基于EDEM 的滾筒烘絲過程物料運動行為研究

查蕾蕾，黃亞宇，杜林昕

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

EDEM 軟件是世界上第一個基于離散單元法及現代化離散元模型設計的通用CAE 軟件，該軟件主要用于對工業生產中顆粒系統的仿真模擬及仿真結果的后處理分析[1]。EDEM 軟件主要由前處理工具Creator、處理器Simulator、后處理工具Analyst三部分組成。通過Creator 工具導入三維模型或者根據顆粒的模型物理性質與力學性質建立模型；Simulator 工具用于設置顆粒參數，進而仿真模擬顆?；蝾w粒群的運動過程；Analyst 工具可以對單個顆?；蛄Ｈ旱姆抡娼Y果進行多方面分析，例如溫度、速度等[2-3]。離散元法是美國教授CUNDALL于1971 年首先提出，用于處理解決非連續性介質問題，通過時間步長迭代求解出每一個顆粒的運動狀態，離散元法特別適用于求解非線性問題[4-5]。

在煙葉制絲烘絲工藝中，煙絲物料的運動情況為典型的非線性問題，由于在實際生產加工過程中無法觀察到密閉滾筒內煙絲物料的運動情況，只能間接通過控制單因素指標等方法實現烘絲設備的調整[6]。為了實現對密閉烘絲滾筒的可視化，提高烘絲過程的工藝質量，本文利用離散元軟件EDEM對物料在滾筒中的運動行為進行模擬仿真，高度還原真實的煙葉烘絲工藝過程。

1 建模及仿真方法

1.1 加料設備建模

本文以云南省某卷煙廠制絲烘絲設備為研究對象，對該生產該設備進行尺寸規格測量后采用NX12.0 軟件進行建模。

1.2 煙絲離散元模型建立

為建立更真實的煙絲模型，隨機抽取烘絲設備中的煙絲反復測量，得煙絲厚度均值為0.15 mm（煙梗忽略不計）。利用煙絲結構測定裝置對隨機采樣的煙絲進行結構測定，統計結果如表1 所示。

表1 煙絲大小及分布情況Tab.1 Size and distribution of shredded tobacco

由表1 可知，根據煙絲大小長度分布規律，按比例進行煙絲顆粒模型創建。為使煙絲仿真更加接近真實結果，將煙絲模型假設為由多個小顆粒粘接而成，通過粘接顆粒之間的摩擦力、剪切力與剪切模量等來描述煙絲的柔性、粘性等物理參數，創建離散化煙絲模型[7]。

在使用EDEM 軟件進行離散元顆粒建模時，首先需要確定接觸模型，即硬球模型與軟球模型[8]。硬球模型是假定兩個顆粒之間撞擊時，顆粒表面不會發生明顯塑性變形，而軟球模型被允許顆粒形變。本文為探究煙絲在滾筒內部運動行為規律，包括煙絲與筒壁和抄板之間，煙絲與煙絲之間的接觸、摩擦、碰撞與纏繞等，這些運動均會導致煙絲發生形變，所以選用軟球模型[9]。通過離散元方法對煙絲顆粒系統進行運動仿真分析并求解[10]。EDEM 軟件中建立煙絲及粒群煙絲模型，如圖1 所示。

圖1 EDEM 軟件中煙絲及粒群煙絲模型Fig.1 Model of shredded tobacco and particles shredded tobacco based on EDEM

應用離散元軟件EDEM 對烘絲過程煙絲在滾筒內的運動行為進行仿真計算。該模型準備和試算在wintel 結構的專業圖形工作站上進行，每批次計算結果數據控制在4 T 范圍以內，主計算作業全周期歷時約6 個月，建模、仿真、后處理方法整體流程，如圖2 所示。

圖2 基于EDEM 的滾筒烘絲過程煙絲運動研究流程圖Fig.2 Research flow chart on shredded tobacco movement in drum drying process based on EDEM

2 滾筒內煙絲物料運動離散元仿真

根據項目研究的需要，基于EDEM 軟件對烘絲過程中煙絲物料在典型滾筒尺寸模型內進行了仿真計算。為保證仿真結果有效，參照煙葉真實參數與EDEM 材料庫中的樹葉參數，最終確定煙絲物料的參數如表2 所示。為了更好地揭示煙絲物料運動行為的一般性規律，滾筒內的煙絲物料運動仿真計算分別在27 組不同的典型工藝參數下進行。

