林吉靚，陳瀟，田野
粉料包裝機(jī)計(jì)量螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
林吉靚1，陳瀟1，田野2
（1.開封大學(xué)，河南 開封 475004；
2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150028）
在不改變螺桿轉(zhuǎn)速和外徑的前提下，對(duì)已有包裝機(jī)的計(jì)量螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高計(jì)量螺桿的輸送效率。構(gòu)建螺桿的輸送能力模型，并分析顆粒在計(jì)量螺桿內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)電鏡顯微鏡觀測(cè)典型物料顆粒微觀形貌，在離散元仿真環(huán)境中構(gòu)建顆粒形貌，并模擬粉狀物料的計(jì)量輸送過(guò)程。通過(guò)比對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)量螺桿輸送能力，得到初選結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于粒子群優(yōu)化算法得到螺桿最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)仿真模擬方法對(duì)優(yōu)化后的計(jì)量螺桿輸送能力進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。優(yōu)化后的計(jì)量螺桿對(duì)粉狀物料輸送速度為358.79 mm/s，輸送效率提高了7.44%。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真模擬結(jié)合的方法，提高了粉狀物料計(jì)量螺桿的輸送效率，為工業(yè)企業(yè)計(jì)量螺桿的設(shè)計(jì)和加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。
螺桿優(yōu)化；
仿真模擬；
算法優(yōu)化；
設(shè)計(jì)
由于螺桿計(jì)量方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修保養(yǎng)方便、成本低等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外的食品和藥品的生產(chǎn)企業(yè)普遍采用螺桿計(jì)量包裝機(jī)對(duì)粉末狀和顆粒狀物料進(jìn)行計(jì)量包裝。
通過(guò)對(duì)螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可提高其輸送效率和精度。對(duì)螺桿的螺距進(jìn)行設(shè)計(jì)可改變螺旋葉片間的粉體物料密實(shí)度，從而提高單位轉(zhuǎn)速上物料的輸送效率[1]。針對(duì)流動(dòng)性和黏度不同的粉體，提出了異型螺桿結(jié)構(gòu)，對(duì)螺桿的螺旋升角、底徑、螺距、齒形、尾部頭數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅能保證粉體輸送的送料穩(wěn)定性，還能提高螺桿的分裝速度和裝量精度[2-4]。通過(guò)對(duì)螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究可知，螺桿的螺距、分量孔的尺寸以及粉料的物性都會(huì)對(duì)粉料包裝的效率和精度產(chǎn)生較大影響[5-6]。
借助計(jì)算機(jī)CAE軟件的分析功能可對(duì)螺桿的性能進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。利用ABAQUS軟件的非線性計(jì)算能力可分析不同工況下螺桿的壓力載荷，證明螺桿運(yùn)行過(guò)程中的熱形變對(duì)螺桿擠壓性能的影響[7]。通過(guò)比較有限元軟件計(jì)算的固有頻率和實(shí)測(cè)頻率，可對(duì)頻率項(xiàng)進(jìn)行敏感度分析，使用設(shè)計(jì)參數(shù)修改方法可對(duì)該參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和修正[8]。通過(guò)有限元方法分析攪拌槳對(duì)相應(yīng)物料推送、攪拌和灌裝的影響，提高了黏稠液體物料的混合效率[9-10]。考慮黏稠物料的流動(dòng)特性可采用流體力學(xué)軟件，設(shè)計(jì)確定影響水平輸送螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并獲得最佳質(zhì)量時(shí)的幾何參數(shù)[11]。基于HyperMorph對(duì)主動(dòng)輥筒的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，改進(jìn)輥筒輻板的力學(xué)性能，優(yōu)化后其結(jié)構(gòu)不僅輕量化還可抑制振動(dòng)[12]。Kothalkar等[13]通過(guò)改變料斗側(cè)壁坡角的試驗(yàn)確定其對(duì)粉體流量的影響。Keisuke等[14]利用X射線可視化技術(shù)，在圖像處理技術(shù)的幫助下，實(shí)現(xiàn)了粉末在螺旋給料機(jī)中流動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量。
螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響物料的輸送效率和計(jì)量精度，利用仿真軟件和優(yōu)化算法得到最優(yōu)的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，在功率和轉(zhuǎn)速相同的情況下比較其計(jì)量輸送效率。
計(jì)量螺桿的輸送效率和螺桿的尺寸參數(shù)有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)螺桿的外徑、內(nèi)徑越大，螺距越長(zhǎng)，輸送的物料就越多。由于計(jì)量速度與螺桿計(jì)量能力成正比，因此，計(jì)量螺桿的內(nèi)外徑、螺距是否合理，極大地影響粉體計(jì)量誤差。
目前某醫(yī)藥企業(yè)采用的計(jì)量螺桿最大直徑為40 mm，螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如圖1所示，為螺桿螺距，為螺桿槽深。
式中：為物料的密度；
為計(jì)量螺桿的截面積；
為螺桿的進(jìn)給速度。當(dāng)輸送的物料和螺桿的轉(zhuǎn)速確定時(shí)，輸送能力由螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。
整理后見式（5）。
式中：為常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，其根據(jù)具體物料和螺桿轉(zhuǎn)速確定，再聯(lián)立式（4）和式（5），物料的輸送能力計(jì)算見式（6）。
