陳志庭

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉圣公司坡底煤業(yè)，山西 晉城 048006)

螺旋輸送機(jī)是一種利用螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)推動散粒物料沿料槽運(yùn)動的輸送機(jī)械設(shè)備。根據(jù)輸送方位的不同，可以分為水平、傾斜和垂直等多種形式。螺旋輸送機(jī)內(nèi)部的螺旋葉片間距較小，適用于輸送粉料、顆粒料和小塊物料等[1-2].螺旋葉片是螺旋輸送機(jī)的重要部件,其磨損性直接影響螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行效率。嚴(yán)重的葉片磨損會降低螺旋輸送機(jī)的輸送效率,增加設(shè)備的事故率,減少輸送機(jī)的使用壽命。本文依托礦山領(lǐng)域破碎煤體為運(yùn)輸物料背景，采用數(shù)值模擬的方法對垂直螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片進(jìn)行分析研究，旨在為后續(xù)現(xiàn)場破碎煤體裝卸載過程中旋轉(zhuǎn)速度和填充率的合理選擇提供依據(jù)。

1 輸送機(jī)的工程應(yīng)用概況

在礦山領(lǐng)域中螺旋輸送機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對于破碎煤體的連續(xù)運(yùn)輸功能，因此常被用于破碎煤體的裝載和卸載[3-4].該輸送機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對于破碎煤體的水平式、垂直式和傾斜式封閉運(yùn)輸，且具有設(shè)計結(jié)構(gòu)簡潔、橫截面直徑較小、操作及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

螺旋輸送機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動裝置對螺旋軸提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，將從進(jìn)料口放入的破碎煤體通過螺旋葉片推移運(yùn)輸至出料口放出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)破碎煤體裝卸或卸載的連續(xù)運(yùn)作過程[5].螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，破碎煤體在螺旋輸送機(jī)內(nèi)運(yùn)輸?shù)倪^程中，將會與輸送機(jī)機(jī)殼內(nèi)壁之間產(chǎn)生摩擦阻力，這將會對螺旋葉片產(chǎn)生阻力效應(yīng)，如果輸送機(jī)采用垂直式或傾斜式封閉運(yùn)輸，還會受到破碎煤體本身重力的阻力效應(yīng)，進(jìn)而對螺旋葉片造成較高的承載負(fù)荷，影響螺旋葉片的工作效率及使用壽命?？梢?，垂直螺旋輸送機(jī)在運(yùn)送破碎煤體時螺旋葉片所承載的負(fù)荷最大，因此針對此種模式下輸送機(jī)的螺旋葉片進(jìn)行相應(yīng)的分析研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 三維模型的建立

為了更好地分析垂直輸送機(jī)內(nèi)螺旋葉片承載負(fù)荷受損演變規(guī)律，采用典型的工業(yè)顆粒流動模擬軟件EDEM進(jìn)行模擬研究[6].首先采用SolidWorks軟件建立垂直輸送機(jī)的三維模型，然后將其導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行后續(xù)的模擬運(yùn)算，所建立的三維數(shù)值模型見圖2.

圖2 三維數(shù)值模型圖

圖2中，螺旋葉片直徑設(shè)置為200 mm，相鄰葉片之間的垂直間距為15 cm，其泊松比、剪切模量和密度分別為0.35、70 GPa和8 000 kg/m3；破碎煤體在此進(jìn)行簡化，定性為直徑為16 mm的均值顆粒，其泊松比、剪切模量和密度分別為0.35、0.5 GPa和1 350 kg/m3.

2.2 不同轉(zhuǎn)速下螺旋葉片損傷分析

垂直螺旋輸送機(jī)內(nèi)的螺旋軸在驅(qū)動裝置所產(chǎn)生的驅(qū)動力作用下，將會帶動螺旋葉片同步旋轉(zhuǎn)，針對螺旋葉片在旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min、200 r/min、280 r/min和360 r/min等4種不同情況下的損傷情況進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)輸，結(jié)果見圖3.

圖3 不同轉(zhuǎn)速時螺旋葉片損傷云圖

由圖3可知，隨著螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度的遞增，螺旋葉片從外側(cè)邊緣位置處開始出現(xiàn)損傷，且損傷面積沿著徑向向內(nèi)逐漸擴(kuò)大，靠近螺旋軸根部位置的葉片損傷較小。這表明螺旋軸在相對較高的旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行將會加重螺旋葉片的損傷程度，提高運(yùn)輸破碎煤體工作效率的同時縮減了旋轉(zhuǎn)葉片的使用壽命。

同時，對于螺旋軸不同旋轉(zhuǎn)速度下螺旋葉片的平均磨損量和最大磨損量隨時間變化情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖4.

