Wear Analysis on the Conveyor Head Based on the Discrete Element Method

◎?qū)O慧男，楊軍偉，張俊嶺，譚保輝（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南　鄭州　450053）

基于離散單元法的帶式輸送機(jī)頭罩磨損分析

Wear Analysis on the Conveyor Head Based on the Discrete Element Method

◎?qū)O慧男，楊軍偉，張俊嶺，譚保輝
（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南鄭州450053）

Sun Huinan，Yang Junwei，Zhang Junling，Tan Baohui
（COFCO Engineering&Technology（Zhengzhou）CO., Ltd.，Zhengzhou 450053, China）

摘要：本文基于離散單元法對(duì)自行設(shè)計(jì)的小型皮帶機(jī)頭罩磨損進(jìn)行分析，介紹了離散單元法及Archard磨損模型，依據(jù)該模型利用EDEM軟件對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行模擬仿真，得出磨損量隨頭輪軸線與頭罩距離變大而減小的結(jié)論.

關(guān)鍵詞：離散單元法；帶式輸送機(jī)；磨損

Abstract：Based on the discrete element method, the paper analyzes the wear of conveyor head which is self-designed, introduces the discrete element method and the Archard wear cal?culation model, and simulates the different model of distance between head wheel and head by EDEM software, concludes the force become small when the distance is lager.

Key words：the discrete element method；conveyor；wear

1　引言

磨損對(duì)研究機(jī)械設(shè)備的可靠性尤為重要，以往機(jī)械設(shè)備的磨損是經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)或是經(jīng)驗(yàn)得到，但試驗(yàn)耗時(shí)耗力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有不可復(fù)制性，并很難得到精準(zhǔn)數(shù)據(jù).隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，人們借助據(jù)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)輔助分析，預(yù)測(cè)機(jī)械零件的磨損情況，從而優(yōu)化機(jī)械設(shè)備，提高設(shè)備可靠性、延長(zhǎng)使用壽命.

帶式輸送機(jī)是糧食儲(chǔ)運(yùn)中的關(guān)鍵設(shè)備，隨著機(jī)械自動(dòng)化程度的提高，其廣泛應(yīng)用于淺圓倉(cāng)的進(jìn)糧過(guò)程，在此過(guò)程中糧食的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)法可視化，設(shè)備的磨損情況也無(wú)法預(yù)知，通常只是在設(shè)備使用過(guò)后，

查看磨損情況.本文以試驗(yàn)用帶式輸送機(jī)的頭罩為例，采用一種新方法——離散單元法，對(duì)皮帶機(jī)頭罩進(jìn)行定性的磨損分析.利用離散元軟件EDEM對(duì)輸送機(jī)輸送過(guò)程仿真，將輸送機(jī)內(nèi)糧食運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視化，設(shè)備的磨損情況直觀化，這將為以后的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，從而預(yù)測(cè)機(jī)械設(shè)備的磨損情況.

2　離散單元法理論及Archard磨損模型

離散單元法在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展迅速.其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，現(xiàn)已應(yīng)用在礦業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域.其基本原理是將研究對(duì)象劃分為相互獨(dú)立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓第二定律，采用動(dòng)態(tài)松弛迭代法或動(dòng)態(tài)松弛迭代法進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，確定在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)所有單元受力及位移，并更新所有單元的位置.通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的微觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤計(jì)算，從而得到整個(gè)研究對(duì)象的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1].

接觸模型是離散單元法的重要基礎(chǔ)，對(duì)不同工況，需要建立不同的接觸模型.對(duì)于磨損計(jì)算，本文選擇Archard磨損模型[2].Archard理論磨損模型中，一對(duì)半徑相同的半球形峰元接觸時(shí)，其中一個(gè)峰元在塑性變形后的接觸面積為δA，則：

式中：δA——兩對(duì)峰元塑性變形后的接觸面積；

r——接觸面積半徑

FN——兩對(duì)峰元所受法向載荷；H——材料弱的峰元硬度.

模型中假設(shè)一次滑動(dòng)的結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)磨損體積為δV的顆粒.經(jīng)物理實(shí)驗(yàn)得出，磨損顆粒的形狀是等軸的，則半球峰元的磨損體積為：

當(dāng)兩峰元摩擦持續(xù)時(shí)，設(shè)最長(zhǎng)滑動(dòng)行程為δL：

則體積磨損率為：

則整個(gè)接觸平面的體積磨損率RV：

式中：K1——修正系數(shù)；

平面的磨損體積V為：

式中：V——平面的磨損體積；

K——磨損系數(shù)；L——滑動(dòng)行程.

