斗式提升機內(nèi)物料運動數(shù)值模擬與研究

龐曉霞 秦園園 李德玲

摘 要：為了提升斗式提升機工作性能，確保設計更加合理，工作穩(wěn)定可靠，以TDTGE60/33型斗式提升機為例，運用離散元法分析軟件EDEM對物料運動過程進行仿真計算。建立斗式提升機及物料的離散模型，設置相應的參數(shù)，對物料流進行離散元模擬。得出物料運動軌跡曲線，同時對物料卸料軌跡進行分析，為合理設計機頭罩殼提供理論依據(jù)。

關鍵詞：斗式提升機；離散元；運動軌跡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.020

斗式提升機是一種專門用在垂直或大傾角傾斜向上輸送物料的連續(xù)輸送機械，由于其結(jié)構簡單、緊湊，工作平穩(wěn)可靠，被廣泛應用于糧油、食品、化工等行業(yè)。斗式提升機是一種垂直輸送設備，由牽引帶圍繞著頭輪、底輪做循環(huán)運動，通過固定在牽引帶上的畚斗裝料、提升、卸料從而將物料由下提升至機頭卸出。斗式提升機的工作過程可分為畚斗的裝料、畚斗的提升及畚斗的卸料。近年來隨著糧油、飼料等行業(yè)加工規(guī)模的日益擴大，對斗式提升機的性能要求也隨之提高。為了提升斗式提升機各方面性能，確保提升機的設計更合理，工作穩(wěn)定可靠，以TDTGE60/33型斗式提升機為例，對提升機內(nèi)物料運動過程進行仿真分析。

離散元法理論是目前研究離散物料運動的一種有效分析方法，已被廣泛應用于糧食機械中[1]。本文采用離散元法對斗式提升機內(nèi)物料運動進行計算，首先建立斗式提升機整機模型并對其進行簡化，利用分析軟件中運動疊加功能建立畚斗的運動模型，同時采用顆粒粘結(jié)法建立大豆顆粒模型，從而實現(xiàn)對物料提升過程進行仿真。通過改變頭輪轉(zhuǎn)速的方法，得到不同轉(zhuǎn)速下物料卸料軌跡，獲得了物料拋出的最佳轉(zhuǎn)速。在最佳轉(zhuǎn)速下，對物料卸料運動軌跡進行分析，為機頭罩殼的改進創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 建立離散模型

斗式提升機主要工作部件有畚斗、牽引帶、頭輪、底輪等，將畚斗固定在牽引帶上，牽引帶圍繞著頭輪、底輪做循環(huán)運動，從而將物料由下提升至機頭卸出。

1.1 提升機離散模型

斗式提升機內(nèi)部結(jié)構較復雜，采用組合法、函數(shù)建模法建立邊界模型是較困難的[2]。為了避免因提升機模型復雜而增加仿真時長，將模型導入EDEM分析軟件前，先將提升機模型進行簡化。本文采用基于Solidworks模型的建模方法[3]，簡化后提升機離散模型見圖1。

1.2 大豆顆粒建模

顆粒模型的建立直接關系到模擬計算物料提升運動過程是否與實際情況一致。EDEM軟件中顆粒模型為球形，采用粘結(jié)顆粒法創(chuàng)建大豆顆粒模型，見圖2所示。

1.3 接觸模型的設置

EDEM仿真中首先要確定顆粒的接觸模型，常用的顆粒接觸模型有Hertz-Mindless無滑動接觸模型、Hertz-Mindless黏結(jié)接觸模型、線性黏附接觸模型、運動表面接觸模型、線彈性接觸模型和摩擦電荷接觸模型等。顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的法向受力和切向受力，可以采用利用兩物體之間的相對位置與它們各自受力處的曲率半徑進行對比的方法得到，而顆粒接觸模型中Hertz-Mindless無滑動接觸模型正是利用了這一原理，并且能夠較好的反映硬質(zhì)剛性物體間的力學行為特點，所以這里設定接觸模型設定為Hertz-Mindless無滑動接觸模型[4]。裝料、提升及卸料過程中大豆顆粒與畚斗間存在相互接觸、摩擦，同時大豆顆粒與畚斗及大豆顆粒之間不存在粘結(jié)。接觸模型的選取直接關系到離散元法仿真結(jié)果是否真實。根據(jù)大豆顆粒運動及與畚斗的接觸方式，本文采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型模擬計算大豆顆粒的運動情況。

