基于EDEM 数值模拟的搅拌叶片优化设计聂超超1，韩振南1，赵远1，2，刘邱祖1（1.太原理工大学机械工程学院，山西太原030024；2.山西天地煤机装备有限公司，山西太原030006）来稿日期：2018-10-27基金项目：山西省基础研究计划项目（2015011061）作者简介：聂超超，（1991-），男，河南人，硕士研究生，主要研究方向：混凝土搅拌问题研究；韩振南，（1958-），男，山西壶关人，博士生导师，教授，主要研究方向：车辆故障诊断1引言混凝土作为建筑及工程所需基本材料用量巨大，搅拌机作为生产混凝土所必须的装备，其性能对工程建设质量和效率有着重要的影响。
双卧轴强制式搅拌机是目前搅拌设备中的主要机型，但由于该设备搅拌轴附近物料得不到搅拌，形成了搅拌低效区。
而且由于低效区内物料流动性差，物料容易与搅拌轴粘附，产生抱轴现象，造成搅拌质量和效率的低下[1-2]。
众多学者专家对此问题进行了研究。
文献[3]研究设计了双排叶片结构，分析了其搅拌机理，并对其合理参数进行了确定和匹配，通过样机实验证明该结构可以有效改良搅拌低效区。
文献[4]设计了双螺旋轴搅拌机，其特殊的“无轴”结构和内螺旋叶片的存在，使螺旋轴中心附近物料的运动得到了加强，减弱了混凝土抱轴结块和搅拌低效区现象。
文献[5]对双螺旋轴搅拌机的搅拌筒长宽比、螺旋轴螺旋形式、螺旋轴螺旋升角等参数进行了优化，提高了搅拌性能和效率。
文献[6]设计了双卧轴振动搅拌机，在筒侧安装振动电机，增强了物料在宏观上的对流剪切运动和微观上的扩散运动，改善了低效区。
但该结构需要在搅拌筒一侧安装振动电机，使搅拌功率和成本过度增加。
重点研究分析了双卧轴搅拌机的低效区问题，在普通双卧轴摘要：为了解决双卧轴搅拌机的搅拌低效区问题，可旋转搅拌臂与叶片重合，利用搅拌臂来搅拌低效区物料，增强其物料流动性。
通过对建立的单搅拌叶片模型进行非线性规划计算，得出其叶片最优参数。
为证明该优化结构的准确性，同时建立普通叶片、双排叶片与该优化叶片进行对比，将三种叶片分别装配在同一搅拌筒内导入EDEM 模拟搅拌过程。
颗粒接触模型采用为Hertz-Mindlin with JKR Cohesion ，相关参数通过塌落度数值模拟进行校核。
结果发现新型叶片可增大低效区物料速度，改善低效区物料流动性；两轴速度差较小，筒端物料堆积较少从而使物料运转更流畅；可从宏观上增加物料剪切对流运动，微观上增大颗粒动能，使颗粒碰撞更剧烈，物料能够快速达到均匀状态，提高整盘物料搅拌效率。
关键词：低效区；优化设计；EDEM 数值模拟；JKR 接触模型；搅拌效率中图分类号：TH16；TU642+.2文献标识码：A文章编号：1001-3997（2019）04-0017-04Optimal Design of Mixing Blade Based on EDEM Numerical SimulationNIE Chao-chao 1，HAN Zhen-nan 1，ZHAO Yuan 1，2，LIU Qiu-zu 1（1.School of Mechanical Engineering ，Taiyuan University of Technology ，Shanxi Taiyuan 030024，China ；2.Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co.，Ltd.，Shanxi Taiyuan 030006，China ）粤遭泽贼则葬糟贼：In order to solve the problem of inefficient zone of twin shaft mixer ，themixing arm can be rotated to coincide with the blade to participate in the stirring inefficient material and enhance the material flow.The optimal parameters of the blade were obtained by nonlinear programming of the established single mixed blade model.To prove the accuracy of the optimized structure ，the ordinary blade and double row blade were build to compared with the optimized blade.And the three blade were assembled in the same mixing barrel to imported into EDEM to simulate the mixing process.Particle contact model wasadopted as Hertz-Mindlin with JKR Cohesion ，and the relevant parameters were checked by slump simulation.The results showed that the new blade can effectively