北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院 于瑞江 湯曉華 張玉玲

1 引言

螺旋輸送機(jī)是一種無撓性牽引物料的連續(xù)輸送設(shè)備，可以用來沿水平方向和傾斜方向或垂直（立式）方向輸送物料。螺旋輸送機(jī)被用于糧油、食品的生產(chǎn)輸送中。但目前，螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)仍是依靠經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，很大程度上要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，許多參數(shù)的選擇都是憑經(jīng)驗(yàn)選取，這使得螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)相對落后，易出現(xiàn)輸送量低、功率消耗高、設(shè)備磨損嚴(yán)重以及物料堵塞破損等問題。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)得知，國外對螺旋輸送裝置的性能分析方面主要集中在利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)器進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控及可視化研究。本文使用仿真模擬的方法對水平螺旋輸送機(jī)進(jìn)行動態(tài)仿真，探究不同填充率下對顆粒物料運(yùn)動速度、顆粒及螺旋輸送機(jī)受力情況以及功率消耗的影響。

離散元法(DEM)是求解與分析復(fù)雜離散系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律與力學(xué)特征的一種新型非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法，它能夠仿真顆粒運(yùn)動及顆粒接觸的整個動態(tài)過程，更好地研究螺旋輸送機(jī)的性能。離散元法最早由Cundall和Strack提出并應(yīng)用于巖石力學(xué)的研究。在眾多機(jī)械領(lǐng)域中，離散元法成為一種更加高效的仿真顆粒運(yùn)動的數(shù)值方法，特別是對于巖石、沙粒及顆粒類物質(zhì)的處理。隨后，Yoshiyuki Shimizu、Philip J. OWEN等人前后利用DEM法對不同形狀的散粒物料在不同狀態(tài)下的螺旋輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)動情況進(jìn)行模擬仿真，并把得出的結(jié)論與試驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)值比較，結(jié)果表明他們所采取的方法是可行的[3-4]。Jigar Patel等通過分析DEM法在螺旋輸送機(jī)輸送過程仿真方面的研究現(xiàn)狀。

2 仿真模型建立

2.1 螺旋輸送機(jī)模型

本模擬仿真中用到的螺旋輸送機(jī)螺旋管直徑d1為40mm，螺距S為32mm，螺旋轉(zhuǎn)速為200r/min，輸送距離L為205mm，螺旋輸送機(jī)在EDEM中的模擬圖如圖1所示。

圖1 螺旋輸送機(jī)在EDEM中的模擬圖

2.2 顆粒模型及參數(shù)

在模擬中使用的顆粒材料為稻花香大米，模擬中采用球形顆粒代替，半徑為1.6mm，具體物料屬性如表1所示。表2為大米顆粒之間、大米顆粒與螺旋輸送機(jī)之間的物料特性。

表1 材料物料屬性

表2 物料特性

3 水平螺旋輸送機(jī)生產(chǎn)率

對于實(shí)體螺旋面的水平螺旋輸送機(jī)生產(chǎn)率為[5]：

式中：

d1——螺旋管直徑，模型中螺旋管直徑為40mm；

C——傾斜輸送修正系數(shù)，由于是水平螺旋輸送機(jī)，所以該值為1；

n——螺旋軸轉(zhuǎn)速，模擬仿真中采用200r/min的轉(zhuǎn)速；

k1——螺距和螺旋管直徑之比。

將已知量代入上式得出以下公式：

其中Q相當(dāng)于EDEM軟件中的Generation Rate ，只需要更改該數(shù)值就可以模擬仿真不同填充率下的螺旋輸送機(jī)輸送情況。

4 EDEM仿真結(jié)果分析及結(jié)論

4.1 功率消耗

功率表示旋轉(zhuǎn)螺旋帶動大米顆粒運(yùn)動時在單位時間內(nèi)所消耗的能量，導(dǎo)出數(shù)據(jù)選取在螺旋軸旋轉(zhuǎn)2~3轉(zhuǎn)后螺旋輸送機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的數(shù)據(jù)。由于螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速恒為200r/min，所以消耗功率與扭矩成正比，不同填充率下的扭矩圖如圖2所示。

圖2 不同填充率下螺旋送料器扭矩

由圖2可看出：

（1）填充率在20%~30%之間，螺旋輸送機(jī)扭矩（功率消耗）呈線性增加；

（2）填充率在30%~40%之間，螺旋輸送機(jī)扭矩（功率消耗）基本不變；

（3）當(dāng)填充率過大，如在60%~80%之間，螺旋輸送機(jī)扭矩（功率消耗）急劇增大。在填充率較大時，被輸送的物料在螺旋管中的分布可近似地認(rèn)為沿管的圓弧扇形分布。當(dāng)螺旋軸旋轉(zhuǎn)時，實(shí)體螺旋面作用在物料的力，不僅有向前的推力（法向力），而且有圓周方向的切向力，這個圓周切向分力使物料沿圓周傾斜角度a。由于摩擦力及自重使物料沿圓弧下滑的力，平衡了螺旋面的圓周切向力。當(dāng)圓周力增大時傾斜角a也增大，大到一定程度使得物料沿著圓周方向翻滾，而不沿螺旋軸方向輸送。因此，在能保證輸送量要求的情況下選用小的填充率，一般在20%~30%之間即可。

4.2 大米顆粒運(yùn)動速度

螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min時，填充率分別為20%、50%、70%時大米顆粒的平均速度如圖3所示。

圖3 不同填充率下顆粒平均速度

由圖3可以看出，20%的填充率相比于70%的填充率，大米顆粒的平均速度僅高7.6%，可見，改變填充率系數(shù)，大米顆粒的平均速度沒有多大變化。

4.3 接觸受力情況

4.3.1 大米顆粒受力

物料填充率分別為20%、50%、70%時大米顆粒間以及大米與螺旋輸送機(jī)之間的法向力和切向力變化曲線如圖4所示。

圖4 不同填充率下大米顆粒受力情況

由圖4可知：

（1）由于摩擦力及自重使物料沿圓弧下滑的力，平衡了螺旋面的圓周切向力，所以大米顆粒受到螺旋輸送機(jī)的法向力普遍大于所受切向力；

（2）在填充率為50%時，大米顆粒所受法向力和切向力是最大的；填充率為20%時，綜合受力最小。

4.3.2 螺旋輸送機(jī)受力

不同填充率下，螺旋輸送機(jī)受力情況如圖5所示：

圖5 不同填充率螺旋輸送機(jī)受力情況

由于力是相互作用的，所以在物料填充率為50%時，螺旋輸送機(jī)的受力是最大的。所以，以20%的填充率輸送單位質(zhì)量的物料時螺旋輸送機(jī)螺旋面受力最小，磨損和變形等最少。

[1]P A Cundall.A computer model for simulating progressive,large scale movement in blocky rock systems[C].//In:Proc.Symp. Int.Rock Mech,1971:3-8.

[2]P A Cundall,O Strack.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Geotechnique,1979,29:266-271.

[3]Yoshiyuki Shimizu,Peter A.Cundall.DEM SIMULATIONS OF BULK HANDLING BY SCREW CONVEYORS[J].Eng Mech,2001,12(7):864-872.

[4]Philip J OWEN,Paul W.CLEARY.Screw Conveyor Performance:Comparison of Discrete Element Modelling with Laboretory Experiment[J].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO,2009(12):9-11.

[5]宋祁群.水平螺旋輸送機(jī)輸送機(jī)理的研究[J].武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報,1993(17):375-382.