料斗集沙过程与主要参数的离散元仿真研究_郝腾达.pdf

ISSN 1008-9446CN13-1265/TE承 德 石 油 高 等 专 科 学 校 学 报Journal of Chengde Petroleum College第 25 卷第 2 期,2023 年 4 月Vol.25,No.2,Apr.2023料斗集沙过程与主要参数的离散元仿真研究郝腾达a,高占凤b,郑明军a,吴文江c(石家庄铁道大学a.机械工程学院;b.工程训练中心;c.教务处,河北石家庄 050043)摘要:为了探究料斗与沙粒作用特性及转速、斗张角和除沙深度等主要参数对集沙量的影响,借助离散元法,在 EDEM 软件中创建料斗沙粒的离散元模型,对料斗集沙过程沙粒的运动特性进行仿真分析,阐述了料斗除沙过程的形成机理,为料斗强度提供了校核依据,并使用单一因素法对料斗的主要集沙参数进行探究。仿真结果表明料斗转速、斗张角和除沙深度对料斗集沙量有明显影响。当料斗转速为 25 r/min、斗张角 120和除沙深度 110 mm 时,料斗集沙量达到最大。研究结果对提高料斗的除沙效率具有实际意义,为后续集沙装置优化设计提供一定参考基础。关键词:料斗;离散元;除沙车;EDEM中图分类号:TH225文献标志码:A文章编号:1008-9446(2023)02-0057-06Discrete Element Simulation Study of Sand Collection Process andMain Parameters of HopperHAO Teng-daa,GAO Zhan-fengb,ZHENG Ming-juna,WU Wen-jiangc(a.School of Mechanical Engineering;b.Engineering Training Center;c.Office of Academic Affairs,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei,China)Abstract:In order to explore the effect of interactive characteristics of hopper,sand particles andinfluence of main parameters such as speed,opening angle of the bucket and depth of sand removalon the amount of sand collection,using the discrete element method,a hopper-sand discrete elementmodel is created in EDEM software,movement characteristics of sand process for hopper set is ana-lyzed in the simulation,and the hopper load resistance figure is obtained.This paper expounds theformation mechanism of hopper bed cleaning process,and provides check basis for hopper strength,besides,the main sand collection parameters of the hopper is explored by using single factor method.Studies show that hopper speed bucket angle and depth of hopper bed cleaning set have significanteffects on the sediment.When the hopper speed reaches 25 r/min,the bucket angle is 120and bedcleaning depth is 110 mm,the sand hopper sets maximum amount.The study results have practicalsignificance for improving bed cleaning efficiency of hopper,and provide a certain reference basis foroptimization of subsequent sand device design.Key words:hopper;discrete element;sand truck;EDEM基金项目:河北省自然科学基金(基于 DEM 的机械结构与低粘结度沙土相互作用机理研究):E2017210166收稿日期:2021-12-07第一作者简介:郝腾达(1997-),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事机械设计及理论研究,E-mail:243594432 。