斗式提升机内物料运动数值模拟与研究

庞晓霞 秦园园 李德玲

摘 要：为了提升斗式提升机工作性能，确保设计更加合理，工作稳定可靠，以TDTGE60/33型斗式提升机为例，运用离散元法分析软件EDEM对物料运动过程进行仿真计算。建立斗式提升机及物料的离散模型，设置相应的参数，对物料流进行离散元模拟。得出物料运动轨迹曲线，同时对物料卸料轨迹进行分析，为合理设计机头罩壳提供理论依据。

关键词：斗式提升机；离散元；运动轨迹

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

斗式提升机是一种专门用在垂直或大倾角倾斜向上输送物料的连续输送机械，由于其结构简单、紧凑，工作平稳可靠，被广泛应用于粮油、食品、化工等行业。斗式提升机是一种垂直输送设备，由牵引带围绕着头轮、底轮做循环运动，通过固定在牵引带上的畚斗装料、提升、卸料从而将物料由下提升至机头卸出。斗式提升机的工作过程可分为畚斗的装料、畚斗的提升及畚斗的卸料。近年来随着粮油、饲料等行业加工规模的日益扩大，对斗式提升机的性能要求也随之提高。为了提升斗式提升機各方面性能，确保提升机的设计更合理，工作稳定可靠，以TDTGE60/33型斗式提升机为例，对提升机内物料运动过程进行仿真分析。

离散元法理论是目前研究离散物料运动的一种有效分析方法，已被广泛应用于粮食机械中[1]。本文采用离散元法对斗式提升机内物料运动进行计算，首先建立斗式提升机整机模型并对其进行简化，利用分析软件中运动叠加功能建立畚斗的运动模型，同时采用颗粒粘结法建立大豆颗粒模型，从而实现对物料提升过程进行仿真。通过改变头轮转速的方法，得到不同转速下物料卸料轨迹，获得了物料抛出的最佳转速。在最佳转速下，对物料卸料运动轨迹进行分析，为机头罩壳的改进创新提供理论依据。

1 建立离散模型

斗式提升机主要工作部件有畚斗、牵引带、头轮、底轮等，将畚斗固定在牵引带上，牵引带围绕着头轮、底轮做循环运动，从而将物料由下提升至机头卸出。

1.1 提升机离散模型

斗式提升机内部结构较复杂，采用组合法、函数建模法建立边界模型是较困难的[2]。为了避免因提升机模型复杂而增加仿真时长，将模型导入EDEM分析软件前，先将提升机模型进行简化。本文采用基于Solidworks模型的建模方法[3]，简化后提升机离散模型见图1。

1.2 大豆颗粒建模

颗粒模型的建立直接关系到模拟计算物料提升运动过程是否与实际情况一致。EDEM软件中颗粒模型为球形，采用粘结颗粒法创建大豆颗粒模型，见图2所示。

1.3 接触模型的设置

EDEM仿真中首先要确定颗粒的接触模型，常用的颗粒接触模型有Hertz-Mindless无滑动接触模型、Hertz-Mindless黏结接触模型、线性黏附接触模型、运动表面接触模型、线弹性接触模型和摩擦电荷接触模型等。颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间的法向受力和切向受力，可以采用利用两物体之间的相对位置与它们各自受力处的曲率半径进行对比的方法得到，而颗粒接触模型中Hertz-Mindless无滑动接触模型正是利用了这一原理，并且能够较好的反映硬质刚性物体间的力学行为特点，所以这里设定接触模型设定为Hertz-Mindless无滑动接触模型[4]。装料、提升及卸料过程中大豆颗粒与畚斗间存在相互接触、摩擦，同时大豆颗粒与畚斗及大豆颗粒之间不存在粘结。接触模型的选取直接关系到离散元法仿真结果是否真实。根据大豆颗粒运动及与畚斗的接触方式，本文采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型模拟计算大豆颗粒的运动情况。

2 离散元仿真分析

斗式提升机被广泛应用于粮食加工过程中，多以物料颗粒作为介质进行输送，而输送物料属于非连续介质。离散元法是近年来新型的一种非连续介质数值分析方法，在离散介质力学求解方面占有很大的优势。EDEM 软件不断被开发，已将离散元法逐步应用在谷物清选、干燥及输送等农业工程实际应用中。

仿真过程中有关参数的设置：

（1）导入几何体：将提升机简化模型存为IGES格式，通过EDEM前处理模块将模型导入EDEM 中，如图3所示，图中红色方格区为模型网格计算域。

（2）定义模型运动：EDEM中模型的运动形式有：Liner Translation、Liner Rotation和Sinusoidal Translation、Sinusoidal Rotation。本文中提升机模型的运动部件包括头轮和畚斗。头轮做旋转运动，可设置其运动形式为Liner Rotation；畚斗在提升机工作过程中存在圆弧段运动和直线段运动，设置其运动形式为Liner Rotation、Liner Translation。

（3）颗粒工厂：在提升机进料口处创建颗粒工厂，通过颗粒工厂可对仿真中颗粒的数量、位置进行设置。仿真中颗粒数目过多将影响仿真计算时间，设置颗粒每秒产生速度为2000个。

（4）仿真计算：仿真计算结果是否准确与时间步长、网格大小的选取有直接的联系。为减少计算时间，将创建时间步长为20%的瑞利时间，设置网格为4倍的最小颗粒半径。

3 仿真结果分析

仿真结束后通过对比，获得最佳头轮转速。对不同转速下，物料运动过程进行结果收集对比，物料运动轨迹效果图整理后见表1。

由表1可看出，在头轮临界转速45时，存在严重回料；随着转速的逐渐增大，可看出卸料效果逐渐好转，回料现象减少；转速为60、65、70时，卸料效果基本相同；但在65时，物料实现完全卸料，因此头轮最佳转速为65。

4 结论

本文在建立斗式提升机离散模型后，运用离散元法仿真模拟斗式提升机输送物料过程。以TDTGE60/33型斗式提升机为例，得到头轮最佳转速为65。得到物料运动轨迹线，为今后合理设计机头罩壳提供理论依据。

参考文献：

[1]徐登峰，成荣，朱煜等.基于离散元方法的粮食自动分级研究[J]. 江苏农业科学，2015，01（04）：396-399.

[2]李洪昌，李耀明，唐忠等.风筛式清选装置振动筛上物料运动CFD-DEM数值模拟[J].农业机械学报，2012，02（03）：79-84.

[3]李立青，蒋明镜，吴晓峰.椭圆形颗粒堆积体模拟颗粒材料力学性能的离散元数值方法[J].岩土力学，2011，01（04）：713-718.

[4]孙利民，杨阳，梁江涛. 散体力学研究的现状及其发展[J].开封大学学报，2011（02）：74-77.

[5]胡国明，郭胜，陈金鑫等.离散元素法在工业过程分析与产品设计中的应用初探[J].机电工程，2010，08（04）：1-5.

作者简介：庞晓霞（1988-），女，硕士研究生，研究方向：粮食加工机械。