基于离散元法的沥青养护车搅拌筒立式叶片优化设计

朱福民,万沈文

(1.上海海事大学 物流工程学院,上海 201306)



基于离散元法的沥青养护车搅拌筒立式叶片优化设计

朱福民1,万沈文1

(1.上海海事大学 物流工程学院,上海 201306)

沥青养护车搅拌筒的搅拌性能直接影响着其工作效率,其中叶片对搅拌性能起着至关重要的作用.与传统的螺旋叶片相比立式叶片结构简单、易拆装,具有良好的搅拌性能和优良的破碎性能.通过离散元仿真软件对搅拌筒内部立式叶片的数量和倾斜角对沥青颗粒受力、破碎性、均匀性等搅拌性能的影响进行数值模拟,为沥青养护车的立式叶片优化设计提供了参考.

搅拌筒立式叶片; 沥青颗粒; 离散元方法

ZHU Fu-min,WAN Shen-wen

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

沥青作为建筑道路多用途材料,应用广泛,需求量巨大.2013年,中国的沥青产量比去年增长了9.71%,达到了1993.51万t,而2014年国内沥青总产量为2077.9万t,预计2015年国内沥青产量将还会增长.沥青路面需要时常维护和翻修,据统计,我国每年大约需要翻修20%的沥青路面,每年有220万t旧沥青会被废弃[1].目前针对沥青路面的修补方式为:将损坏的旧沥青取出,加入搅拌设备里再次轧碎,添入再生剂以提高沥青的质量,同时需要添加一些新的沥青搅拌混合,该法便可以回收再用旧沥青[2].多功能沥青养护车的出现,正是解决这一棘手问题的关键.

沥青养护车搅拌筒中的叶片对其工作效率有至关重要的影响,与传统的螺旋叶片相比,立式叶片结构简单、易拆装,具有良好的搅拌性能和优良的破碎性能.本文主要研究立式叶片的搅拌性能,通过计算机仿真搅拌筒内颗粒的受力情况、均匀性、破碎性和颗粒的进出料性对叶片的数量和倾斜角进行优化设计,从而提高沥青养护车的作业性能,对沥青养护车设备的设计、优化、使用以及工程建设都具有重要的意义.

1 模型建立

1.1 颗粒接触模型

在实际作业中,搅拌筒内的混合料大多为沥青料、混凝土、砂石等混合物,具有一定的黏性,故本文宜选用Hertz-Mindlin with JKR模型来模拟沥青物料的接触.Hertz-Mindlin with JKR是一个凝聚力接触模型,是一个在接触区域中可以考虑范德华力的影响并允许用户模拟强黏性的系统.在这个模型中,法向弹性接触力的实现基于JKR(Johnson-Kendall-Roberts)理论[3].

JKR法向力Fn基于重叠量δ和相互作用参数、表面能量γ:

(1)

(2)

α=R1+R2-r1-r2

(3)

式中:E*为当量杨氏模量;α为法向重叠量;R*为当量半径;R1为颗粒1的半径;R2为可颗粒2的半径;r1为颗粒1的球心位置矢量;r2为颗粒2的球心位置矢量.

当γ=0时,力变成了Hertz-Mindlin法向力FH:

(3)

这个模型提供吸引凝聚力,即使颗粒并不是直接接触.颗粒间有非零凝聚力的最大间隙为

(4)

(5)

当δ<δc时,模型返回0.当颗粒并非实际接触并且间隔小于δc时,凝聚力达到最大值.这个最大凝聚力Fp为

(6)

颗粒间的摩擦力计算取决于JKR法向力的正向排斥部分.因此,JRK摩擦模型在接触力的凝聚力分量更大时提供一个更大的摩擦力.JKR这个模型和一般的模型相比主要区别在于摩擦模型.

虽然这个模型是为细、干颗粒设计的,但它也可以用于模拟湿颗粒.将两个颗粒分开所需要的力Fs取决于液体表面张力γs和润湿角θ的大小:

(7)

颗粒间切向力Ft为

(8)

(9)

式中:G*为当量剪切模量;G1,G2分别为颗粒1和颗粒2的剪切模量;ν1,ν2分别为颗粒1和颗粒2的泊松比.

1.2 颗粒破碎模型

破碎是指物料在碰撞过程中粒度减小,要达到物料破碎的效果,就要对物料施加足够大的外力以克服物料内部间的内聚力,当外力达到一定程度时物料就会发生破碎.国内外研究破碎理论已有一百多年的历史,其中较好描述颗粒破碎模型的是根据VOGEL和PEUKERT[4]提出的一种关于破碎概率及碰撞强度的累积破碎模型,料颗粒破碎率N可以表示为

(10)

式中:b为材料抗冲击系数;ki为第i颗颗粒的碰撞次数;Ei为第i颗颗粒受到的冲击碰撞能量;E0为颗粒破碎的临界冲击能量.