伴随着我国铁路事业的蓬勃发展,铁路线的分布范围也愈发广泛,其中不乏涉及到条件恶劣的铁路线,比如风沙频繁的西北地区等,常年的风沙使当地铁路线埋没沙土中,以致列车难以顺利通行。为了解决上述问题,石家庄铁道大学研制出料斗式除沙车,是用于清理轨道积沙的的一种铁路维护设备。为了使集沙料斗具备良好的除沙效果,探究料斗除沙机理效应,对作业过程中料斗沙粒作用的分析必不DOI:10.13377/ki.jcpc.2023.02.016承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 2 期可少。由于沙粒的运动具有随机性,发散性等特点,传统的研究方法很难对沙粒的运动特性进行准确地分析,离散元法成为了探究料斗除沙运动的运动机理的主要手段,它是一种研究散体和机械相互接触的有效方法,EDEM 软件是应用离散元技术来模拟研究颗粒物料系统的 CAE 软件1-2。当前,我国已有学者使用离散元法分析了沙粒与机械之间的作用,如文献3等分析了不同集沙铲转速下沙粒能量的分布规律和不同集沙铲半径的受力情况;文献4等分析了沙粒在除沙车内的数值规律及最佳除沙性能,证明了除沙过程离散元仿真可行性。本文采用离散元法对料斗除沙运动的运动机理进行探究。本文以离散元法为基础,对料斗的集沙过程进行 DEM 仿真分析,探究沙粒的运动特性,了解沙粒与料斗的作用机理。分析比较料斗在不同转速、斗张角和除沙深度对集沙量的影响,选取最佳的工况参数以实现料斗集沙量的最大装载量。1离散元法理论颗粒离散元法是一种求解与分析离散颗粒系统动力学问题的数值计算方法5,在每步时长内,离散元法能根据各单元之间所选取接触模型的接触作用和牛顿第二定律,利用相关迭代方法计算出各个单元的受力和位移等状态,并对所有颗粒单位位置进行更新,从而得知整体的宏观运动规律。牛顿第二定律主要计算颗粒的位移、速度和加速度等,通过位移-力的关系能够从颗粒的位移得知颗粒单元受到的作用力,颗粒 i 的位移可由牛顿第二定律得出,然后计算出颗粒 i 受力情况。其求解计算原理如图 1 所示。颗粒接触模型能很好地反映颗粒的运动状态,选取合适的接触模型至关重要,是离散元法计算颗粒间位移和作用力的基础。由于铁路上的沙粒的黏连性不强,每个沙粒都具有独立性且沙粒之间的接触都是弹性碰撞,而 Hertz-Mindlin(no slip)接触模型具备高效运行效率、精准计算能力和弹性碰撞等特性,所以本文选用 Hertz-Mindlin(no slip)接触模型在离散元中进行运动分析,Hertz-Mindlin(no slip)接触模型示意图如图 2 所示。其中,R1 和 R2,Z1 和 Z2 分别为两颗粒的尺寸半径和接触半径,为接触圆半径,为接触变形量。其法向接触力为:Fn=kn3/2n+cnn(1)其切向接触力为:F=min-S-256SmFn|(2)式中,kn为法向刚度;n为法向重叠量;n为法向相对速度影响因子;cn是法向阻尼系数;S为切向刚度;为切向重叠量;为切向相对速度;是滑动摩擦系数。2集沙机构与仿真模型的建立2.1除沙车集沙原理与模型简化料斗式轨道除沙车主要由支撑装置、集沙装置、排沙装置、连接装置、驱动装置和行走装置组成,整85郝腾达,等:料斗集沙过程与主要参数的离散元仿真研究体结构如图 3 所示。集沙装置为主要部件,它由多个料斗和回转支承组成。集沙时,回转支承内圈固定在支撑装置上,外圈带动料斗进行转动,料斗通过旋转使自身与沙粒发生剪切作用进行铲沙运动,起到集沙目的。排沙装置是借助输送带把沙粒排出轨道外,支承装置用来固定集排沙装置,保证稳定工作,连接装置用来连接集排沙装置和驱动装置,驱动装置采用液压驱动方式驱使除沙车前进,行走装置是对底盘通过安装履带方式使除沙车能顺利移动。在 EDEM 中,需要创建沙粒与集沙部件模型进行集沙模拟仿真,为了缩减计算时间,对集沙装置仿真模型进行简化处理,只保留单个料斗和回转支承;单轨两侧均设有道钉,据测量道钉顶部距轨面的距离最小值为 75 mm,在轨面和道钉留有一定间隙的情况下,允许料斗清理的轨面以下深度最大可达70 mm,仿真模型如图 4 所示。2.2仿真运动定义2.2.1定义仿真参数风沙地区沙粒大小主要由 0.1 0.5 mm 中细沙组成,如果按照实际颗粒进行仿真会大大降低工作效率,基于现有工作站配置,使用粒径为 6 mm 的球形颗粒进行仿真。