由式（6）可知，當(dāng)物料和螺桿的轉(zhuǎn)速確定時(shí)，物料的輸送能力取決于螺桿的槽深及螺桿的螺距。
螺旋輸送機(jī)在輸送物料過(guò)程中，物料的運(yùn)動(dòng)由于受旋轉(zhuǎn)螺旋的影響，其運(yùn)動(dòng)并非單純的沿軸線做直線運(yùn)動(dòng)，顆粒物料在自身重力，螺旋葉片法向推力以及摩擦力的共同作用下作空間復(fù)合運(yùn)動(dòng)。將螺旋槽中的單個(gè)物料顆粒作為研究對(duì)象，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度矢量圖見圖2。
圖2 顆粒速度矢量圖
計(jì)量螺桿內(nèi)顆粒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度a的表達(dá)式見式（8）。
式中：z為計(jì)量螺桿對(duì)顆粒的軸向牽連運(yùn)動(dòng)速度；
r為計(jì)量螺桿內(nèi)顆粒相對(duì)于螺旋面的滑動(dòng)速度。
將得到的顆粒絕對(duì)速度進(jìn)行分解，如圖3所示。
圖3 顆粒絕對(duì)速度分解
顆粒絕對(duì)速度分解滿足以下關(guān)系：
為了對(duì)粉體物料的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，需要對(duì)物料的粒徑分布進(jìn)行分析，以某品牌的膳食纖維粉為研究對(duì)象，通過(guò)激光粒度儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量參數(shù)見表1。圖4為膳食纖維粉體的粒徑分布曲線。通過(guò)測(cè)量結(jié)果可知，膳食纖維粉體的中位徑為116.9 μm。
表1 膳食纖維粉體粒徑測(cè)量參數(shù)
Tab.1 Particle size measurement parameters of dietary fiber powder
圖4 膳食纖維粉體粒徑分布
為了對(duì)顆粒形貌進(jìn)行模擬，使用電鏡（SEM）觀察膳食纖維粉體顆粒的表面微觀形貌，其圖像如圖5所示。由圖5可以看出，膳食纖維粉體團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，且表面形貌不規(guī)則，粒徑分布并不均勻，因此在設(shè)置粉體粒徑大小時(shí)，參考膳食纖維的中位徑作為仿真模擬的均值粒徑。
圖6a為電鏡下觀測(cè)到的顆粒形貌，以實(shí)際顆粒形貌邊緣輪廓特征作為基礎(chǔ)，在仿真軟件中通過(guò)多種尺度粒徑顆粒疊加的方式對(duì)顆粒進(jìn)行重構(gòu)，如圖6b所示，多個(gè)顆粒組合后的整體即為重構(gòu)的模擬顆粒，重構(gòu)顆粒的等效體積直徑為116.9 μm。
圖5 膳食纖維表面微觀形貌
圖6 模擬顆粒形貌構(gòu)建
為了設(shè)計(jì)適用于大多數(shù)粉體顆粒輸送的螺桿，將螺桿的外徑固定為40 mm。探究螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)粉體物料輸送能力的影響，設(shè)置螺桿的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用建模軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺桿進(jìn)行建模，通過(guò)改變螺桿的槽深和螺距，得到不同參數(shù)下的螺桿。分別設(shè)計(jì)了9組不同槽深和螺距的螺桿，其具體參數(shù)如表2所示。
表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
Tab.2 Test parameter settings
利用粉體仿真軟件EDEM對(duì)物料輸送狀態(tài)進(jìn)行模擬，粉體物料為膳食纖維，螺桿材料為304不銹鋼，物料的填充效率在水平狀態(tài)下設(shè)置為0.5，物料的綜合系數(shù)、物料的綜合特性系數(shù)以及螺桿的最大轉(zhuǎn)速參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]，其仿真部分物理參數(shù)如表3所示。
表3 粉狀物料和螺桿物理參數(shù)
Tab.3 Powdery material and physical parameters of screw
粉狀物料在不同槽深的計(jì)量螺桿中輸送狀態(tài)如圖7所示。當(dāng)顆粒不斷生成后，螺桿將顆粒輸送至出料口，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺桿在相同轉(zhuǎn)速下的物料速度是不同的，通過(guò)比較物料在螺桿中的平均運(yùn)動(dòng)速度，確定最佳的螺桿尺寸參數(shù)。
圖7 不同槽深的計(jì)量螺桿物料輸送模擬
將不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺桿輸送粉體的速度數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，顆粒在輸送的過(guò)程中速度呈現(xiàn)規(guī)律的波動(dòng)，當(dāng)槽深為10 mm，螺距為40 mm時(shí)，輸送的粉狀物料平均輸送速度最大。
選取1 s以后粉料輸送速度數(shù)據(jù)，得到輸送過(guò)程中的平均速度如表4所示，第6組試驗(yàn)中槽深為10 mm、螺距為40 mm時(shí)，顆粒輸送的平均速度最高為333.95 mm/s。將1、2、3組，4、5、6組和7、8、9組分別作為3個(gè)試驗(yàn)大組可以看出，顆粒輸送的平均速度隨著螺距的增加而增大。
圖8 不同結(jié)構(gòu)螺桿輸送粉料速度曲線
表4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下顆粒輸送平均速度
Tab.4 Average particle conveying speed under different structural parameters
通過(guò)EDEM對(duì)多組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)量螺桿仿真模擬結(jié)果可知，當(dāng)螺桿的槽深為10 mm、螺距為40 mm時(shí)，粉狀物料的平均輸送速度最高，但參數(shù)選擇只能是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，因此需要利用粒子群優(yōu)化算法尋找最佳的螺桿參數(shù)。
由表4可知，螺距越大，顆粒輸送平均速度越高，槽深對(duì)粉料的輸送主要體現(xiàn)在對(duì)粉料的容納能力上，因此將槽深計(jì)算域設(shè)置為[5,15]，將螺距的計(jì)算域設(shè)置為[35,60]。
優(yōu)化算法中將螺桿的槽深和螺距作為變量，獲得包含槽深和螺距變量的目標(biāo)函數(shù)。