从式(10)可以看出,当颗粒受到的冲击能量始终小于颗粒破碎的临界冲击能量时,颗粒不会产生破碎.当颗粒受到冲击能量大于颗粒破碎的临界冲击能量时,颗粒的破碎概率将随颗粒的碰撞次数和该冲击能量大小的变化而变化,式中的材料抗冲击系数与颗粒材料和大小等参数相关,每颗颗粒的临界冲击能量是由颗粒材料的性质决定的.因此颗粒在搅拌筒内部碰撞的次数越多,受到的有效冲击能量(Ei-E0)越大,颗粒物料破碎的概率就会更大.在实际的搅拌作业过程中,物料的破碎主要靠物料颗粒的相互撞击,颗粒与搅拌筒内部壳体的撞击,以及颗粒与搅拌筒内部叶片的撞击而产生,颗粒在旋转搅拌筒和叶片的带动下,连续不断地冲击碰撞,当有效冲击能量足够大时,颗粒便会发生破碎.

(11)

式中:m为颗粒的质量;vi为颗粒受到冲击后的速度;v0为颗粒破碎的临界速度,viv0.

由式(9)可知,在临界速度一定的情况下,旋转搅拌筒要提供一定的转速,才能使颗粒得到足够大的冲击速度.

2 参数设置

2.1 搅拌筒的相关参数

本文考虑到沥青养护车设备复杂且料仓系统中其他装置占据了一定的空间,因此搅拌筒的直径取1 470 mm.为了保证卧式搅拌筒在水平旋转时具有一定的出料性能,沥青养护车搅拌筒前锥筒半锥顶角常控制在40°～50°之间[5].出于进出料速率考虑,半锥角取50°.搅拌筒段取2 000 mm,进出料锥筒段取330 mm,总长2 330 mm.筒的转速为5 r·min-1.

2.2 立式刀片相关参数

本次设计的叶片如图1所示,出于进出料性能和叶片内部布置的考虑,叶片的倾斜角设置为15°,叶片高度300 mm,长度700 mm.

以3块叶片为1组,每组立式刀片以120°夹角在圆周方向上等距离均匀分布,在轴向上同样以45°升角分布,如图2所示.

图1 立式叶片

图2 立式叶片的布置图

2.3 仿真参数

搅拌筒壳体和叶片都取铸铁材料,密度7 800 kg·m-3,泊松比为0.28,剪切模量70 GPa.选取的沥青物料为密度2 438 kg·m-3,泊松比为0.2,剪切模量为23 MPa.颗粒直径为20 mm,颗粒之间的恢复系数取0.1,静摩擦系数取0.545,滚动摩擦系数取0.01.颗粒与筒体之间的恢复系数取0.2,静摩擦系数取0.5,滚动摩擦系数取0.01.重力加速度方向取z方向,取-9.81 m·s-2.接触模型采用Hertz-Mindlin with JKR模型.设置筒体绕中心轴线性旋转,转速为5 r·min-1,加速度为0.

本次模型选取时步为30%,为了保证在进料仿真时研究正常作业时的搅拌性能,仿真总时间设为20 s,有充足的时间余量,而出料仿真时设定为15 s.网格尺寸为3倍最小颗粒的3倍.

3 叶片数量对搅拌性能的影响

搅拌筒的叶片数量是影响搅拌特性的一个重要因素,不同叶片数量的搅拌筒对物料颗粒的碰撞特性不同,从而影响沥青搅拌筒的破碎能力.根据筒内部尺寸的约束,以及各叶片之间的间距,保证其他条件不变的情况下,分别选取9,12,15个叶片这3种不同的情况来分析搅拌筒的破碎性能和进出料性能.