表2 煙葉煙絲物料參數Tab.2 Material parameters of leaf tobacco and shredded tobacco

采用該滾筒幾何模型主要目的是將EDEM 軟件仿真后煙絲運動數據與實驗進行比對，通過校驗和修正、完善模型等設置參數等要素，并通過該環節探索、發現本項目問題的建模和計算收斂性、精度和效率的規律等要點，滾筒半徑為0.8 m，長度為3 m。采用與本項目構建的實驗系統透明滾筒同樣的結構和尺寸，抄板的布置也采用與實驗透明滾筒同樣的軸向螺旋漸進方式。幾何模型構建過程同樣地先在三維建模系統中構建滾筒的空間幾何結構模型，然后導入到EDEM 離散元仿真系統中用于仿真分析，其滾筒幾何模型如圖3 所示。

圖3 滾筒幾何模型Fig.3 Drum geometric model

對27 組不同的典型工藝參數下滾筒內煙絲運動進行仿真，滾筒進料口處煙絲流量分別取60，70，80 kg/h，滾筒傾角分別取1.5°，3°，5°，滾筒轉速算分別取9，10，11 r/min。數字化計算在該滾筒空間范圍內進行，按照離散元區域接觸搜索算法，對滾筒空間進行區域分割。如，某次典型計算中，滾筒計算空間在離散元分析系統中被分割為2 786 871 個區域，在煙絲處理流量為80 kg/h、滾筒傾角為3°、滾筒轉速為10 r/min 的工藝參數下，EDEM軟件計算截圖及滾筒計算空間分割效果如圖4 所示。

圖4 滾筒計算過程及計算空間分割的z 軸方向視圖Fig.4 z-axis view of roller calculation process and calculation space division

運用EDEM 軟件對尺寸為0.8×3.0（m）的滾筒中煙絲物料運動行為進行仿真計算，對計算結果進行后處理分析，后處理分析包括對時間節點與煙絲物料在滾筒中運動情況等信息的記錄。結合煙葉制絲工藝參數要求進一步分析研究物料在滾筒內的運動特征，通過調節工藝參數，對在不同工藝參數控制下煙絲物料在滾筒中的運動特征進行分析研究，揭示煙絲物料在滾筒中的運動規律及狀態。

3 煙絲物料運動數字化分析

3.1 單片煙絲運動狀態分析

首先對單片煙絲的一般性運動規律展開研究。從EDEM 的后處理工具Analyst 中提取構建煙絲物料模型的所有離散化顆粒中每個顆粒的運動狀態信息。以煙絲物料滾筒中某單片煙絲的運動仿真結果為例，對單片煙絲的運動狀態進行分析。圖5 所示為單片煙絲在傾角為3°滾筒模型中的運動軌跡，仿真計算系統絕對坐標系的原點位置取直角坐標系的坐標原點，位于煙絲物料滾筒進料口外部。由圖5可見，單片煙絲以一定速度進入滾筒進料口，隨后拋落到靠近進料口的筒壁底側，與其它煙絲物料在抄板的作用下一起向前并上升約0.6 m 后再次拋落至筒壁底側，完成一個上升與下降的運動周期，清晰地表達出被選煙絲在所提取信息范圍內的運動狀態。

圖5 某片煙絲在傾角為3°的滾筒中的運動軌跡Fig.5 Trajectory of a piece of tobacco in a drum with an inclination of 3°

為進一步分析研究煙絲物料在滾筒中的運動狀態，通過數字化手段揭示煙絲物料在滾筒中的運動狀態，基于EDEM 仿真分析結果，提取出煙絲物料的數字化表征。如圖6 所示為提取的該片煙絲質心顆粒在0.12～0.25 s 部分時間的空間位置坐標。

圖6 該片煙絲質心顆粒0.12～0.25 s 的空間位置坐標Fig.6 Spatial position coordinates of the tobacco centroid particle in 0.12～0.25 s

同理，基于EDEM 仿真分析結果，提取出該片煙絲顆粒的速度狀態。如圖7 所示為煙絲質心顆粒在0～12 s 內的速度情況，可以直觀地看出煙絲的運動速度呈周期性變化。被選煙絲在0.12 s 開始進入滾筒，下落速度由0.10 m/s 增至2.82 m/s，約在0.36 s 時下落至滾筒底部，當煙絲接觸滾筒底部時，速度快速下降至0.12 m/s。隨后，煙絲在滾筒內壁摩擦力和抄板作用下，逐漸跟隨滾筒作圓周運動，約在1.1 s 時該煙絲與滾筒速度一致，為0.49m/s。大約1.82 s 時煙絲在（煙絲位置逐漸升高，重力勢能逐漸增大）滾筒內壁上產生了滑移，速度降至0.22 m/s，煙絲滑移落到抄板上，繼續跟隨抄板向上運動。大約在2.2 s 時，煙絲運動到重力勢能最大點開始作拋落運動，進而完成一個周期運動，實現對煙絲運動速度的數字化分析研究。

