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原始研究报告
改形螺旋输送器-搅拌机 离散元建模方法
Lato Pezo , Aca Jovanovicacute; , Milada Pezo , , Radmilo Cˇolovicacute; , Biljana Loncˇar
关键词：
DEM；改形螺旋输送机；预混；混合质量
摘要：
输送机广泛应用于食品工业，建筑和采矿公司，化工、农业和加工工业，主要用于中短距离对散装物料的提升或运输，虽然他们看起来简单，但是对其运输参数的改进仍是一项艰巨的任务，设计师通常不得不依赖于实验所获得的数据。
文中，将对15种改进形状和不同长度的水平单节螺旋输送机的混合过程进行研究，物料的输送过程的研究都是利用离散元软件EDEM进行仿真模拟。
长度，几何形状和不同类型的螺旋设计对螺旋输送混合器在物料输送过程的性能的影响将进行探讨，过去通常用于改进混合过程的辅助混合方法将在物料的输送过程中实现。螺旋输送机的几何形状增加了3个与螺旋叶片同向或反向的互补螺旋，物料颗粒从螺旋的顶部下落到下一个自由表面的那段螺旋输送过程将实现物料的额外混合。通过实验和EDEM分析，变形后的螺旋输送机及其形状的改进增加了粒子路径长度被证实了可以提高混合质量。
2015日本粉末技术学会。由Elsevier公司与粉末学会出版日本技术。保留所有权利。
1简介
螺旋输送机被广泛用于物料的输送和提升及其物料的控制和稳定，他们被应用在许多工业部门，如采矿业、农业、建筑、化工、加工和食品行业。
螺旋输送机又称为蜗杆输送机用于散粒物料的输送，现代的螺旋输送机由一个螺旋形螺杆和U形槽或封闭的管道组成。他们可实现物料水平或倾斜的输送。螺旋输送机没有皮带输送机的效率高，其原因是大部分能量消耗在颗粒之间的摩擦和螺杆的旋转，但是他们成本低，易于维护，常被用来短距离适当高度的输送和提升物料[1]。
虽然他们看起来简单，但是对其运输参数的改进仍是一项艰巨的任务，设计师通常不得不依赖于实验所获得的数据，可改变的参数包括：螺旋转速、螺旋输送记得倾角和物料的填充系数。
这有不同结构的螺旋输送机包括相同或可变螺距及不同形状的螺旋叶片。螺旋输送机的合理设计对物料运输至关重要,如果设计的输送机不能满足物料的输送，会出现很多问题：冲击和流动速率波动，计量不准确，产品的不均匀，颗粒的熔化和变形，产品降级，功率高，启动力矩大，设备磨损严重，设备使用周期短，增加能源消耗，增加成本，降低最终产品质量。
颗粒的形状和重量对粉体材料的分离影响很大，但是螺旋输送机的长度对设计人员来说也是非常重要的参数，对于较长的螺旋输送机的制造仍存在问题，尤其是长螺杆易发生变形，这种情况下，在初始和最终的轴承间需要额外的支撑。
当前螺旋输送机设计方法及存在的问题 [2]，在许多文章了有写螺旋输送机的相关理论 [3,4]。
基于EDEM离散元数值模型（离散单元法）是捕捉有效、可靠的粒子间的相互作用并预测其混合的过程，颗粒的动力学模拟技术最初是由Cundall和Strack提出的软球模型并在公开文献出版[5]。
DEM是一中模拟碰撞为主的粒子流行为的数值模拟技术，粒子流的每个粒子都会被跟踪，并建立粒子之间及粒子与边界的碰撞的模型。颗粒间是允许重叠的，其重叠的程度可以结合接触力学得到瞬间碰撞的作用力，粒子当前的位置，运动方向和粒子的速度和角速度[5]。
