[资料]基于EDEM的稳定土搅拌机搅拌装置的优化研究

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发表于2017-08-25 1131人浏览 1人跟帖总热度:321

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标签：稳定土搅拌机均匀度 edem

文章来源：中国沥青路面网

无机结合料稳定材料被广泛应用于高等级公路路面基层的施工。稳定土搅拌机作为主要的生产设备，其搅拌装置的设计将直接影响到成品料的质量。现有的搅拌机双轴是平行排列，叶片大小采用同一种规格。实际生产中发现，在两轴中间的搅拌区，由于两个轴上的搅拌叶片是平行布置，会同时到达中央搅拌区，这样后一个搅拌叶片将物料向前推移的时候，会被前一个搅拌叶片挡住，对物料的流动形成阻碍作用。为此，笔者提出将每根轴上一侧的搅拌叶片面积改小，这样在中央搅拌区，两轴的搅拌叶片可以形成“大小大小”的排列，减小对物料的阻碍。为了探究这种叶片“大小大小”的排列方式在稳定土强制连续式搅拌机上的应用，本文通过与技术较为成熟的平行全大叶片进行对比分析，同时引入叶片交错排列的布局，与平行排列一起进行对比分析，最后选出一种较优的方案。基于稳定土散体介质的特性，本文采用EDEM离散元软件来模拟混合料的搅拌过程。

稳定土搅拌机理

目前所用的稳定土搅拌设备大多是双卧轴强制连续式的，其搅拌装置的设计不同于普通混凝土搅拌结构。稳定土强制连续式搅拌机一般设置为窄长型，物料从一端投进，两根搅拌轴同速反向由拌缸内部向外旋转，推动混合料向出料口的方向移动，轴上的叶片为单向安装，不会形成周向循环，因此其搅拌时间短。稳定土混合料的含水量和水泥等结合料的用量都比较低，搅拌完成的混合料呈现出一种较为松散的状态，故可采用离散元分析软件，通过合理设置相关参数，能较真实地描述其搅拌过程。

EDEM软件简介

EDEM是英国“DEM—Solutions”公司的旗舰产品，主要用于颗粒流的分析模拟。它的基本思想是把颗粒系统看成是一系列独立运动的单元，根据力和位移的关系，利用牛顿第二定律"得到关于单元的加速度与角加速度的方程，采用中心差分的方式对方程进行积分，得到颗粒的更新速度与更新位移，其循环计算原理，通过不断地循环计算来获得颗粒的位置信息与速度信息。

EDEM能定义多种贴近实际的散体介质，根据不同散体材料的性质，定义合理的颗粒参数，选择合适的接触类型，就能较好的模拟实际情况。比如利用EDEM可以模拟挖掘机的挖掘过程，振动筛的筛分特性，输送机的运料过程，通过改变设备的参数，就能直接观察其合理性。为机械设计研发提供一定的参考价值，从而降低机械研发的成本。

本文主要利用EDEM分析物料搅拌的过程，探究搅拌装置的合理性。

EDEM对稳定土搅拌的模拟和分析

仿真模型的建立

本文利用proe建立稳定土连续式搅拌机的三维模型，然后将其导入EDEM中进行分析。本次仿真共需建立四种模型，包括平行排列全大叶片、平行排列大小叶片；交错排列全大叶片和交错排列大小叶片模型。其中小叶片的宽度缩短为大叶片宽度的一半，长度同大叶片保持一致。交错排列可以在平行排列的基础上，使其中的一根搅拌轴绕其回转轴旋转45度即可，这可以在EDEM中完成。

物链接触模型采用Hertz-MindlinJKR模型，该模型考虑了接触颗粒之间的凝聚力，可以模拟具有粘连性的颗粒系统，也适用于对碎石颗粒的模拟。

EDEM对搅拌的模拟

仿真参数的设置

为了便于模拟和减少计算量，将物料颗粒统一设置为球形。其中大颗粒(直径约为40mm)投放12000颗，颜色涂成绿色，中颗粒(直径约为30mm)投放30000颗，颜色涂成黄色，小颗粒(直径约为20mm)投放48000颗，颜色涂成红色。

仿真时，搅拌轴的转速设置为85r/min，搅拌时间设置为15s，投料位置在搅拌轴的进料端，沿横向设置3个面积相等的矩形投料口。颗粒采用动态模式生成，所有颗粒均在3s内投放完成。

EDEM软件会自动计算雷利时间步长，选取0.2作为本次仿真的时间步长。

仿真结果的分析与处理

评价搅拌装置的合理性时，成品料的均匀度是一个很重要的指标。本次仿真采用搅拌完成的混合料的均匀度作为评价指标来验证4种模型的优劣。统计结果时，在搅拌机出料口的位置建立网格，用于统计某一时刻网格中各种粒径颗粒的数目。根据实际情况，进行网格划分；在长度方向上划分2个网格，高度方向上不进行划分，宽度方向上划分4个网格，这样一共有8个网格。在搅拌过程中，每隔0.2s统计各个网格中3种粒径颗粒的数目，剔除颗粒总数小于20的网格，以保证网格的有效性。

均匀度计算方法：假设在某一时刻，某一网格中大颗粒的数目为，该网格中大中小三种颗粒一共有个，则大颗粒在该网格中所占比例为：

然后计算统计时间内总的大颗粒数目和三种颗粒总数目的比值，即：

计算ri和R的比值，即：ki=ri/R，得到一组新的数据，然后利用excel的标准差计算方程式STDEV.P来计算这一组数据。就可得到大颗粒的混合均匀度标准偏差。

同理可计算得出另外两种粒径颗粒的标准偏差。标准偏差越小，表明混合料的均匀度越好。

根据EDEM软件仿真的结果。

得知，在保证搅拌机其他参数相同的情况下，交错全大叶片搅拌所得的三种粒径混合料的均匀性较其他三种要好，而且交错排列的布局方式也要优于平行排列。

结论

(1)在其他搅拌机的工作参数保持一致的情况下，对于平行排列来说，采用大小叶片形式搅拌出来的混合料，其均匀性要好于全大叶片形式。但对于交错排列来说，大小叶片形式搅拌出来的混合料，其均匀性略差于全大叶片形式，说明大小叶片这种布局方式对交错排列影响不大。

(2)根据仿真结果来看，不管是全大叶片还是大小叶片形式，交错排列搅拌出来的混合料，其均匀性要好于平行排列。

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