圖7 該片煙絲質心顆粒0～12 s 的速度-時間圖像Fig.7 Velocity-time image of shredded tobacco centroid particle in 0～12 s

3.2 煙絲物料運動狀態分析

通過對烘絲滾筒仿真結果中單片煙絲物料運動信息的提取，可以清晰地分析出煙絲物料在滾筒中的運動情況，考慮影響煙絲運動的主要因素為滾筒轉速與滾筒傾角，以及煙絲物料之間的相互作用，所以選定多片煙絲進行運動行為分析。如圖8 所示為多片被選定煙絲質心顆粒在傾角為3°的滾筒中的運動軌跡圖。

圖8 多片煙絲質心顆粒在傾角為3°的滾筒中的運動軌跡Fig.8 Trajectory of multiple tobacco centroid particles in a drum with an inclination of 3°

可以看出，被選定的各片煙絲在運動中主要的差異在于空間位置，即煙絲顆粒運動的最高點最低點之間的差異，以及煙絲顆粒在滾筒中運動距離長度的差異，可是不難發現煙絲物料在運動中呈明顯的周期性變化。為探究物料的周期性運動規律，在EDEM 仿真結果中將烘絲滾筒內的一個周期運動分為前、中、后3 個部分并截取橫向截面。

本文基于對27 組不同工藝參數下滾筒內煙絲物料的運動仿真結果進行研究，通過對烘絲滾筒內一個周期運動的前，中、后3 個環形截面研究分析，歸納出煙絲在滾筒內雖然在上拋最高點與下落最低點的空間位置存在差異，但物料總體均以上升、下落、震蕩為運動周期，不斷以螺旋狀向前運動。并且，基于煙絲質心顆粒的運動行為分析，將煙絲物料在滾筒內一個周期運動狀態分為3 個階段的典型運動，即1 階段持料上升運動、2 階段持瀉落運動以及3 階段拋落運動，如圖9 所示。

圖9 滾筒中煙絲物料的3 種典型運動Fig.9 Three typical movements of shredded tobacco in the drum

（1）持料上升運動

煙絲物料在抄板和滾筒壁的帶動以及煙絲物料間的相互摩擦、碰撞作用下，沿滾筒壁向上并作圓周運動，此時煙絲物料顆粒質心的Z軸向速度及加速度均不為零，速度呈上升趨勢，如圖9（a）所示。但隨著滾筒轉動速度逐漸增大到某臨界值時，部分煙絲物料由于受到離心力作用做離心運動，另一部分煙絲物料由于自身重力做瀉落運動。

（2）瀉落運動

煙絲物料經入料端進入滾筒內后，在滾筒內因抄板帶動，以及煙絲物料間的相互摩擦、碰撞作用隨滾筒壁作上升運動，但由于滾筒轉速偏低導致離心力不足，部分煙絲受重力及摩擦阻力影響產生煙絲堆積滑移現象，甚至瀉落至滾筒底部，產生滑移瀉落煙絲量占物料總比的25%～35%。此過程中，煙絲物料的運動狀態特征即為瀉落運動狀態，如圖9（b）所示。此時產生滑移、瀉落的煙絲的Z軸方向速度小于0，加速度不為0。

（3）拋落運動

煙絲物料隨滾筒內壁和抄板作上升運動，當運動到煙絲物料重力勢能最大時，由于煙絲跟隨滾筒轉動，物料并非垂直下落，在慣性作用下煙絲物料做斜拋運動。根據物料滾筒轉速不同，煙絲物料斜拋運動所覆蓋的空間面積存在較大差異，拋灑煙絲量占煙絲物料總比為30%～45%。此時做拋落運動煙絲Z軸方向速度≤0，煙絲作拋落運動，如圖9（c）所示。

4 結論

對生產線煙絲尺寸、形狀抽樣檢測，應用EDEM 軟件建立了粒群煙絲離散模型，并在EDEM軟件離散元仿真系統中計算烘絲滾筒內煙絲物料的運動狀態，分析不同典型工藝參數下煙絲在滾筒內的運動行為，得到以下結論：

（1）EDEM 仿真計算將密封滾筒內煙絲物料運動的“黑箱”過程“可視化”，將煙絲物料運動行為數字化表征，得到了煙絲物料的運動規律及基本狀態。（2）各物料顆粒的上拋高點、下落低點、水平移動距離有明顯差異，但在烘絲滾筒內的總體運動軌跡呈周期性螺旋式向前運動。（3）煙絲物料在滾筒中的運動行為主要有3 種典型運動狀態：持料上升運動、瀉落運動、拋落運動。