increase the velocity of the material in the inefficient area and improve the material flow in the inefficient zone.The two axisvelocity difference is smaller ，and the cylinder end of the material accumulation is less so that the material running smoothly.The new blade can increase the material convection shear movement from the macroscopic view and the particle kinetic energy from the microscopic view to the collision of particles more intense.The material can reach a uniform state quickly so that improve the whole plate material the mixing efficiency.Key Words ：Inefficient Zone ；Optimal Design ；EDEM Numerical Simulation ；JKR Cohesion ；Mixing EfficiencyMachinery Design &Manufacture机械设计与制造第4期2019年4月17搅拌机的基础上，将原本与搅拌轴垂直的搅拌臂旋转至与叶片重合，利用搅拌臂来搅拌低效区物料，增强低效区内物料的流动性，并利用离散元分析软件EDEM模拟其搅拌过程，验证了其确实可以达到改善低效区，提高搅拌效率的目的，对今后搅拌叶片的优化设计具有一定的指导意义。
2双卧轴搅拌低效区分析在双卧轴搅拌筒内，装在两根轴上的搅拌叶片将物料刮向拌筒的中央主搅拌区内。
位于叶片下端到搅拌轴的半圆形区域内的物料却无法受到叶片的直接搅拌，只能够靠物料间摩擦挤压及粘滞阻力来带动，这些作用力从叶片下端至搅拌轴逐渐减弱，物料的线速度也逐渐降低，流动性变得愈差，形成了搅拌低效区。
随着搅拌机容量的增大，低效区现象愈严重，严重影响搅拌效率和质量。
V max中央主搅拌区低效区低效区图1双卧轴搅拌机低效区示意图Fig.1Schematic Diagram of Twin Shaft Mixer Inefficient Zone 3叶片优化过程3.1叶片结构初步改进双卧轴搅拌机普通叶片的搅拌臂原本与搅拌轴垂直，轴附近的物料得不到搅拌，因此形成了搅拌低效区。
为了改善低效区问题，笔者经研究发现可将搅拌臂旋转至与搅拌叶片重合，如图2所示。
利用搅拌臂来搅拌低效区物料，促使其产生强烈的剪切对流运动，提高搅拌效率。
图2叶片对比Fig.2Comparison of Blades3.2叶片参数优化新型叶片的搅拌臂参与物料搅拌，搅拌面积势必增大。
然而只有在叶片的搅拌面积、个数和拌筒容积利用系数之间匹配合理时，才能保证既推动一定比例的物料，又留有必需的空间使物料流畅地运动，达到拌和快、又节能的目的。
为了评判设计的准确性，并为参数选择时提供参考，根据文献[7]，可用指标ψ来进行综合评判，ψ表示搅拌轴转动1周时，叶片推动的物料量Q与出料容积V1之间的比值，即：ψ=Q/V1（1）当ψ值为（1.05~1.10）时，说明叶片面积，数量和容积利用系数三者匹配较为合理。
新型叶片几何模型，如图3所示。
因叶片与衬板的间隙非常小，可忽略不计，叶片高度可近似等于拌筒半径R，设叶片长度为w，宽度为b，搅拌臂底边长度为L，底角为β，叶片与搅拌臂连接处宽度为L′，叶片总面积为S，则：S=wb+L（R-b）-（（R-b））2/2tanβ（2）wLβL′图3新型叶片Fig.3New Blade叶片安装角为α，设叶片由刚开始推料到从物料中转出来，如图4所示。
搅拌轴需要转过的角度为θ，即图1中央主搅拌区的顶角，叶片转动1周，所推动的物料量p等于叶片在x-y面投影面积绕搅拌轴转动θ后排出的体积。
xyzOX′yxw cosαL cosαβα图4叶片在x-y平面的投影Fig.4Projection of Blade in X-Y Planep=π［R2-（R-b）2］w cosα+π（R-b）2L cosα-π（R-b）3cosα3tanβ⎧⎩⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⎫⎭⏐⏐⏐⏐⎬⏐⏐⏐⏐θ2π（3）化简为：p=wb（2R-b）+（R-b）2-（R-b）33tanβ[]θcosα2（4）搅拌轴搅拌1周，所有叶片推动的物料总量Q（单位：m3）为：Q=4p0+10p1（5）式中：p0—单个侧叶片推动物料量；p1—单个主叶片推动物料量。
设进料容积为V2，搅拌筒几何容积为V3，出料系数为δ，容积利用系数为γ：γ=V2/V3（6）δ=V1/V2（7）则出料容积：V1=δγV3（8）根据相关技术参数，一般为（0.60~0.70），可取为0.65，当搅拌筒为宽短型，γ为0.25时，θ为125°，V3（单位：m3）可由模型测量得到。