激振力偏离质心的振动床面数值模拟与研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202009031 收稿日期 2019-11-14 作者简介 庞锟锋1996, 男, 山东淄博人, 研究方向 矿山机械设计优化, E-mail m18813095286 163. com。 引用格式 庞锟锋, 王新文, 吴世民, 等. 激振力偏离质心的振动床面数值模拟与研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 529 152-156. 激振力偏离质心的振动床面数值模拟与研究 庞锟锋, 王新文, 吴世民, 苏 醒, 孙文鹏, 杨凯琦, 陈宝兴 中国矿业大学北京 化学与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 为了研究直线激振力偏离质心时振动床面的工作状态, 从动力学分析入手, 建立了直 线激振力偏离质心时振动床面的力学模型, 计算了转动角; 结合 EDEM, 模拟了激振力通过质心、 质心前方和质心后方三种情况的振动给料过程, 得出并分析了不同情况对应的物料质量流率和颗粒 对床面的压力。 结果表明 激振力通过质心前方时对比通过质心时, 出料端振幅上升, 物料运行速 度整体加快, 并且床面压力分布更均匀, 对入料端压力减小, 有利于振动给料过程和延长床面寿 命, 与激振力通过质心后方时的情况相反。 关键词 直线激振力; 偏离质心; 振动床面; EDEM 中图分类号 TD45 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202009-0152-05 Numerical simulation and research on vibrating bed with exciting force deviated from the centroid PANG Kun-feng, WANG Xin-wen, WU Shi-min, SU Xing, SUN Wen-peng, YANG Kai-qi, CHEN Bao-xing School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract In order to study the working condition of vibrating bed when the linear exciting force deviates from the centroid, based on dynamic analysis, the mechanical model of the vibrating bed under the condition is established, and the rotation angle is calculated. EDEM is used to simulate the perance of the bed with the exciting force passing through the centroid, the front of the centroid, and the rear of the centroid. The mass flow rate of the material and the pressure of the particles on the bed are obtained and analyzed. The results show that when the exciting force passes through the front of the centroid, the amplitude at the discharge end of the vibrating bed rises, the particles flow faster. In addition, the pressure distribution on the bed is evener, and pressure on the feed end is reduced, which is beneficial to prolong the life of the bed; however, the results are opposite when the exciting force passes behind the centroid. Based on