2 離散元仿真分析

斗式提升機被廣泛應用于糧食加工過程中，多以物料顆粒作為介質(zhì)進行輸送，而輸送物料屬于非連續(xù)介質(zhì)。離散元法是近年來新型的一種非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法，在離散介質(zhì)力學求解方面占有很大的優(yōu)勢。EDEM 軟件不斷被開發(fā)，已將離散元法逐步應用在谷物清選、干燥及輸送等農(nóng)業(yè)工程實際應用中。

仿真過程中有關參數(shù)的設置：

（1）導入幾何體：將提升機簡化模型存為IGES格式，通過EDEM前處理模塊將模型導入EDEM 中，如圖3所示，圖中紅色方格區(qū)為模型網(wǎng)格計算域。

（2）定義模型運動：EDEM中模型的運動形式有：Liner Translation、Liner Rotation和Sinusoidal Translation、Sinusoidal Rotation。本文中提升機模型的運動部件包括頭輪和畚斗。頭輪做旋轉(zhuǎn)運動，可設置其運動形式為Liner Rotation；畚斗在提升機工作過程中存在圓弧段運動和直線段運動，設置其運動形式為Liner Rotation、Liner Translation。

（3）顆粒工廠：在提升機進料口處創(chuàng)建顆粒工廠，通過顆粒工廠可對仿真中顆粒的數(shù)量、位置進行設置。仿真中顆粒數(shù)目過多將影響仿真計算時間，設置顆粒每秒產(chǎn)生速度為2000個。

（4）仿真計算：仿真計算結(jié)果是否準確與時間步長、網(wǎng)格大小的選取有直接的聯(lián)系。為減少計算時間，將創(chuàng)建時間步長為20%的瑞利時間，設置網(wǎng)格為4倍的最小顆粒半徑。

3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后通過對比，獲得最佳頭輪轉(zhuǎn)速。對不同轉(zhuǎn)速下，物料運動過程進行結(jié)果收集對比，物料運動軌跡效果圖整理后見表1。

由表1可看出，在頭輪臨界轉(zhuǎn)速45時，存在嚴重回料；隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，可看出卸料效果逐漸好轉(zhuǎn)，回料現(xiàn)象減少；轉(zhuǎn)速為60、65、70時，卸料效果基本相同；但在65時，物料實現(xiàn)完全卸料，因此頭輪最佳轉(zhuǎn)速為65。

4 結(jié)論

本文在建立斗式提升機離散模型后，運用離散元法仿真模擬斗式提升機輸送物料過程。以TDTGE60/33型斗式提升機為例，得到頭輪最佳轉(zhuǎn)速為65。得到物料運動軌跡線，為今后合理設計機頭罩殼提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]徐登峰，成榮，朱煜等.基于離散元方法的糧食自動分級研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，01（04）：396-399.

[2]李洪昌，李耀明，唐忠等.風篩式清選裝置振動篩上物料運動CFD-DEM數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012，02（03）：79-84.

[3]李立青，蔣明鏡，吳曉峰.橢圓形顆粒堆積體模擬顆粒材料力學性能的離散元數(shù)值方法[J].巖土力學，2011，01（04）：713-718.

[4]孫利民，楊陽，梁江濤. 散體力學研究的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].開封大學學報，2011（02）：74-77.

[5]胡國明，郭勝，陳金鑫等.離散元素法在工業(yè)過程分析與產(chǎn)品設計中的應用初探[J].機電工程，2010，08（04）：1-5.

作者簡介：龐曉霞（1988-），女，碩士研究生，研究方向：糧食加工機械。