在进行模拟仿真之前,需要对沙粒与料斗的材料参数及接触参数进行正确标定,以确保其仿真时真实性。为了创建合适的风沙地区沙粒模型,采用实验安息角和模型安息角相结合的方法对标定参数加以验证,在 Fielke 建立的沙质土壤模型6基础上对沙土进行实验和模型标定,如图 5 所示。经测量,颗粒安息角为 34(2),实验安息角和模拟安息角吻合,可用于离散元仿真,通过实验和虚拟标定确定颗粒和几何体的物理参数如表 1 所示,颗粒与几何体之间的接触参数如表 2 所示。表 1沙粒与料斗材料性能属性材料泊松比剪切模量/(108Pa)密度/(kgm-3)沙粒0.31.02 650料斗0.37007 800表 2沙粒与料斗接触参数材料静摩擦因数滚动摩擦因数恢复系数沙粒沙粒0.530.080.6料斗沙粒0.450.050.695承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 2 期2.2.2定义颗粒工厂由于生成的沙粒道床比较大,所以本文先生成缩小整数倍的小型沙粒床,小型沙粒床大小为原颗粒床的十分之一,在利用 EDEM2018 的快速填充效果生成仿真颗粒道床;设定产生沙粒 2 kg,生成速率4 kg/s;时间步长过大会导致运动失真,过小则会增加计算量,设置时间步长为 Rayleigh 时间的 25%;网格大小划分为最小颗粒半径 3 倍;仿真总时间设置为 1 s。2.2.3定义运动属性仿真前需对模型添加运动属性,由于料斗做旋转运动,赋予料斗线性转动(Linear Rotation)属性,其大小为现有料斗式除沙车料斗转速 20 r/min。3仿真结果与分析沙粒运动特性分析是计算集沙阻力的前提,沙粒运动特性分析能探究沙粒与料斗的作用机理,了解料斗集沙的过程,为研究料斗集沙量奠定一定基础。根据沙粒模型的运动状态可得知沙粒对料斗产生的集沙阻力。沙粒运动特性如图 6 所示,以现有料斗转速 20 r/min 为例,选取 0.1、0.25、0.5、0.8 s 时间节点的仿真图进行观察与分析,其中红色速度最大,蓝色速度最小。由图 6 可知,除沙料斗下部的沙粒受到的干扰比较小,沙粒颜色基本无变化呈速度最小的蓝色状态,扰动沙粒大多集中在料斗周围,并且随着旋转角度的增加,除沙料斗的受力逐渐增大。料斗在铲入沙粒堆时,沙粒堆积面受到一个剪切作用,使得与料斗前板直接接触的沙粒所受扰动较大,出现个别红色颗粒,速度最大为 2.166 7 m/s,由于沙粒之间的挤压运动使得与底部接触的沙粒也处于加速状态;随着料斗的继续转动,料斗更加深入沙粒堆,料斗周围沙粒受力有所增加,这是由于沙粒沿着剪切方向移动挤压沙粒导致的,沙粒缓缓被铲入料斗内,与料斗接触的大部分沙粒在料斗内跟随料斗运动,与料斗接触的小部分沙粒在料斗剪切作用下堆积成龚;料斗绕离沙粒龚时,料斗运动从水平剪切过渡到向上提升过程,料斗内的沙粒由于惯性作用仍具备水平速度,因此出现了沙粒前扬出料斗的现象,剩余沙粒具有稳定速度多为绿色沙粒,最后跟随料斗完成旋转运动。4不同工况参数对集沙量影响分析集沙量是料斗作业的一个重要指标,集沙量的多少直接影响着除沙车的工作效率。影响集沙量因素有很多,本文采取控制变量方法,探究料斗转速、张角和除沙深度对集沙量影响。其中,对除沙料斗弯折的斗张角进行测量,经测量料斗张角为 128,在现有料斗张角的基础上设计不同张角方案,料斗张角06郝腾达,等:料斗集沙过程与主要参数的离散元仿真研究过小,会导致料斗与沙粒很难进行切割作用,影响集沙效果;料斗张角过大,则会在集沙过程中使大量沙粒流出斗外。经不同张角料斗与沙粒的多次模拟仿真分析,最终选取料斗张角 120、128和 136作为模拟方案。现有除沙车的料斗转速为 20 r/min,在现有料斗转速的基础上设计不同转速方案,料斗转速过大,会导致沙粒由于惯性作用甩出斗外,且料斗与沙粒产生较大作用力;料斗转速过小会降低料斗的集沙效率。经不同转速料斗与沙粒的多次模拟仿真分析,最终确定料斗转速为 15、20 和 25 r/min 三种模拟方案。根据所测量的道钉与轨面之间距离,料斗可达到轨面以下 70 mm 位置处,受风沙灾害影响,轨面以上往往也会堆积大量沙粒,考虑沙粒堆积高度的不同情况,选取除沙深度的方案分别为 70、90 和110 mm。4.1料斗转速影响分析研究料斗转速对集沙量影响时,选取斗张角 128,除沙深度 70 mm,建立相应仿真模型进行单一因素设计,分别选取料斗转速 15、20 和 25 r/min 进行分析,建立上述不同参数的集沙模型,进行集沙实验,20 r/min 料斗模型的除沙量如图 7 所示,其它料斗转速同理,不同转速的料斗模型除沙量如表 3 所示。