新中国成立后，爷爷奶奶成为地道的贫苦农民，每天早出晚归，参与人民公社集体耕作挣工分，晚上熬夜纺棉花，养活儿女。后来赶上物质极度匮乏的三年自然灾害，家里常常无米下锅，爷爷奶奶想着法子续上一家子的性命，吃野菜、啃树皮，穿衣更是“新老大，旧老二，缝缝补补给老三”，最终挺过粮食关。这段时期，这对银镯子成了家里最值钱的东西。

3.1 颗粒受力分析

图3分别表示单个物料颗粒在3,4,5组叶片搅拌筒中的受力随时间变化的曲线图,在第1s时刻物料被投入搅拌筒中,受重力加速度影响受力较大,出现尖锐的波峰,这种情况在研究搅拌性能中不考虑.物料颗粒在3种搅拌筒内不断地被推送至搅拌筒底,在5s左右开始进入正常搅拌作业,颗粒受力出现波动.颗粒在含3组叶片的搅拌筒中,受力最大时在16～17 N之间.进入13 s时,颗粒受力波动开始剧烈,受力最大在15 N左右,最小受力在11 N,虽然整体曲线较为平缓但不规则,说明颗粒在含3组叶片的搅拌筒里受力不均匀.含4,5组叶片的搅拌筒都在7s开始剧烈波动,最大受力均在19 N左右,最小受力为12 N.说明随着叶片数量的增多,物料颗粒受力的变化更加剧烈,但变化更加规则.含4组叶片的搅拌筒与含5组叶片的搅拌筒在受力整体曲线上大致相同,变化不大.两者对比,只含3组叶片的搅拌筒对颗粒受力的影响十分显著.

3.2 颗粒破碎性能分析

物料颗粒对搅拌筒的撞击情况可作为分析搅拌筒破碎性能的有效参考数据.从图4中可以看出,含5组叶片的搅拌筒在相同时间内,颗粒与壁面发生撞击的次数最多,其次是含4组叶片的搅拌筒,含3组叶片的搅拌筒内部颗粒撞击最少.但整体来说,含4组叶片的搅拌筒与含5组叶片的搅拌筒差异不是很大,3组叶片的搅拌筒与前两者的差异明显,且撞击不规则.图5显示了颗粒的冲击能量随时间变化的情况,随着叶片数量增多,颗粒的冲击能量明显增大,叶片数量为9块时,颗粒冲击能量最大只能为45J,叶片数量为15块时,最大冲击能可达55J.因此,无论从撞击次数还是从冲击能量来看,在一定条件下,叶片数量越多,搅拌筒对颗粒的破碎性能就越好.

图3 单个颗粒的受力-时间图

3.3 颗粒均匀性分析

图6显示了不同体积大小颗粒的速度分布情况,当叶片为3组时,可以看到数据点分布较为集中,呈扁平状,体积在3.2×10-5m3的颗粒其速度分布范围更大,说明颗粒体积在3.2×10-5m3时更容易达到最大速度,其余颗粒获得的速度较小.当叶片为5组时,较大的颗粒体积为4.7×10-5m3,较小的颗粒体积为2.2×10-5m3,以及中等大小的颗粒体积为3.2×10-5m3,它们的速度范围都比较一致.说明了物料颗粒在叶片数量较小时更容易出现搅拌不均匀的现象,使得太大或太小的颗粒与中等大小颗粒出现离析的现象.叶片数量在12块或更多时,搅拌筒的混合均匀性能才能得到保障.

图4 颗粒与搅拌筒内壁撞击次数-时间图

3.4 颗粒进出料性能分析

在出料时颗粒随时间不断减少,进而能反映搅拌筒的出料性能.如图7所示,相同时间内,随着搅拌筒叶片的增多,出料的颗粒数量明显增大.含4组和5组叶片的搅拌筒在第7 s开始送出物料,而受3组叶片搅拌的颗粒在第11 s才开始出料,出料速度上远远不及叶片较多的搅拌筒.

图5 颗粒冲击能量-时间图

由以上分析可知,叶片数量多少直接影响了搅拌筒的性能.在一定条件下叶片数量越多,对颗粒的撞击次数越多,冲击能量更大,因此其破碎性能越好.并且叶片数量越多搅拌混合越均匀,进出料性能越优越,颗粒运动越有规则.

4 叶片倾斜角对搅拌性能的影响

图6 颗粒体积-速度散点图

图7 颗粒数量-时间图

4.1 颗粒受力分析

为了更细致地观察颗粒受倾角的变化对搅拌性能的差异,将考察时间范围缩小到2 s开始,以去除颗粒受重力抛下的影响.图8显示了倾角10 °,15 °,20 °的叶片作用下,颗粒的总受力随时间的变化情况.可以看出随着角度的增大,颗粒受的力波动范围减小:在倾角为10 °时,颗粒总的受力最大分布在560 N,最小分布在115 N;倾角为15 °时,总受力最大分布在500 N,最小分布在110 N;倾角为20 °时,总受力最大分布在480 N,最小分布在110 N.因此角度的增大使得颗粒在搅拌筒内受力减少,受力变化波动平缓.

