基于EDEM的碎玻璃清洗机螺旋叶片高度优化分析

高瑞红

(山西铁道职业技术学院，山西 太原 030024)

0 引言

随着提倡绿色生活成为时代的主流，废旧玻璃的回收再利用越来越受到重视，为回收的废旧玻璃寻找合适的利用途径成为政府和企业的共同关注点。目前，碎玻璃和粉煤灰生产防火防水保温泡沫玻璃是碎玻璃回收再利用的主要途径之一，而废旧玻璃投入再生产的前道工序就是破碎玻璃的清洗，有专家研究表明，碎玻璃的清洁度是影响泡沫玻璃保温质量的重要因素之一，因而对碎玻璃清洗机的研发具有重要意义[1]。

碎玻璃清洗机是玻璃回收利用中不可缺少的机械设备，随着计算机和人工智能时代的到来，碎玻璃清洗机将引入自动化智能控制技术，将极大地提高玻璃清洗机的清洁度，从而使碎玻璃清洗走向现代化和高效化[2]。另一方面随着新型材料的研发，碎玻璃清洗机将走向轻量化，从而减少碎玻璃清洗机运行所需能耗，提高碎玻璃清洗机整机工作效率。为进一步优化结构设计，以满足设备较高效率工作的需求，本文借助于仿真计算软件EDEM对碎玻璃清洗机螺旋叶片高度进行优化分析。

1 碎玻璃清洗机

目前市场中已经拥有各种各样的碎玻璃清洗机，本文针对内壁自带螺旋叶片的圆筒式碎玻璃清洗机进行研究，其主要由电动机、带传动、减速器、链传动、筒体、筒体内螺旋叶片构成，影响碎玻璃清洗机效率的结构设计参数主要是螺旋叶片的高度以及螺旋螺距的大小[3]。这种结构的碎玻璃清洗机开始工作后，利用碎玻璃物料、筒体内壁以及螺旋叶片间三者之间的相互摩擦作用，碎玻璃物料被螺旋叶片抬高，碎玻璃物料颗粒又因地心引力的影响沿螺旋叶片向下泻落，就此碎玻璃物料完成轴向前移。此碎玻璃清洗机除拥有螺旋输送的所有特点之外，还拥有无中心轴的优点[4]。

本文依据碎玻璃清洗机的相关结构尺寸参数，借助于三维建模软件Solidworks完成其筒体部分的虚拟三维模型建立。其三维模型剖面如图1所示。

图1 筒体部分三维模型剖面图

2 碎玻璃清洗机叶片有限元分析

本文主要是针对碎玻璃清洗机筒体部分叶片的应力集中问题进行研究。将建好的几何模型导入ANSYS中进行有限元分析。

为了更真实地将筒体部分的实际工作状态模拟到有限元仿真中，在模型中心建立参考系，约束筒体旋转和筒体进口端以外的所有自由度，筒体的旋转是由进料口处安装的齿轮通过链传动带动，因筒体进料口受齿轮和链条的重力作用，给筒体进料口处施加F=1200N的力，方向为Z轴负方向；此外筒体在承载时还受到物料重力和清洗水的作用，因此在筒体的最低处施加F=20000N的力，方向为Z轴负方向，在ANSYS中进行有限元模型的显式动力学求解[5]。

保存并打开有限元分析结果文件，选取等效应力求解分析结果，螺旋叶片的应力云图如图2所示。从图中可以看出最大等效应力发生在碎玻璃清洗机筒体螺旋叶片的底部，最大为8.0087MPa。

图2 螺旋叶片应力图

从分析结果来看，螺旋叶片的应力集中点分布在叶片的根部，因而在实际设计及加工制造中，为提高碎玻璃清洗机的使用寿命及叶片强度应对叶片根部位置加固或者使用强度较高的材料。

3 不同螺旋叶片高度仿真分析

为研究碎玻璃清洗机螺旋叶片高度与碎玻璃颗粒运动之间的关系，即在除螺旋叶片高度外，其他条件相同时碎玻璃清洗机的效率。本文在叶片螺距、转速、进料量等参数均不变的情况下，选取了五组不同的螺旋叶片高度来进行仿真实验，叶片高度分别为120 mm、160 mm、185 mm、210 mm、250 mm。正常工作时，EDEM仿真所提取的筒体中碎玻璃物料的重量随时间的变化仿真结果如图3所示，碎玻璃物料的进料速度为5kg/s。

从图3仿真结果分析可得，在时间为零的时刻，不论碎玻璃清洗机筒体内螺旋叶片的高度取何值，筒体内碎玻璃物料的重量均为零，这是由于仿真前定义系统中没有添加碎玻璃物料。从开始之后，系统内的总质量随仿真时间的增加不断增加。通过观察图3仿真结果图可以发现：从0 s～30 s时，五幅仿真图的曲线轨迹非常接近，均呈线性递增。这是因为在0 s～30 s时间段内，碎玻璃物料从进料口被送入后经螺旋叶片传输还未到达出料口。从30 s之后，曲线开始发生改变，对比叶片高度为120 mm的图和叶片高度为250 mm的图，可以看出，从30 s开始到40 s结束，系统内物料质量依旧保持增长趋势，但增加速度逐渐变缓。这是因为30 s后，出料口开始出料，但进料速度大于出料速度；对比叶片高度160 mm的图、叶片高度185 mm的图和叶片高度210 mm的图，可以看出从30 s之后，仿真系统内物料的质量开始递减，这是由于进料速度小于出料速度。此外从图中还可看出，曲线存在一些微小波动，是因为碎玻璃清洗机筒体旋转一周螺旋叶片推出物料量不恒定。

图3 不同叶片高度下系统仿真结果图

综合分析上述五种不同螺旋叶片高度下质量随时间的变化仿真结果，可以看出螺旋叶片的高度变化主要影响碎玻璃清洗机的出料速度。螺旋叶片的高度太大或太小均不利于将碎玻璃物料输送出筒体，而且容易造成碎玻璃在出口处堵塞。因此，在碎玻璃清洗机叶片高度的设计中，螺旋叶片高度应设计在160 mm～210 mm之间。综合考虑选取适当的叶片高度尺寸，一方面可以有效防止物料在出料口的堵塞，另一方面可减少材料的使用，减轻设备重量，节约成本。

4 结语

以碎玻璃清洗机螺旋叶片为研究对象，建立了其筒体部分的三维模型，并对其叶片进行有限元分析。在EDEM中模拟了不同叶片高度下的仿真试验，分析得到如下结论：

1) 有限元分析获得的螺旋叶片最大等效应力位于叶片的底部，为提高叶片的使用寿命提供了参考依据。

2) 由不同叶片高度下的仿真结果进行对比可得，叶片高度过大或者过小均不利于碎玻璃物料的出料，最适合高度在160 mm～210 mm之间，为碎玻璃清洗机螺旋叶片高度的结构设计提供了相应的参考依据。