these, it is proposed that the linear exciting force passing through the front of centroid favors the vibration feeding process, which provides a basis for the optimal design of the vibration conveying equipment. Keywords linear exciting force; deviates from the centroid; vibrating bed; EDEM 惯性振动给料机是一种常用于矿山、 港口的散 体物料输送设备, 适用于煤炭、 矿石、 粮食、 化肥 等各种颗粒物料, 具有调整给料量灵活、 给料均匀, 对来料粒度和水分适应能力强等特点, 应用十分广 泛[1-3]。 振动给料机通常使用振动电机自同步反向 旋转为振动床面提供直线激振力, 且合成激振力通 过质心, 此时振动床面的运动是直线平行移动, 床 面各点运动处处相同[4]; 当激振力偏离质心时, 振 动床面的运动则是随质心直线运动和绕质心转动的 复合运动, 床面上各点的振幅和振动方向角均不相 同。 许多学者对直线激振力偏离质心时的振动质体 动力学进行了理论分析, 而对直线激振力偏离质心 时振动设备的实际工作状态研究较少, 王新文[5]推 导了任意点的振幅并发现了此类振动机械的 “近似 不动点”; 王中营等[6,7]建立了三自由度的激振力偏 离质心振动设备的力学模型, 并通过动力学分析得 出任意点运动规律。 为了得到更好的工作效果, 对 不同情况下的振动给料过程进行对比实验研究是有 必要的。 本文通过动力学分析对激振力偏离质心情况下 251 第52卷第9期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 9 万方数据 质心 激振力 的复合运动进行了计算, 用 EDEM 软件模拟了不同 情况下的振动给料过程, 从振动床面颗粒运动速度 和对床面的压力两个方面进行了分析, 对于振动给 料机的优化设计具有重要的意义。 1 力学模型及理论计算 振动床面激振力方向偏离质心时, 振动床面的 运动主要是随质心平动和绕质心转动的复合运动, 在这种情况下, 在沿物料运动的方向振动床面的振 幅和振动方向角处处不相同, 针对激振力偏离质心 的情况建立力学模型, 如图 1 所示。 振动给料机工 作在远共振区, 阻尼力弹性力相比激振力非常小, 因此忽略阻尼力和弹性力, 建立振动床面运动的平 衡微分方程[8]。 图 1 激振力偏离质心振动床面力学模型 MY e ∑mω2rsinωt X e 0 Jφ e l e∑mω 2rsinωt 1 式中, Ye, Xe为质心处位移; φe为机体绕质心 的摆角, 逆时针方向为正; J 为转动惯量; M 为参 振质量; mr 为振动电机偏心质量矩; le为激振力偏 离质心的距离。 设解为 Ye A esinωt Xe 0 φe φsinωt , 容易解得 Ae- ∑mr M φ - le∑mr J 2 即 Ye- ∑mr M sinωt φe- le∑mr J sinωt 3 式中, Ae为质心处振幅, mm; φ 为转动角幅 值, rad。 以 Lddf2334 振 动 给 料 机 为 研 究 对 象, 由 Solidworks 得出其设计振动参数见表 1。 表 1 Lddf2334 振动给料机参数 参数数值 安装倾角/ 10 振动方向角/ 30 振动频率/ Hz16 振幅 Ae/ mm34 参振质量 M/ kg3840 转动惯量 J/ kgmm22. 37109 激振力偏离质心距离 le/ mm100 根据式2计算可得, 振幅 Ae 3mm 时, 给料 机绕质心的转动角幅值约为 4. 8510 -4 rad。 2 EDEM 仿真模拟 2. 1 仿真模拟参数设置 EDEM 是一款应用离散元模型用来模拟和分析 颗粒处理和生产操作的通用 CAE 软件, 通过模拟散 状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征, 方便 设计研究人员对颗粒物料运动的研究并对散体处理 设备进行设计优化, 在矿业工程、 机械工程等领域 得到了广泛的应用[9,10]。 其主要由 Creator、 Simulator 和 Analyst 三部分组成, Creator 用于设置模拟的基本 参数, 包括 Globals、 Particles、 Geometry 和 Factory 参数; Simulator 用 于 仿 真 参 数 的 设 置 和 计 算; Analyst 有丰富的工具用于颗粒和几何体的观察和 分析[11]。 