图8 颗粒总受力-时间图

4.2 破碎性能分析

由图9可以看出,不同的叶片倾斜角颗粒撞击次数大致相同,因此,叶片倾斜角小,产生的破碎性能更好.图10显示了颗粒在不同倾斜角度叶片作用下所受的冲击能量变化情况.可以看到,颗粒在倾斜角10°的叶片作用下冲击能量能达到最大65 J,而在倾斜角15°时,颗粒的冲击能量最大达到58.6 J,当叶片倾斜角为20°时,颗粒能达到的最大冲击能量为53 J,且整个曲线分布随着角度的增大在y轴上逐渐降低,说明颗粒的冲击能量会随着搅拌筒叶片的倾斜角增大而减小.

图9 颗粒与搅拌筒内壁撞击次数-时间图

4.3 颗粒均匀性分析

图11显示了不同体积大小的颗粒在搅拌筒内速度散点图.可以看出随着倾斜角度增加,数据点越来越不集中,散开程度越来越明显.倾斜角为10 °的搅拌筒更偏重使得体积在3.4×10-5m3左右的颗粒获得较大的速度,而其他体积的颗粒速度较小,说明搅拌筒对不同大小的颗粒施力不均匀,易出现偏析的现象.而倾斜角度在20 °时,数据点更加散开分布较为均匀,说明搅拌筒叶片具有较大的倾斜角,其内部不同大小的颗粒速度都十分均匀,搅拌较为均匀充分.

图10 颗粒冲击能量-时间图

图11 颗粒体积-速度散点图

4.4 进出料性能分析

结合出料颗粒数量图12可以看出,虽然3种搅拌筒出料时间相同,但随着倾斜角度的增变大,颗粒出料速度增大,出料颗粒数量增多,倾斜角为20°时颗粒的出料速度最快,出料颗粒数量最多.

综上所述,搅拌筒叶片倾斜角对搅拌性能的影响十分显著.倾斜角较小时,搅拌筒的破碎性能很好,对于沥青物料的破碎搅拌很有帮助;倾斜角较大时,该搅拌筒的进出料性能会得到很大的提升,并且其内部的物料颗粒搅拌较均匀,不易出现离析的现象.

图12 颗粒数量-时间图

5 结论

(1) 搅拌筒内安装的叶片数量对物料的破碎性、均匀性和进出料性有着明显的影响.在一定条件下叶片数量越多对物料的破碎越好.在实际搅拌筒的设计和制造中,立式叶片应选取至少4组(12块)叶片.

(2) 本文对倾斜角为10°到20°的立式叶片作了仿真分析,发现当倾斜角角度较小时,搅拌筒表现出优良的破碎性能;当倾斜角较大时,表现出优良的混合均匀性能和进出料性能.可以根据实际需求选取适当的叶片倾斜角.

[1] 韩磊,阎永梅.国外沥青现场热再生方法的探讨[J].交通与社会,2001(5):41-42.

HAN Lei,YAN Yongmei.Discussion on the method of thermal regeneration of asphalt in foreign countries[J].Communication and Society,2001(5):41-42.

[2] 邵鸣建.沥青路面机械化施工技术与质量控制[M].人民交通出版社,2003.

SHAO Mingjian.Mechanization construction technology and quality control of asphalt pavement[M].China Communications Press,2003.

[3] JOHNSON K L,KENDAL K,ROBERTS A D.Surface energy and the contact of elastic solids[J].Proc.R.Soc.Lond.A 324(1971):301-313.

[4] VOGEL L,PEUKERT W.From single particle impact behaviour tomodelling of impact mills[J].Chemical Engineering Science,2005,60:5164-5176.

[5] 冯忠绪,王卫中,姚运仕,等.搅拌机合理转速研究[J].中国公路报,2006(2):116-120.

FENG Zhongxu,WANG Weizhong,YAO Yunshi,et al.Study of mixer rational rotation speed[J].China Journal of Highway and Transport,2006(2):116-120.

[6] 刘波,李自光,达昀峰.双滚筒连续式搅拌设备外筒搅拌叶片倾角研究[J].公路与汽运,2014,163:150-152.

LIU Bo,LI Ziguang,DA Yunfeng.Study on the dip angle of the outer tube of the double drum continuous mixing equipment[J].Highways & Automotive Applications,2014,163:150-152.

[7] 何明.我国沥青搅拌设备技术现状和发展趋势[J].建筑机械化,2008,29(2):38-41.

HE Ming.Current situation and prospect of asphalt mixing equipment in China[J].Construction Mechanization,2008,29(2):38-41.

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