杨勇李文慧随着港口贸易的快速发展，垂直埋刮板输送机需求量越来越大[1]，对于粮食、面粉等粘性小的物料的垂直输送，其市场前景非常广阔。某单位委托太原煤炭研究所研制一条垂直提升40m的埋刮板输送机用于粮食输送，之前该单位一直用斗式提升机输送粮食，效率极低，装满一斗需十几分钟。为提高效率，决定将其改为垂直埋刮板输送机。1颗粒接触模型颗粒的运动必然会导致颗粒之间碰撞接触，从而产生力[2]。接触模型用来描述颗粒之间的接触行为。1.1法向力计算假设两接触的颗粒半径分别为R1和R2,接触受力时两个颗粒发生弹性变形，如图1所示。图1颗粒接触变形模型当两颗粒发生法向形变，其法向重叠为式中：R1、R2分别为接触颗粒单元半径，r1、r2分别为接触颗粒单元球心位移矢量。两颗粒碰撞形成的球形接触面半径为式中：R*为球形颗粒单元有效半径，E*为球形颗粒单元有效弹性模量，E1、E2为球形颗粒单元1和2的弹性模量，ν1、ν2为球形颗粒单元1和2的泊松比。两颗粒单元沿法向方向重叠量增加ΔL，法向力增加ΔFn两颗粒单元发生径向位移时径向力增量为式中：G*为颗粒单元有效剪切模量，k=0、1、2分别对应切向力加载、卸载、卸载以后重新加载情况；s为两颗力接触面上的切向位移，Δs为切向位移增量。式中：T为切向力，ΔT为切向力增量，μ为静摩擦因数，Fn为法向力。式中：G1、G2分别为球形颗粒单元1和2的剪切模量。1.2切向力的计算如图2所示，两颗粒发生碰撞时，除受到法向力以外，还受径向力。径向力的产生，使得颗粒有沿径向滑动的趋势，随着力的加大，滑移从单元体表面向内部扩展。图2两颗粒切向变形模型1.3本构方程每个颗粒在单纯的颗粒系统中都会受到重力和颗粒与颗粒之间的碰撞力。任意取一颗粒i，质量为mi,速度为vi，如图3所示，在颗粒i和颗粒j接触碰撞时受到的切向力为Ft,ij，法向力为Fn,ij。根据牛顿第二定律可得出颗粒i的运动学方程为图3小球j作用在小球i上的力和力矩颗粒i在接触移动过程中，除受到切向力与接触力以外，还受到摩擦力矩和切向力矩的影响。假设Ii为惯性力矩，ωi为角速度，根据力矩平衡方程得可以看出，由于切向力和接触力的存在，使得颗粒具有很大的动能，加剧了物料运输过程中的不稳定性，给设备带来损害。2扣环型埋刮板输送机仿真2.1扣环型埋刮板输送机建模在Solidworks三维建模软件中建立壳体、刮板、链条模型，把建好的模型导入到EDEM中，如图4，并设置相关参数进行仿真。图4垂直埋刮板输送机及刮板三维图2.2参数设置在对扣环垂直埋刮板输送机运行过程仿真计算中，物料及几何体的材料属性及相应的结构参数对仿真计算结果和仿真时间影响很大。通过查阅资料、理论计算和现场试验，确定仿真过程中计算参数。表1为材料属性，2.3煤颗粒模型煤颗粒模型见图5。图5煤颗粒模型仿真结果分析3.1埋刮板输送机中颗粒速度分布根据需要建立了3组速度（v=0.65m/s、v=0.85m/s、v=0.95m/s）对比仿真实验模型，通过仿真实验更好地理解这种颗粒在埋刮板输送机内的速度分布情况[2]。以埋刮板输送机垂直段为研究方向，Y向为刮板链条运行方向，X、Z为料槽壁的方向。也就是说除Y向之外其他方向都是能耗方向。Z向颗粒运动曲线如图6所示。(a)v=0.65m/s(b)v=0.85m/s(c)v=0.95m/s图6不同速度下颗粒在Z向速度分布图6中，代表沿Y的反方向。v=0.65m/s和v=0.85m/s时，颗粒沿Z轴正向和负向的颗粒速度基本相同，反映出颗粒向料槽两侧运动；v=0.95m/s时，正向速度大于负向速度，颗粒向来料槽Z轴一侧运动。Z轴颗粒速度的存在，使得物料在向前输送的同时，会向两侧运动，形成八字形运动，速度减慢，能耗加大。3.2埋刮板输送机中颗粒总能耗埋刮板输送机在输送物料时，动能是能耗最直接的体现，是研究降低能耗的一个重要参数。埋刮板输送机在输送物料时，物料经历“静态—获得动能—动能变化—动能动态平衡”这一过程。图7为不同速度下动能随时间变化曲线。从图7可见，0～2s是颗粒生产阶段，刮板没动；2～4s颗粒经历了短暂的加速后变得平稳。v=0.95m/s时颗粒加速时间较v=0.65m/s和v=0.85m/s长，能耗略大，但输送效率高。综上得出v=0.95m/s更有利输送。（a）v=0.65m/s(b)v=0.85m/s(c)v=0.95m/s图7动能变化曲线4结论本文研究了埋刮板输送机输送黄豆的过程，设置了3组链速，采用EDEM软件仿真，得到大量数据。通过分析发现底部带扣环的垂直埋刮板输送机速度v=0.95m/s时，颗粒速度分布合理，动能较大，效率高，有利物料输送。

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