通過(guò)粒子群優(yōu)化算法得到螺距和槽深所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)關(guān)系曲線，見圖9。由圖9可以看出，目標(biāo)函數(shù)的拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的槽深為10.65 mm、螺距為49.3 mm。
基于優(yōu)化后的槽深和螺距結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立計(jì)量螺桿的三維模型如圖10所示。
圖9 優(yōu)化螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸送量關(guān)系曲線
圖10 粒子群算法優(yōu)化后螺桿參數(shù)
為了驗(yàn)證優(yōu)化后的計(jì)量螺桿對(duì)粉狀料的輸送能力，將其三維模型輸入仿真模擬軟件中，得到其輸送的速度曲線。設(shè)置最佳參數(shù)和粒子群算法優(yōu)化后參數(shù)的顆粒輸送速度圖像對(duì)比見圖11，由圖11可以看出，粒子群算法優(yōu)化后的螺桿在輸送顆粒物料時(shí)，顆粒的輸送速度相對(duì)較快。
圖11 算法優(yōu)化參數(shù)與設(shè)置最佳參數(shù)對(duì)比
選取1 s后顆粒輸送速度穩(wěn)定后的圖像數(shù)據(jù)，得到2組試驗(yàn)螺桿輸送顆粒的平均速度，顆粒輸送的平均速度分別為333.95、358.79 mm/s，其螺桿參數(shù)輸送速度提高了7.44%。
文中基于已有螺桿計(jì)量包裝機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，在外徑和轉(zhuǎn)速不變的前提下，對(duì)螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到以下結(jié)論：
1）建立了顆粒物料在計(jì)量螺桿內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度模型和計(jì)量螺桿的輸送量模型。
2）基于顆粒微觀形貌仿真模擬了粉料計(jì)量輸送過(guò)程，得到槽深和螺距對(duì)物料輸送效率影響較大。
3）基于粒子群優(yōu)化算法對(duì)計(jì)量螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，算法優(yōu)化后的計(jì)量螺桿對(duì)粉狀物料輸送的效率提高了7.44%。
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Optimal Design of Structural Parameters of Metering Screw in Powder Packaging Machine
LIN Ji-jing1, CHEN Xiao1, TIAN Ye2
(1. Kaifeng University, Henan Kaifeng 475004, China; 2. Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)
The work aims to optimize the design of structural parameters of metering screw in packaging machine and improve the conveying efficiency of metering screw without changing its speed and outer diameter. The conveying capacity model of the screw was established and the movement velocity of particles in the metering screw was analyzed. The typical particle morphology was observed by electron microscope. Then, the particle morphology was constructed in discrete element simulation environment, and the measurement and conveying process of powdery materials was simulated. The primary structural parameters were obtained by comparing the conveying capacity of metering screw with different structural parameters. The optimal structural parameters of screw were obtained based on particle swarm optimization algorithm, and the conveying capacity of optimized metering screw was compared and verified by simulation method. The conveying speed of optimized metering screw for powdery materials was 358.79 mm/s, and the conveying efficiency increased by 7.44%. The conveying efficiency of metering screw for powdery materials is improved by optimizing structural parameters and combining simulation, which provides basic data reference for design and processing of metering screw in industrial enterprises.
screw optimization; simulation; optimization by algorithm; design
TB482.2；
TH122
A
1001-3563(2023)05-0181-07
10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.023
2022?05?05
開封市新型農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)橫向項(xiàng)目；
河南省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（202102110272）；
黑龍江省自然科學(xué)基金（LH2020E027）
林吉靚（1979—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)機(jī)械。
田野（1981—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橹悄馨b機(jī)械。
責(zé)任編輯：曾鈺嬋
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