向累積接觸能量：

式中 Fn——物料與幾何體接觸的法向力，N；

Ft——物料與幾何體接觸的切向力，N；

vn——物料與幾何體的法向相對速度，m/s；

vt——物料與幾何體的切向相對速度，m/s；

δn，δt——EDEM 仿真時間步長。

1.2 Archard Wear磨損接觸模型

Archard Wear磨損接觸模型基于Archard的黏著磨損理論建立[7]。Archard磨損理論模型如圖1所示。

圖1 Archard磨損理論模型Fig.1 Archard wear theory model

2個粗糙的表面接觸后由于法向集中應(yīng)力作用，發(fā)生黏著效應(yīng)，在接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性變形。設(shè)1對真實(shí)接觸的微凸體為1對半徑相同的半球形，且上接觸面硬度較低，則：

式中 δA —— 摩擦副發(fā)生塑性變形后黏著點(diǎn)微元的接觸面積，mm2；

a ——接觸面積的半徑，mm；

δN ——黏著點(diǎn)所受的法向載荷，N；

H ——上接觸面硬度，HB。

摩擦副滑動摩擦持續(xù)的行程δL與接觸面積半徑a成正比，取滑動行程的最大值，即：

設(shè)每次滑動產(chǎn)生一個體積為δ V的半球形磨屑微元，則：

根據(jù)上式可得黏著點(diǎn)單位摩擦距離的體積磨損量：

摩擦副接觸平面的單位摩擦距離的體積磨損量：

式（9）中引入比例常數(shù)K0。為進(jìn)一步簡化方程，取 K=1/3K0，K 為材料磨損系數(shù)，M·Pa-1。因此可得：

由式（11）可知，材料磨損系數(shù)K是Archard模型中補(bǔ)償理論與實(shí)際磨損差異的關(guān)鍵，磨損量和摩擦行程成正比，與法向載荷成正比，與較軟材料的表面硬度成反比。

2 仿真模型建立

2.1 管鏈輸送機(jī)三維模型建立

根據(jù)輸送物料為大豆，運(yùn)輸量為40 t/h，設(shè)計(jì)管鏈輸送機(jī)主要尺寸：圓管料槽 219 mm×6 mm、刮板直徑 d 為 200 mm、刮板厚度δ為 10 mm、刮板節(jié)距為 184 mm[8-10]，正確安裝后刮板與料槽間隙為3.5 mm，小于大豆平均直徑。為獲得準(zhǔn)確仿真結(jié)果并減少計(jì)算量，對刮板鏈條結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，并截取管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸路徑上的一處入料段進(jìn)行后續(xù)分析。管鏈輸送機(jī)的簡化模型如圖2所示。

圖2 管鏈輸送機(jī)簡化模型Fig.2 Simplified model of pipe chain conveyor

在保證計(jì)算精度的前提下，為減少EDEM仿真運(yùn)算量，節(jié)省仿真時間，在導(dǎo)入管鏈輸送機(jī)三維模型時，對磨損分析對象（刮板）設(shè)置網(wǎng)格大小為1 mm，其他結(jié)構(gòu)采用默認(rèn)網(wǎng)格設(shè)置。

2.2 大豆顆粒模型建立

大豆籽四球組合模型是目前大豆EDEM仿真中廣泛運(yùn)用的一種模型，該模型與大豆真實(shí)顆粒形狀接近且可節(jié)約仿真計(jì)算時間。創(chuàng)建大豆顆粒參數(shù)如表1所示。顆粒尺寸服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為0.091。

表1 大豆顆粒建模參數(shù)Tab.1 Modeling parameters of soybean particles

3 數(shù)值仿真分析

3.1 材料本征參數(shù)設(shè)置

管鏈輸送機(jī)料槽及鏈條材料為304不銹鋼，刮板材料為聚氨酯。通過查閱相關(guān)手冊及文獻(xiàn)[11-12]，結(jié)合軟件內(nèi)置GEMM數(shù)據(jù)庫，最終確定大豆、304不銹鋼、聚氨酯的材料屬性如表2所示，接觸屬性如表3所示。

表2 材料屬性Tab.2 Material attributes

表3 接觸屬性Tab.3 Contact attributes

3.2 輸送速度及顆粒工廠設(shè)置

已知大豆運(yùn)輸量Q為40 t/h、刮板直徑d為200 mm、刮板節(jié)距 184 mm，選用大豆容重γ為0.7 t/m3[13]，輸送效率ηF為 0.8，容積效率ηV為 0.7，刮板截面積S可求。則管鏈輸送機(jī)的輸送速率：