表 3不同转速料斗除沙量料斗转速/(rmin-1)152025除沙量/kg19.373 122.510 224.598 2由表 3 可知,不同转速料斗模型得到的除沙量不相同,转速越大,除沙量就越多,25 r/min 除沙量最大,相比较除沙量最小的 15 r/min 的料斗增多了 26.9%,从除沙量方面考虑,可选取除沙量较大的25 r/min 料斗模型。4.2料斗张角影响分析研究料斗张角对集沙量影响时,选取斗转速 20 r/min,除沙深度 70 mm,建立相应仿真模型进行单一因素设计,分别选取料斗张角 120、128和 136进行分析,建立上述不同参数的集沙模型,进行集沙实验,120料斗模型的除沙量如图 8 所示,其它料斗张角同理,不同斗张角的料斗模型除沙量如表 4 所示。表 4不同斗张角料斗除沙量料斗张角/()120128136除沙量/kg25.766 522.510 218.556 4由表 4 可知,不同斗张角的料斗模型得到的除沙量也不相同,斗张角越大,除沙量就越少,120张角时除沙量最大,相比较除沙量最小的斗张角 136的料斗增多了 38.9%,从除沙量方面考虑,可选取除沙量较大的斗张角为 120的料斗模型。4.3除沙深度影响分析研究除沙深度对集沙量影响时,选取斗转速 20 r/min,斗张角 128,建立相应仿真模型进行单一因素设计,分别选取除沙深度 70、90 和 110 mm 进行分析,建立上述不同参数的集沙模型,进行集沙实验,90 mm 料斗模型的除沙量如图 9 所示,其它料斗除沙深度同理,不同除沙深度的料斗模型除沙量如表 5所示。由表 5 可知,不同除沙深度的料斗模型得到的除沙量也不相同,除沙深度越深,除沙量就越多,110 mm16承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 2 期表 5 不同除沙深度的料斗除沙量除沙深度/mm7090110除沙量/kg22.510 231.808 341.430 4深度时除沙量最大,相比较除沙量最小的 70 mm 深度的料斗增多了 84.1%,从除沙量方面考虑,可选取除沙量较大的 110 mm 深度的料斗模型。5结论针对自主研制料斗式除沙车和风沙地区作业环境,建立了集沙料斗沙粒的离散元仿真模型,利用 EDEM 软件,对主要部位集沙料斗进行了仿真研究,得出以下结论:1)探究了料斗在装铲的不同时刻沙粒的运动特性,表明了料斗集沙机理。其中,料斗边缘沙粒速度最大,该处沙粒易对料斗产生较大装载阻力,沿着料斗内侧方向,沙粒速度逐渐减小,冲击力也随之变小,为除沙车料斗设计和强度校核提供了重要依据。2)使用控制变量法分析了料斗在不同转速、斗张角和除沙深度的集沙量。得出料 斗转速为25 r/min、斗张角 120和除沙深度 110 mm 时,料斗集沙量达到最优,为料斗进一步改良提供理论优化。参考文献:1胡国明.颗粒系统的离散元素分析仿真M.武汉:武汉理工大学出版社,2010.2孙其诚.颗粒物质力学导论M.北京:科学出版社,2009.3胡庆江.轨道除沙装置关键部件的结构分析及优化D.石家庄:石家庄铁道大学,2018.4郑明军,杨摄,吴文江,等.铁路轨道除沙车抛沙板参数优化J.工程设计学报,2020,27(1):87-93.5潘成杰.基于离散元法的煤炭运矿车强度计算J.煤炭工程,2016,48(6):139-141.6Fielke,J M.Finite Element Modeling of the Interaction of the Cutting Edge of Tillage Implements with SoilJ.Agric.Eng.Res.,1999,74(1):91-101.(上接第 38 页)是改善开发效果的关键因素。南堡 2 号潜山合理注入方式为气水交替驱,合理注入参数为气水比 1 1。3)矿场实验揭示,当出现气窜迹象时,采用多段塞小剂量气水交替注入可有效防止气窜,提高采收率。参考文献:1赫恩杰,蒋明,许爱云,等.任 11 井山头注氮气可行性研究J.新疆石油地质,2003,24(4):325-328.2胡庆明.辽河油田注氮气开采技术研究D.大庆:大庆石油学院,2008.3杜殿发,郭青,王青,等.特稠油油藏注氮气可行性分析J.石油钻采工艺,2008,30(6):75-79.4刘艳波.氮气在乐安稠油油田开采中的应用J.石油钻采工艺,2004,26(3):69-71.5陈云峰,马桂芝,白冰,等.柳北中低渗透油藏氮气驱物理模拟实验研究J.石油地质与工程,2013,27(4):118-120.6刘丹江,兰朝利,于忠良,等.南堡滩海潜山油藏储集空间类型厘定J.西安石油大学学报(自然科学版),2012,27(6):25-30.7左青山,温鸿滨,芦维国,等.断块油田不同方式注氮气的研究与实践J.钻采工艺,2007,30(5):42-43.26