关于螺旋输送机的粒子流进行DEM仿真的首次报道[6]。在这项研究中，得到了输送机水平和垂直的性能并将其结果和经验公式作比较。在文章[ 7 ]中使用周期切片的模型介绍了长螺旋输送机性能的研究。Cleary[8]使用DEM将由45个倾斜的螺旋输送机组成的料斗进行建模仿真，用以研究粒子的形状对粒子流在料斗的上下运动和螺旋输送机输送的影响[9]。在文章[10]，用DEM研究螺旋给料机粘性颗粒流动特性，研究颗粒间的粘着力和 螺旋机螺旋转速对其的影响，也包括螺旋机的长度及与之相关的容器的设计的影响。这项研究的主要目的是寻求一个方法解决因粒子间凝聚而引起的堵塞问题。在文章[11],使用离散单元法对单螺杆挤压机中的固体的流入和运输进行建模仿真 ，DEM技术可以对螺旋管道局部的输送现象进行基础的研究，钟和Orsquo;Callaghan [12]分析了进料口的开口形状对水平螺旋输送机的影响。Fernandez et al. [13]研究了在水平螺旋给料机中螺杆设计对球形颗粒落料的影响。DEM被用来对一系列常见的水平螺旋给料机中的颗粒流动进行仿真，包括变螺距，变螺旋外径和内经，以及螺杆的设计选择对集中颗粒的流动速率和均匀颗粒从料斗上下流动，能量利用率，螺杆磨损和壁面摩擦力的影响。Cleary [14] 利用DEM将具有与现实存在颗粒相似形状的颗粒模型在一个犁式搅拌机进行混合仿真，使用更接近真实颗粒形状的颗粒模型会使得随着邻近颗粒接触次数的增加模型的强度增加而且失败的次数减少。Moysey 和Thompson [15]提出了一个新的挤出机内固体输送建模的方法，使用离散单元法对一个非等温，固体输送的三维模型进行仿真。为了改善DEN的应用，同时者还对接触力学中聚合物[15]进行了评价。Moysey 和Baird [16]利用DEM对在填料床表面球形镍颗粒的流动进行粒度偏析。
对于那些在粒状颗粒行为对工作流体有显著影响的设备来说，耦合CFD（计算流体动力学）和DEM被证明是比数值模拟、数学建模和单一的DEM分析更可靠、更的技术。
螺旋输送机也用于计量或测量微小物质的量，如粒状物或粉末或者从储罐颜料，[23-25]。定量给料机通常又增加的变频器能实现速度变化和给定期望值的精细剂量。正确选择螺旋输送机的几何构造是至关重要的，显著增长的均匀性和减少由颗粒尺寸引起的材料偏析能够通过在螺杆上叶片增加几个额外的附件改变螺旋输送机几何形状来实现。
螺旋输送机也常常被用于将和罐中粉末或颗粒状材料运出到搅拌机，为了获得均匀的产品，必须将所有物料进行充分的混合，在混合过程进行前常常采一些预混合手段，通常使用一些辅助搅拌机，大多数的搅拌机都可以完成这一过程，如最常见的反螺旋搅拌机，和最近在工业应用特别火的异形叶片搅拌机。
螺旋输送机典型的工业应用可用于辅助搅拌作用如图1所示。改进的螺旋输送机预混合器可以移除谷仓中的粉末或谷物颗粒，然后输送到料斗进入主搅拌器。在执行混合过程前，需要进行预混合，通过在输送过程中使用改形过的螺旋搅拌机。
本文主要思想是对螺旋输送机运输过程进行分析以及评价修形过的螺旋叶片在物料进入主搅拌器之前的预混合过程的影响。螺旋输送机的容积填充系数取决于多个工艺参数和可改进预混过程工艺的可能性。输送路径可以极大的延长通过在螺旋形螺杆的螺旋外周沿物料流相同或相反的方向插入一个或多个螺旋或螺旋带。颗粒的速度显著增加，概率混合也增强（由于物料运输距离的增加）。
这样这个螺旋输送机既能当做输送机也能当做连续预混装置。DEM分析是用来研究这些修改的影响，在颗粒运输的过程中特定材料流动未损坏的预混合过程的输送路径上螺杆形状的修改[5,26,27]。在预混合过程特征粒子的轨迹被提取和用来分析粒子路径上螺杆形状的影响和并对混合过程的质量进行研究。通过适当的实验结果验证了所有的数值模拟。混合过程的质量是众所周知的相对标准偏差（RSD）分析标准，[ 27 ]。
2.材料与方法
2.1实验方法