圖4 不同轉(zhuǎn)速時螺旋葉片損傷隨時間變化規(guī)律圖

由圖4a)可知，在螺旋軸不同旋轉(zhuǎn)速度下，螺旋葉片的平均磨損量均隨著時間的增加而增大，且同一時間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)速度越快時平均磨損量越大。在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min，時間點(diǎn)為10 s時的平均磨損量為2.7×10-9m，而在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為360 r/min，時間點(diǎn)為10 s時的平均磨損量為1.47×10-8m，增幅高達(dá)444%.由圖4b)可知,螺旋葉片的最大磨損量均隨著時間的增加而增大，且同一時間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)速度越快時最大磨損量越大。在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min，時間點(diǎn)為10 s時的最大磨損量為5.14×10-8m，而在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為360 r/min，時間點(diǎn)為10 s時的最大磨損量為5.03×10-7m，增幅高達(dá)879%.綜上分析可知，螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度對于螺旋葉片損傷的影響效果十分明顯。

2.3 不同填充率下螺旋葉片損傷分析

采用垂直螺旋輸送機(jī)裝卸載破碎煤體時，通過進(jìn)料口一次性放入破碎煤體量的不同將會導(dǎo)致輸送機(jī)內(nèi)螺旋葉片之間被破碎煤體填充的程度不同，在此選用螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min，填充率為0.2、0.4、0.6和0.8等4種不同情況下的螺旋葉片的損傷情況進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，結(jié)果見圖5.

圖5 不同填充率時螺旋葉片損傷云圖

由圖5可知，隨著填充率的遞增，螺旋葉片從外側(cè)邊緣位置處開始出現(xiàn)損傷，且損傷面積沿著徑向向內(nèi)逐漸擴(kuò)大，靠近螺旋軸根部位置的葉片損傷較小。這表明垂直螺旋輸送機(jī)在相對較高的填充率下運(yùn)行將會加重螺旋葉片的損傷程度，提高運(yùn)輸破碎煤體工作效率的同時縮減了旋轉(zhuǎn)葉片的使用壽命。

同時，對于螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min，填充率為0.2、0.4、0.6和0.8等4種不同情況下的平均磨損量和最大磨損量隨時間變化情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖6.

圖6 不同填充率時螺旋葉片損傷隨時間變化規(guī)律圖

由圖6a)可知，在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min時，填充率取值不同時，螺旋葉片的平均磨損量均隨著時間的增加而增大，且同一時間點(diǎn)填充率越大時平均磨損量越大。在填充率為0.2，時間點(diǎn)為10 s時的平均磨損量為2.68×10-9m，而在填充率為0.8，時間點(diǎn)為10 s時的平均磨損量為8.71×10-9m，增幅高達(dá)225%.由圖7b)可知，在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min，填充率取值不同時，螺旋葉片的最大磨損量均隨著時間的增加而增大，且同一時間點(diǎn)填充率越大時最大磨損量越大。在填充率為0.2，時間點(diǎn)為10 s時的最大磨損量為1.62×10-7m，而在填充率為0.8時，時間點(diǎn)為10 s時的最大磨損量為3.08×10-7m，增幅高達(dá)90%.綜上分析可知，垂直螺旋軸內(nèi)破碎煤體的填充率大小對于螺旋葉片損傷的影響效果十分明顯。

3 結(jié) 論

1)采用EDEM軟件建立了垂直螺旋輸送機(jī)的三維數(shù)值模型，并對模型中螺旋葉片和破碎煤體的材料塑性進(jìn)行了定量化賦值。

2)對螺旋葉片在旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min、200 r/min、280 r/min和360 r/min等4種不同情況下的損傷情況進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，得知隨著螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度的遞增，螺旋葉片從外側(cè)邊緣位置處開始出現(xiàn)損傷，且損傷面積沿著徑向向內(nèi)逐漸擴(kuò)大，靠近螺旋軸根部位置的葉片損傷較小。同時，對于螺旋軸不同旋轉(zhuǎn)速度下螺旋葉片的平均磨損量和最大磨損量隨時間變化情況進(jìn)行了監(jiān)測，得知螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度對于螺旋葉片損傷的影響效果十分明顯。

3)對螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min時，填充率為0.2、0.4、0.6和0.8等4種不同情況下的螺旋葉片的損傷情況進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，得知隨著填充率的遞增，螺旋葉片從外側(cè)邊緣位置處開始出現(xiàn)損傷，且損傷面積沿著徑向向內(nèi)逐漸擴(kuò)大，靠近螺旋軸根部位置的葉片損傷較小。同時，對于不同填充率條件下的平均磨損量和最大磨損量隨時間變化情況進(jìn)行了監(jiān)測，得知螺旋軸填充率對于螺旋葉片損傷的影響效果十分明顯。