求得刮板鏈條輸送速度v=0.89 m/s。

依據(jù)大豆本征參數(shù)及產(chǎn)量，在入料口處創(chuàng)建顆粒工廠，設(shè)置顆粒工廠中大豆顆?？倲?shù)為150 000 個，生產(chǎn)速度為 65 000 個 /s。為防止仿真滯留在顆粒生成過程，無法進(jìn)入運(yùn)動仿真，設(shè)定放置顆粒的最大嘗試次數(shù)為20次。

3.3 結(jié)果與分析

由于大豆從入料口輸入，到達(dá)料槽需要一定時間，在鏈條刮板啟動后，第1，2節(jié)刮板所輸送的大豆顆粒數(shù)量不具有代表性，所以選取單節(jié)距容積效率達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的第3節(jié)刮板作為研究對象，進(jìn)行磨損分析。

為排除其他幾何體對刮板磨損分析的干涉影響，運(yùn)用EDEM后處理中的Clipping功能創(chuàng)建并設(shè)置長度與刮板厚度相同的Slices，之后再對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

Relative Wear云圖如圖3、圖4所示。

圖3 刮板法向累積接觸能量Fig.3 Scraper normal cumulative contact energy

圖4 刮板切向累積接觸能量Fig.4 Scraper tangential cumulative contact energy

通過目標(biāo)刮板上的法向及切向累積接觸能量能直觀地觀察到刮板的磨損分布情況。定義刮板面朝運(yùn)動方向?yàn)檎?。在圖3和圖4中，磨損主要分布在刮板的下半部分，且越靠近下半邊緣磨損越大；在下半部分，正面的磨損略大于反面磨損，總體差異不大，但在邊緣區(qū)域，正面有明顯的一圈沿邊緣分布的較大磨損，而反面磨損較?。还伟宓纳习氩糠只緵]有磨損，但在上部的側(cè)面分布有較大的磨損，這是由于刮板經(jīng)過入料口時，物料與刮板上邊緣側(cè)面的沖擊導(dǎo)致；刮板側(cè)面的磨損僅在上部有較為集中的分布，而在其他部位無明顯磨損，這是因?yàn)楣伟迮c料槽間設(shè)計(jì)的安裝間隙小于大豆直徑，在間隙內(nèi)大豆與刮板無接觸，不產(chǎn)生磨損。這與管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段刮板實(shí)際磨損分布規(guī)律情況相吻合，如圖5所示。Archard Wear云圖如圖6所示。

圖5 一體式刮板的實(shí)際磨損情況Fig.5 Actual wear of the integrated scraper

圖6 刮板平均磨損深度Fig.6 Average wear depth of scraper

對比 Relative Wear 和 Archard Wear云圖可知，2者顯示的刮板磨損分布規(guī)律具有高度的一致性，驗(yàn)證了Relative Wear磨損接觸模型標(biāo)示刮板磨損分布情況的正確性。

為了更深入地分析管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段刮板磨損分布情況，利用EDEM后處理的Selections功能，在刮板上選取了5個形狀、大小相同而位置不同的樣本分析區(qū)域，并對其進(jìn)行對比分析。其中區(qū)域2位于刮板的中心位置，區(qū)域1，3相對區(qū)域2水平對稱分布，區(qū)域4與區(qū)域2的中心連線與水平方向夾角為45°，區(qū)域5以區(qū)域1，3的中心連線為對稱軸與區(qū)域4對稱，如圖7所示。

圖7 刮板樣本區(qū)域Fig.7 Scraper sample area

測算每個獨(dú)立的樣本區(qū)域的刮板平均磨損深度，結(jié)果如圖8所示。除樣本區(qū)域1外的4個區(qū)域的平均磨損深度隨著時間的增加而逐漸增大。在 0～1 s，5個部分皆無磨損，這是因?yàn)槟繕?biāo)刮板還未運(yùn)動到入料口的下方，此時刮板與大豆顆粒并無接觸，沒有產(chǎn)生磨損；區(qū)域1在1～1.43 s平均磨損深度快速增加，并在第1.43 s時達(dá)到最大值5.10E-7 mm且保持恒定，不再隨時間變化，這是由于刮板經(jīng)過入料口，物料與刮板上邊緣側(cè)面沖擊導(dǎo)致，在刮板遠(yuǎn)離入料口后，磨損不再增加。在大豆與刮板劃分區(qū)域2，3，4，5接觸后，此4個區(qū)域內(nèi)的平均磨損深度隨時間的增加而增加；在第5 s時，區(qū)域3的平均磨損深度達(dá)到5.91E-6 mm，遠(yuǎn)大于區(qū)域2的平均磨損深度2.99E-8 mm；對稱分布的區(qū)域4和區(qū)域5平均磨損深度差異不大，在第5 s時的平均磨損深度分別為5.34E-6mm和5.52E-6 mm。此仿真結(jié)果與之前的Relative Wear磨損接觸模型分析結(jié)果一致，表明管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段刮板磨損主要分布在刮板的下部，磨損最嚴(yán)重的部位在刮板下部與刮板圓心垂直距離最大處。結(jié)果再一次驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