15台螺旋输送机被组装和用来测试其在输送散粒物料的混合能力。五种改形过的螺旋输送机（单螺杆式螺旋输送机，增加3个与螺旋叶片同方向的螺旋的改形的螺旋输送搅拌机机，增加3个与螺旋叶片相反方向的螺旋的改形的螺旋输送搅拌机，增加3个与螺旋叶片方向相同的截断螺旋的螺旋输送搅拌机，增加直线叶片的螺旋输送搅拌机），每种改进过的螺旋机型都进行测试，其长度尺寸类型为400，600,800mm。实验中使用的所有螺旋输送搅拌机都是由透明的有机玻璃制成。每次实验采用不同类型，不同长度的改形的螺旋输送机。上入口段通过使用一个栅栏和一个移动的面板被分为两个隔间。由沸石制成的球形颗粒被放置在这两个隔间中，其中红色的放在第一个，蓝色的放在第二个。颗粒的性质及在DEM使用的参数列于表1，而改形的螺旋输送机的特性列于表2。
在下面，我们将考虑15种不同的典型的实验案例（5种不同类型的改形螺旋输送机和每种螺旋输送机有3种不同的长度）。它将表明，通过基于RSD标准比较混合质量，计算结果与实验结果吻合良好。每个实验重复6次，取平均值。
2.2模型描述
DEM仿真包含所定义模型内每个粒子的运动及粒子于粒子，粒子与墙壁的碰撞。在这种情况下，由于螺旋输送机形状复杂，颗粒与墙壁之间的相互作用也是非常复杂的。螺旋输送机可以近似为螺旋，并且存在若干个面及面与面相交的边线。螺旋因其几何形状复杂他的三维模型建模将会很困难，这里、将在本文后面 讨论。螺旋输送机的几何边界使用CAD建模并以一种小型三角形网格（IGES文件）导入到EDEM软件。在三维模型 中颗粒间的相互作用将不受限制。颗粒都近似为直径4mm的球体（同时也是三角形表面的尺寸）。
DEM分析中的粒子建模是假设粒子是柔软的（软球模型），并且允许颗粒的重叠。重叠的程度是确定的，法向和切向速度确定碰撞力。碰撞力由粒子间的重叠程度表示，而不是用来考虑固体的实际变形。法向力只会产生平移加速度，而切向力（剪力）会产生平移和旋转加速度。仿真是用来跟踪部分粒子的位置和速度以及所感兴趣粒子的表面。每个时间步长，都必须确定所有力的变化。所有作用于粒子的作用力（外界和自身）所导致的加速度都通过牛顿第二定律计算得出。粒子的位置及速度在每个时间步长都可以计算得出。通过这种方法，可以模拟在一个复杂的三维几何模型中粒子流的动态行为。DEM是用来分析改形后的螺旋输送机运输过程中每个粒子的轨迹[28,29]。
螺旋输送机中，散粒物料通过一个内含旋转叶片的管道运输。本文研究了5种同类型3种不同长度的改形螺旋输送机。对其混合能力的评价一是计算通过螺旋输送搅拌机内悬浮粒子的轨迹，二对其混合质量的评价。
形两个粒子间的接触发生在一个有限的区域，也就是说在DEM分析中允许两个作用的刚体有轻微的重叠[30]。在这片区域的接触力可以分解在一个组合平面，包括切向平面和法向平面。而作用在一个颗粒总的力和力矩的结果是与许多几何和物理的因素有关，如颗粒的形状、物料性质和颗粒的运动状态[5]。DEM仿真一般采用简化的模型确定颗粒间作用的力和力矩。
DEM模型中，一个粒子任何时间t的平移和旋转运动都能有牛顿运动定律表示出来[ 5 ]；
Mi,li,vi 和xi 分别是质量，惯性矩，粒子的速度和角速度。
作用在粒子上的力 i 是法向力 Fn,i，切向力Fs,i 和重力mig。
第一个表示粒子间相互作用的模型是由Walton n[31]和Braun[32]提出。
碰撞力是由粒子的重叠程度表示，而不是用来表示粒子的实际变形。这种方法被称为“软球模型”。法向力大小（Fn）为[ 10 ]：
其中k1,k2是刚度系数[11],a0是在零法向载荷是的重叠值。二级刚度系数k2在模型中采用的是常数（虽然它是一个冲击速度的函数[33]），这给出了一个恢复原形的常数系数（ε）。
切向力的求取采用沃尔顿和布劳恩[ 32 ]模型，它包括平移和旋转加速度。切向力的大小是基于上一个时间步长和之前接触的切向滑移量，并且它由摩擦系数限制mu;到mu;Ｆn。mu;是摩擦系数。这种方法在[ 31 ]已经提出，它是基于在碰撞过程中粒
剪切力（Fs）被定义为[ 31 ]：
子和螺旋面重叠的量，表面的切向滑移亮的计算是以两球
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