基于离散元仿真模拟的螺杆加料机加料性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.011

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (9): 60-65.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.011

基于离散元仿真模拟的螺杆加料机加料性能研究

周胜荣, 万舟, 王玉, 李果, 马玉录, 谢林生()

华东理工大学，绿色高效过程装备与节能教育部工程研究中心，上海 200237

收稿日期:2023-12-19 出版日期:2024-09-26 发布日期:2024-09-27
通讯作者: 谢林生，教授，博导，任职于华东理工大学机械与动力工程学院，研究方向为化工过程机械、橡塑成型加工及机械等，lsxie@ecust.edu.cn
E-mail:lsxie@ecust.edu.cn

Study on feeding performance of screw feeder based on discrete element simulation

ZHOU Shengrong, WAN Zhou, WANG Yu, LI Guo, MA Yulu, XIE Linsheng()

Engineering Center of Efficient Green Process Equipment and Energy Conservation of Ministry of Education，East China University of Technology，Shanghai 200237，China

Received:2023-12-19 Online:2024-09-26 Published:2024-09-27
Contact: XIE Linsheng E-mail:lsxie@ecust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

利用建模软件建立不同螺杆导程、外径以及头数的螺杆结构；在离散元数值模拟仿真软件中建立颗粒模型、设置接触参数后，对不同结构下螺杆的输送过程进行模拟仿真；利用后处理模块对颗粒在输送过程中的受力以及加料机的出口质量流率进行分析，探讨螺杆结构对加料质量的影响规律。结果表明，螺杆导程是螺杆加料机输送效率的主要影响因素，20 mm导程的螺杆输送效率是14 mm导程的15倍左右，但是出料精度有所下降；螺杆间隙是颗粒受力的主要影响因素，间隙的减小会导致颗粒受力的增大，1 mm间隙下的平均受力在1.2×10^-2 N左右；双头螺杆导致颗粒输送过程中受力的激增，峰值达到15 N左右，出料效率降低，但是出料稳定性提高。

关键词: 加料质量, 螺杆结构, 离散元模拟, 螺杆加料机

Abstract:

A series of screw structures with different screw leads， outer diameters， and head numbers were established by using a modeling software. After the particle model was established and the contact parameters were set in the discrete element numerical simulation software， the conveying process of screw under different structures was simulated. The post⁃treatment module was used to analyze the force of particles in the conveying process and the mass flow rate at the outlet of the feeder， and the effect of screw structure on the feeding quality was discussed. The results indicated that the screw lead was the main factor affecting the conveying efficiency of the screw feeder. The conveying efficiency of the screw with the 20 mm lead was about 15 times as high as that with the 14mm lead； however， the discharging accuracy was reduced. The screw clearance is the main factor affecting the force of particles. The decrease of the clearance can lead to an increase in the force of particles. The average force of the screw clearance is about 1.2×10^-2 N. The double⁃headed screw caused the surge of force in the particle conveying process， resulting in a peak value of about 15 N. Meanwhile， the discharge efficiency was reduced， but the discharge stability was improved.

Key words: feeding quality, screw structure, discrete element simulation, screw feeder

中图分类号:

TQ320.66⁺3

周胜荣, 万舟, 王玉, 李果, 马玉录, 谢林生. 基于离散元仿真模拟的螺杆加料机加料性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 60-65.

ZHOU Shengrong, WAN Zhou, WANG Yu, LI Guo, MA Yulu, XIE Linsheng. Study on feeding performance of screw feeder based on discrete element simulation[J]. China Plastics, 2024, 38(9): 60-65.

图/表 15

图1 计量输料装置主要几何离散模型

Fig.1 Main geometric discrete model of metering and feeding device

图2 颗粒原型及拟合坐标中心

Fig.2 Particle prototype and fitting coordinate center

球标号	X/mm	Y/mm	Z/mm	半径/mm
0	-0.452 9	-0.018 0	-0.006 7	0.467 9
1	0.347 2	-0.034 1	-0.009 8	0.501 4
2	0.102 3	0.375 3	0.025 3	0.367 7
3	0.075 7	-0.460 6	0.056 7	0.281 5

表1 拟合球形尺寸及位置

Tab.1 Fitting spherical dimensions and positions

颗粒标号	与原型颗粒的尺寸比	在颗粒群中的质量占比
1	0.5	14
2	0.9	45
3	1.4	37
4	1.9	4

表2 仿真颗粒的尺寸种类及其的质量占比

Tab.2 The size type and mass proportion of the simulated particles

材料	参数	参数值
物料	泊松比	0.215
	密度/kg·m^-3	1 500
	剪切模量/Pa	5×10⁶
45^#钢	泊松比	0.25
	密度/kg·m^-3	7 800
	剪切模量/Pa	7×10¹⁰
物料⁃物料	碰撞恢复系数	0.2
	静摩擦因数	0.3
	滚动摩擦因数	0.1
45^#钢⁃物料	碰撞恢复系数	0.2
	静摩擦因数	0.5
	滚动摩擦因数	0.1

表3 材料参数设置

Tab.3 Material parameter settings

变化参数	仿真编号	间隙/mm	头数	导程/mm
螺杆导程	1	2	1	20
螺杆导程	2	2	1	14
螺杆间隙	3（2）	2	1	14
	4	1.5	1	14
	5	1	1	14
螺杆头数	6（2）	2	1	20
螺杆头数	7	2	2	20

表4 螺杆尺寸参数

Tab.4 Screw dimension parameters

图3 螺杆导程对物料颗粒受力的影响

Fig.3 Influence of screw lead on force of material particles

图4 不同导程下受接触力较大物料颗粒的位置云图

Fig.4 Cloud picture of particle position of material with large contact force under different leads

图5 螺杆与机筒间隙对颗粒受力的影响

Fig.5 Influence of the clearance between screw and cylinder on the force of particles

图6 不同螺杆、机筒间隙下受力较大物料颗粒的分布云图

Fig.6 Cloud map of distribution of material particles with greater force under different gaps

图7 螺杆头数对颗粒受力的影响

Fig.7 Influence of the number of screw heads on the force of particles

图8 螺杆头数对颗粒受力分布的影响

Fig.8 Effect of the number of screw heads on the force distribution of particles

图9 螺杆导程对物料颗粒出口质量变化的影响

Fig.9 Influence of screw lead on particle outlet quality change

图10 螺杆与机筒间隙对物料颗粒出口质量变化的影响

Fig.10 Influence of screw and barrel clearance on the change of material particle outlet quality

图11 螺杆头数对物料颗粒出口质量变化的影响

Fig.11 Effect of number of screw heads on quality change of material particles at outlet

参考文献 16

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