基于EDEM的垂直螺旋输送机对餐厨废弃颗粒输送能力的仿真分析

2022-08-06李吉成孙坤鹏潘明波果霖

信阳农林学院学报 2022年1期

李吉成，孙坤鹏，潘明波，果霖*

(1.云南工商学院智能科学与工程学院，云南昆明 650201；2.云南省高校餐厨废弃物分散处理智能装备工程研究中心，云南昆明 650201；3.云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201)

随着我国对环境的保护力度的不断加大，垃圾处理的标准也在不断提升。餐厨废弃物是一类常见的生活垃圾，占我国生活垃圾的40%～60%，而且具有含水量高、易腐烂和易传播疾病的特点。餐厨废物的无害化、资源化处理已成为环保产业研究的重点[1-2]。垂直螺旋输送机具有结构简单、适应能力强和占地空间小等特点，目前已广泛应用于餐厨废弃物处理中间环节的物料输送工作[3]。

虽然垂直输送机已得到广泛的应用，但是其输送物料的运动过程十分复杂，部分学者还在对它进一步研究，特别是在速度方面。张氢等人对垂直螺旋输送机的临界转速进行了仿真研究，得到了当待输送的物料数量增加时，仿真临界转速值也在不断增加的结论[4]。余书豪分别以螺旋叶片、螺距、供料方式和螺旋轴直径为变量，对垂直螺旋输送机的输送特性进行了研究，并对相关数量关系进行了量化[5]。周佳妮采用了离散元的方法，建立了垂直螺旋输送机的仿真模型，并以进料的初始速度、填充率等为变量对垂直螺旋输送机的输送性能进行了研究，他们发现当螺旋轴转速一定时，填充率变化对输送效率的影响不大[6]。

经粉碎压缩脱水处理过的餐厨废弃物颗粒具有一定粘性，这一特性可能影响垂直螺旋输送机的输送能力。本文以螺旋轴转速和输送机直径为研究变量，对垂直螺旋输送机输送餐厨废弃颗粒的性能进行研究。

1 分析对象

垂直螺旋输送机主要由机架、动力机构、传动机构、外壳、螺旋杆、进料部分和出料部分组成，垂直螺旋输送机利用在外壳中旋转的螺旋杆将物料提升起来[7]。为了分析方便，本文将垂直螺旋输送机的结构进行了简化，简化后模型只包含外壳、螺旋杆、进料弯管、进料斗和出料斗五个部分(图1)。利用Creo建立简化后的垂直螺旋输送机的三维模型，并转化成STP格式。

本文所研究的垂直螺旋输送机的主要结构参数如表1所示。

表1 垂直螺旋输送机的主要结构参数单位：mm

1-外壳；2-螺旋杆；3-进料弯管；4-进料斗；5-出料口

2 离散元分析模型

2.1 离散元的分析原理

离散元分析算法首先需要将所研究的对象简化成有限个可以离散的颗粒，然后利用力与位移关系的接触模型计算离散颗粒之间的接触力，并基于牛顿第二定律计算离散颗粒的位移、速度以及加速度[8]。在EDEM中，常用的接触模型有两种：一种是Hertz-Mindlin(no slip)，主要应用于可以简化成弹簧-阻尼系统的分析模型；另一种是Hertz-Mindlin with JKR，一般用于干燥的粉末或湿颗粒的离散元分析[9-10]。

2.2 分析模型材料

本文的分析模型主要包括两种材料，即餐厨废弃物颗粒的材料和设备的材料，材料的参数如表2所示，材料之间的接触参数如表3所示，颗粒与颗粒之间的接触模型选择Hertz-Mindlin with JKR。

表2 材料主要参数

表3 材料之间的接触参数

2.3 模型的其它参数

(1)将垂直螺旋输送机简化模型的STP文件导入到EDEM中，然后在螺旋轴上添加100 rpm的转动速度。

(2)创建有两个球组成的颗粒来模拟粉碎压缩脱水后的餐厨废弃物颗粒，两个球的直径均为3 mm，两个球心之间的距离为1 mm，颗粒大小采用正态分布的方法，分布的标准差为0.05。在进料口的位置添加颗粒工厂，颗粒工厂的出料速度设置为0.1 kg/s。

(3)设置模型的重力加速度方向为沿坐标系-Y轴方向，加速度大小为9.81 m/s2。

(4)设置模型的求解步长为2.1e-4 s，设置求解时间为30 s，将求解单元大小设置成7.65 mm。

按照上述设计，进行求解计算。

3 求解结果分析

3.1 螺旋直径为90 mm的仿真分析

分别求解计算螺旋轴转速为100 rpm、150 rpm和200 rpm时垂直螺旋输送机的输送过程。得到如图2所示的分析结果。

图2 螺旋轴直径为90 mm的输送机转速分别为100 rpm、150 rpm和200 rpm时仿真结果

从图2中可以看出，对于螺旋轴直径为90 mm的垂直螺旋输送机来说，当转速为100 rpm时，输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值为0.023 m/s，填充率达到83.2%；当转速为150 rpm时，输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值为0.041 m/s，填充率为69.4%；当转速为200 rpm时，送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值为0.057 m/s，填充率达到54.6%。在输送机结构和进料速度不变的情况下，对于带有粘性的餐厨废弃物颗粒，螺旋轴的转速越高，输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值越大，填充率越小。总体来看，随着转速的不断升高，颗粒在水平方向的运动速度也在变大。

3.2 螺旋直径为110 mm的仿真分析

在Creo中将外壳的内径尺寸改为114 mm，螺旋轴叶片外径改为110 mm，模型转化为STP格式，并导入到EDEM中，替换几何模型后，分别求解计算螺旋轴转速为100 rpm、150 rpm和200 rpm时垂直螺旋输送机的输送过程。得到如图3所示的分析结果。

图3 螺旋轴直径为110 mm的输送机转速分别为100 rpm、150 rpm和200 rpm时仿真结果

从图3中可以看出，对于螺旋轴直径为110 mm的垂直螺旋输送机来说，当转速为100 rpm时，输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值为0.0196 m/s，填充率达到85.1%；当转速为150 rpm时，输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值为0.034 m/s，填充率为73.1%；当转速为200 rpm时，送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值为0.054 m/s，填充率达到55.9%。当螺旋轴直径增大后，其它因素保持不变，对于带有粘性的餐厨废弃物颗粒，螺旋轴的转速越高，输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量值越大，填充率越小，其变化规律与螺旋轴直径为90 mm的输送机的变化规律相同。

3.3 不同螺旋轴直径对垂直螺旋输送机的影响

对比图2和图3中相同转速下不同螺旋轴直径的输送机的输送情况，可以看出：对于输送机内的颗粒速度在竖直向上的分量，螺旋轴直径为90 mm输送机的数值大于螺旋轴直径110 mm的输送机的数值；对于填充率，螺旋轴直径 110mm的输送机的数值大于螺旋轴直径为90 mm输送机的数值；对于颗粒在水平面上的运动，螺旋轴直径110 mm的输送机的数值大于螺旋轴直径为90 mm输送机的数值。