1 Globals 全局参数设置。 接触模型设置为 Hertz-Mindlinno ship模型[12], 重力加速度设置为 Z-9. 81m/ s2, 材料包括煤和钢两种, 参数的设置 根据相关论文和资料确定[13-15], 材料参数见表 2。 表 2 EDEM 材料参数设置 材料 泊松 比 剪切 模量 / Pa 密度/ kgm -3 碰撞 恢复 系数 静摩 擦系 数 滚动 摩擦 系数 煤0. 361. 01091300 钢0. 37. 910107850 煤对煤0. 50. 60. 05 煤对钢0. 50. 40. 05 2 Particles 参数设置。 振动给料机适用场合 多, 给料粒度很宽。 此次实验定义基础颗粒为半径 351 2020 年第 9 期 煤 炭 工 程 研究探讨 万方数据 ∥ ㈣ 稳定给给料结’l 料阶段 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O O 一_∽-暑喜斟煺删嗤 1 ，6L ，J 4 搁 ，j2O 5mm, 方差 0. 05 的正态分布球形颗粒, 主要模拟了 粒度接近的块状物料群运动行为。 3 Geometry 参数设置。 给料系统如图 2 所示, 由于模拟振动给料系统尺寸增大, 所需颗粒数量和 计算量也成倍增加, 为了便于计算, 将给料系统缩 小简化, 并将振动给料机简化为 200mm500mm 的 振动床面, 其中床面宽度对于实验结果的横向对比 影响较小, 而床面长度主要影响颗粒在床面上的运 动时间, 在模拟计算中发现稳定给料过程中, 颗粒 运动平均速度为 0. 25 0. 32m/ s, 将床面设置为 500mm 足够颗粒在床面运动 1. 52s, 进行 20 次以 上抛掷运动, 因此认为对于振动给料过程有代表性。 床面底板划分为振动床面的 5 个区域, 如图 3 所示。 给料机质心为160, -30, 在 EDEM 中对各个部件 的运动进行设置, 其中对振动床面设置两项运动 ①随质心的平动, 频率设置为 16Hz, 振动方向角设 置为 30, 振幅为 3mm; ②绕质心的转动, 频率设 置为 16Hz, 转动中心设置为质心且随质体的运动而 移动, 转动角作为实验变量。 图 2 振动给料系统 图 3 振动床面模型mm 4 Factory 参数设置。 定义颗粒工厂为 dynamic, 共生成物料 5kg, 在颗粒工厂中随机位置生成。 5 Simulator 仿真参数设置。 Fixed Time Step 设 置为推荐步长 20, Grid Size 设置 23Rmin 以保证 仿真计算的精确[16]。 2. 2 实验设计 实验使用振动床面长度较短, 床面转动角 φ 较 小时对振幅影响相对较小, 经过多次模拟实验, 设 置激振力通过质心时 φ 0, 激振力偏离质心程度较 小时 φ1. 4510 -3 rad, 较大时 φ 2. 910 -3 rad。 根 据式3, 设置 Ae 3mm, 当激振力通过质心前方 时, le0, 应设置转动幅值为φ; 激振力通过后方 时, 转动幅值为-φ。 设距离为 l 时, 振动床面摆幅 为 1. 4510 -3 rad, 则 5 组实验参数设置见表 3。 表 3 实验变量参数设置 试验编号距离 le/ mm转动角幅值 φ/ rad 1 -2l -2. 910 -3 2 -l -1. 4510 -3 300 4l1. 4510 -3 52l2. 910 -3 由于料仓物料运动和物料压力对振动床面颗粒 运动和压力分布均有很大影响, 为了着重研究激振 力位置对于振动床面给料过程的影响, 本次实验设 计为在料仓中生成足够物料后将闸门打开至同一开 度, 取实验过程中最稳定的给料阶段作为数据来源, 使每次实验的入料情况一致, 避免料仓中物料量和 物料压力对给料过程的影响。 2. 3 仿真结果 实验设置从第 0s 开始生成物料, 在 0. 25s 时, 物料落满料仓并将闸板打开至同一开度, 为了能够 清楚地探究整个给料过程, 通过 Analyst 模块在振动 床面设置质量流率传感器, 得到每个时间步长中质 量流率的变化[17], 选取实验3 中 φ0 时的质量流率 随时间变化的数据绘制图像, 如图 4 所示, 0. 25s 时, 物料在重力作用下进入振动床面, 约 35. 5s 为 稳定给料阶段, 质量流率曲线变化平稳, 6s 以后物 料量逐渐减少至 0, 给料结束。 