從式（7）中可以看出，磨損量與平面所受法向載荷、滑動(dòng)行程成正比，與硬度成反比[3].本文將利用Archard模型中法向載荷與磨損量成正比的關(guān)系，分析頭輪軸線距離與頭罩的水平距離對(duì)磨損的影響.

3　數(shù)值模擬仿真分析

3.1 EDEM模擬仿真

EDEM軟件是一款可視化程度高的離散元軟件，本文將利用該軟件對(duì)皮帶機(jī)頭罩的磨損進(jìn)行分析.選擇大豆為物料顆粒，大豆顆粒的材料特性及其與輸送機(jī)部件的接觸特性參數(shù)見(jiàn)表1[4-6].

表1　物理特性與接觸特性參數(shù)表

大豆顆粒之間的接觸模型選擇Hertz-Minlin模型，顆粒與幾何模型之間的接觸模型選擇Hertz-Minlin with Archard Wear模型.建立大豆顆粒模型如圖1所示，生成顆粒工廠，將頭輪軸線與頭罩的水平距離為450 mm三維模型輸入到EDEM軟件中，設(shè)置輸送機(jī)帶速為3 m/s.設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%進(jìn)行計(jì)算，仿真過(guò)程如圖2所示.按此方法將頭輪軸線與頭罩的水平距離為470 mm、490 mm的三維模型進(jìn)行模擬仿真.

圖1　大豆顆粒模型圖

圖2　仿真過(guò)程圖

3.2結(jié)果分析3.2.1仿真結(jié)果

將仿真結(jié)果在EDEM中進(jìn)行后處理，將頭輪軸線與頭罩間距離為450 mm、470 mm、490 mm的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，頭罩所受法向累計(jì)力分別為9.95×104N、9.93×104N、9.88×104N，頭罩所受法向累計(jì)力隨著頭輪軸線與頭罩距離的增大而減小，如圖3所示.但該距離的增大會(huì)影響到溜管的磨損量.當(dāng)頭輪軸線與頭罩間距離為450 mm、470 mm、490 mm時(shí)，溜管所受法向累積力分別為2.55×105N、2.58×105N和2.60×105N，即溜管磨損量隨二者距離的增大而增大，如圖4所示.

圖3　不同間距頭罩所受法向累計(jì)力結(jié)果對(duì)比圖

圖4　不同間距溜管所受法向累計(jì)力結(jié)果對(duì)比圖

3.2.2結(jié)果分析

顆粒物料以初速度為0在顆粒工廠生成，速度逐漸增至與皮帶機(jī)帶速相同.當(dāng)物料從皮帶機(jī)以V0的速度拋出后，設(shè)物料在距離頭輪軸線450 mm、470 mm、490 mm處的速度分別為V1、V2、V3如圖5所示.

圖5　結(jié)果分析圖

由能量守恒可知，在物料顆粒做拋物線運(yùn)動(dòng)時(shí)勢(shì)能的減少轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的增加，則有V3>V2>V1.設(shè)物料與頭罩碰撞時(shí)的入射角為θ，隨著皮帶機(jī)頭輪軸線與頭罩的距離增大而增大，即θ3>θ2>θ1.從仿真結(jié)果可以看出在物料拋落的過(guò)程中，法向載荷累積力隨著入射角的增大而減小，而并未隨速度的增大而增大.

4　總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)皮帶機(jī)頭輪軸線與頭罩距離不同的模型進(jìn)行EDEM模擬仿真，得出磨損量與距離的變化關(guān)系，即頭罩磨損量隨頭輪軸線與頭罩距離增大而減小.仿真過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)皮帶機(jī)頭罩磨損量變小時(shí)，溜管的磨損量將增大，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)二者均衡考慮.本文只針對(duì)自行設(shè)計(jì)的小型帶式皮帶機(jī)進(jìn)行模擬仿真，從而分析大豆物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)頭罩的磨損情況，嘗試?yán)眯碌姆椒▉?lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題，為糧食機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一種新的理論指導(dǎo)方法，從而提高技術(shù)裝備水平.后續(xù)將對(duì)仿真結(jié)果做進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證，從而證明離散單元法的實(shí)用性、可行性.

參考文獻(xiàn)：

[1]胡國(guó)明.顆粒系統(tǒng)的離散元素分析方法仿真—離散元素發(fā)的工業(yè)應(yīng)用與EDEM軟件簡(jiǎn)介[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.7

[2]J.F.Archurd，Contact and Rubbing of Flat Surface，J.Appl.Phys.，Vol.24，No.8，1953

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[6]郭麗峰.立式圓盤(pán)大豆排種器型孔優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

作者簡(jiǎn)介：孫慧男（1985-），女，碩士，助理工程師；專業(yè)方向?yàn)榧Z食儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)與裝備研發(fā)

收稿日期：2015-05-18

中圖分類(lèi)號(hào)：S229＋.1