圖8 刮板平均磨損深度Fig.8 Average wear depth of scraper

為了進(jìn)一步探究管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段刮板的磨損機(jī)理，選擇平均磨損深度最大的區(qū)域3，測量該區(qū)域內(nèi)的法向和切向累積接觸力，如圖9所示。在0.89 s時刮板上同時產(chǎn)生法向和切向累積接觸力，圓盤刮板的法向和切向累積接觸力隨時間的增大而不斷增大，法向累積接觸力始終大于切向累積接觸力；在第5 s時法向累積接觸力為27 640.2 N，切向累積接觸力為 21 054.3 N。結(jié)果表明，在管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段工作時，物料對刮板作用的法向正壓力始終大于2者間切向運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力，由物料正壓力造成的刮板磨損更為嚴(yán)重。

圖9 刮板累積接觸力Fig.9 Cumulative contact force of scraper

4 管鏈輸送機(jī)刮板設(shè)計(jì)

4.1 刮板材料

管鏈輸送機(jī)刮板多由聚氨酯、丙乙烯、聚亞胺酯等耐磨材料壓模制成。但考慮到在實(shí)際糧食輸送過程中，物料顆粒復(fù)雜、運(yùn)輸要求較高、對刮板的磨損較大，無法實(shí)現(xiàn)長周期使用，需要定期檢修，更換刮板，嚴(yán)重降低糧食輸送效率。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種在食品機(jī)械中運(yùn)用較為成熟的工程塑料，它具有良好的耐磨損、耐沖擊、耐腐蝕能力，且摩擦系數(shù)低、自潤滑性好，成本低，質(zhì)量輕，無毒、無味，是目前刮板材料替代的一種較好選擇[14-16]。選擇超高分子量聚乙烯材料性能參數(shù)，如表4所示。

表4 超高分子量聚乙烯材料Tab.4 UHMWPE materials

4.2 刮板結(jié)構(gòu)

管鏈輸送機(jī)刮板多由工程塑料一體式壓模形成，圓盤刮板直接與鋼絲索壓鑄為一體，以減少生產(chǎn)過程中物料受污染的可能性。在實(shí)際輸送過程中，刮板由于磨損容易碎裂，造成管鏈輸送機(jī)卡死。但因?yàn)橐惑w式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致刮板更換困難，需要把鏈條拆卸后才能更換刮板，處理時間較長，造成人力與物力的浪費(fèi)。刮板若采用分體式結(jié)構(gòu)，中間用高強(qiáng)度螺栓連接便可解決以上問題，如圖10所示。當(dāng)刮板由于磨損需要更換時，只需拆卸螺栓就可完成刮板更換，有效提升了刮板檢修效率。

圖10 分體式刮板Fig.10 Split scraper

4.3 增加清掃裝置

管鏈輸送機(jī)在輸送易破碎或黏附性物料時，物料會在刮板及料槽上積留，加大刮板的磨損。為了減少刮板磨損、增大輸送效率，可在管鏈輸送機(jī)的最后工位增加清掃裝置，如圖11所示[17]。鏈條刮板經(jīng)過清理裝置時，一側(cè)的伺服電機(jī)帶動清掃毛刷轉(zhuǎn)動，將刮板與鏈條上的殘余和附著物料清理，落入下方余料收集器中。

圖11 清掃裝置Fig.11 Cleaning device

5 結(jié)語

以大豆為運(yùn)輸物料，基于EDEM離散元仿真，分析運(yùn)輸量為40 t/h的大豆在管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段的運(yùn)動狀態(tài)；利用Relative Wear和Archard Wear磨損接觸模型得到管鏈輸送機(jī)水平運(yùn)輸段刮板磨損分布規(guī)律，標(biāo)記刮板磨損最嚴(yán)重的部位，得到物料正壓力是造成刮板磨損的重要因素的結(jié)論。從實(shí)際與仿真結(jié)果的對比來看，仿真結(jié)果可靠。根據(jù)磨損分析結(jié)果對刮板進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，為管鏈輸送機(jī)刮板的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。