图 4 时间质量流率变化情况 3 激振力偏离质心对物料速度的影响 通过对 5 组实验中质量流率随时间的变化曲线 的分析, 振动床面的周期性运动使得质量流率也随 时间呈周期性变化, 取稳定给料阶段的质量流率平 451 研究探讨 煤 炭 工 程 2020 年第 9 期 万方数据 位置I m m 一．_s鲁一＼赵趟Q蜊实 均值作为质量流率的指标值, 转动角-质量流率曲线 如图 5 所示。 从图 5 可知, 随着转动角的变化振动 床面的质量流率明显增加。 φ 2. 910 -3 rad 时, 质 量流率最大, 此时, 激振力通过质心前方, 平动和 转动的复合运动使得床面入料端振幅小, 出料端振 幅大, 出料端振幅增加使得振动床面整体的质量流 率增加; 与之相反, φ-2. 910 -3 rad 时, 振动床面 入料端振幅大, 出料端振幅小, 振动床面的质量流 率最小。 由此可得, 随激振力位置的前移, 出料端 振幅上升, 质量流率相应增大。 图 5 转动角质量流率变化情况 为了进一步探究激振力偏离质心对颗粒运行速 度的影响, 对床面各个位置的颗粒速度进行分析, 分别在床面的入料端x 100mm、 中间位置x 270mm 和出料端 x 440mm 设置三个长度为 100mm 的 Grid Bin Group, 用于监控内部颗粒流速, 取稳定给料阶段的颗粒速度的平均值, 绘制床面位 置-物料速度曲线如图 6 所示。 图 6 床面位置-物料速度曲线 由图 6 可知, 颗粒在振动床面上沿料流方向的 运动速度变化不断加快, 在实验 1 和 2 中, 出料端 振幅下降, 颗粒速度在中间位置出现了下降的趋势, 表明出料端振幅降低不仅影响了出料端物料运动速 度, 同时还严重影响了后方物料的运动速度, 造成 了局部物料的 “囤积”; 而随着 φ 值增大, 试验5 中 速度沿床面位置几乎线性增加, 表明出料端的振幅 上升使物料运动速度加快, 而入料端振幅降低对床 面物料运动速度的影响不明显, 床面物料运动速度 整体上升。 因此, 对于直线激振力振动输送设备的 设计, 激振力向质心前方偏离有利于增加设备的处 理量。 4 激振力偏离质心对床面压力的影响 为了研究不同情况下床面压力的变化情况, 将 振动床面分为 5 个相等的长度为 100mm 的区域, 导 出每个区域稳定给料阶段的压力, 取平均值绘制床 面位置-床面压力曲线, 如图 7 所示, 实验 3 中, φ0, 振动床面振幅处处相同, 随着床面位置到入 料端的距离增加, 物料层厚度减小, 床面压力随之 减小。 图 7 床面位置床面压力曲线 当转动角较小时, 取实验 2、 3、 4 的压力分布 曲线分析, 实验 3 转动角为 0, 其压力随着到入料端 的距离增加而减小; 实验 2 中, 激振力通过后方, 入料端振幅大, 床面压力随距离的变化率变大, 入 料端压力显著增大, 而出料端压力略微减小; 反之, 实验 4 中, 激振力通过前方, 出料端振幅大, 则床 面压力随距离变化率小, 床面整体压力小且分布更 加平均。 转动角较大时, 实验 5 整体床面压力最小, 由 于其出料端振幅大, 物料流速快、 料层薄, 其区域 Ⅳ和区域Ⅴ的压力远小于其他 4 组实验; 而实验 1 中, 压力分布则出现了区域Ⅲ压力大于区域Ⅱ压力 的现象, 这是因为其入料端振幅大物料流速大, 而 出料端振幅小物料流速小而造成床面中间部分出现 “堵料” 的问题, 而其床面压力分布极不平均, 入 料端压力比大, 出料端压力小, 不利于振动给料机 的工作。 5 结 论 通过对直线激振力通过质心、 质心前方和质心 后方三种情况下的振动给料过程模拟, 对比分析了 551 2020 年第 9 期 煤 炭 工 程 研究探讨 万方数据 三种情况下的物料运行速度和床面压力, 结果表明 1 当闸门开度一定、 振幅和其他振动参数相同 时, 激振力通过质心前方能够使床面出料端的振幅 上升, 床面上物料运行速度加快, 质量流率增加, 能够有效地提高振动输送机械的处理量。 2 随着激振力位置从后到前, 床面整体压力减 小, 床面的压力分布更均匀, 在床面压力最大的入 料端压力明显减小, 避免床面入料端受到压力过大, 延长了设备的使用寿命。 本文对直线激振力偏离质心的情况进行了定性 分析, 但是对入料粒度组成等性质考虑较少, 在实 验因素的定量分析以及模拟物料性质影响的方面还 有待进一步的研究。 参考文献 [1] 闻邦椿. 振动机械的理论与动态设计方法 [M].北京 机 械工业出版社, 2002. 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