外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)輸送大豆的輸送特性

李健+賈瑞清+王乾

摘要：外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)是一種新型的垂直螺旋輸送技術(shù)，其工作原理是螺旋葉片與機(jī)架固定連接，通過外筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)物料沿螺旋葉片上升。對外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)垂直輸送大豆的輸送特性進(jìn)行仿真模擬與分析，其具體步驟為：首先建立外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)模型，然后將模型導(dǎo)入EDEM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其輸送特性，最后總結(jié)外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和研究方向。

關(guān)鍵詞：散體物料輸送；大豆；外筒驅(qū)動(dòng)技術(shù)；垂直螺旋輸送；外筒旋轉(zhuǎn)；螺旋固定

中圖分類號： TH224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0201-04

螺旋輸送技術(shù)是物料輸送的一種重要技術(shù)，可以用來水平、傾斜或者垂直輸送散體物料。垂直螺旋輸送機(jī)用于垂直輸送物料，其工作機(jī)理是：螺旋葉片旋轉(zhuǎn)速度在高于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，在離心力、摩擦力及重力的合力下完成散體物料垂直輸送。另外，垂直螺旋輸送機(jī)必須采用重力式或者強(qiáng)迫式給料方式，只依靠螺旋葉片旋轉(zhuǎn)很難完成物料垂直輸送。重力式進(jìn)料適用于流動(dòng)性好的物料，需要注意的是輕質(zhì)物料不適合重力進(jìn)料方式；強(qiáng)迫式進(jìn)料須要加裝其他裝置強(qiáng)迫向垂直螺旋輸送機(jī)供料。在物料提升高度較大的場合須要布置中間軸承，消除螺旋主軸撓曲變形[1-3]。外筒驅(qū)動(dòng)螺旋垂直輸送技術(shù)原理如圖1所示，外筒和進(jìn)料板剛性連接，外筒在驅(qū)動(dòng)力作用下旋轉(zhuǎn)，物料進(jìn)入料斗后，一部分物料被旋轉(zhuǎn)的進(jìn)料板鏟進(jìn)外筒內(nèi)，在外筒內(nèi)壁-物料、物料-物料之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)下沿螺旋葉片上表面螺旋上升。筆者所在課題組已經(jīng)開展了外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)的研究，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示，圖2-a 為試驗(yàn)現(xiàn)場照片，輸送物料為油頁巖顆粒如圖2-b，顆粒度1.6，顆粒密度1 200 kg/m3，提升高度5.5 m，輸送量 8～9，輸送時(shí)，不須要強(qiáng)迫進(jìn)料裝置，中間支撐軸承結(jié)構(gòu)更加簡單，且不存在臨界轉(zhuǎn)速問題。為了分析其輸送糧食作物的可行性和輸送特性，EDEM軟件是分析散體物料輸送的可靠軟件[4-7]，因此本試驗(yàn)以圖2所示的外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)為研究對象，通過EDEM軟件仿真研究外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)輸送大豆的過程。

2 仿真參數(shù)選擇

目前，我國垂直螺旋輸送機(jī)沒有統(tǒng)一的定型產(chǎn)品，只有某些企業(yè)為適應(yīng)市場需要自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，同時(shí)也沒有外筒驅(qū)動(dòng)形式的垂直螺旋輸送機(jī)[1]，采用類比的方法設(shè)計(jì)外筒驅(qū)動(dòng)垂直螺旋輸送機(jī)。某廠自行設(shè)計(jì)的LC型垂直螺旋輸送機(jī)輸送糧食時(shí)技術(shù)性能參數(shù)[1]和外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1建立的外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)仿真樣機(jī)三維模型如圖1所示，其螺旋直徑為193 mm，外筒壁直徑 203 mm，外筒高度400 mm，螺距180 mm，進(jìn)料板高度 200 mm，進(jìn)料板開口寬度50 mm；仿真顆粒選擇大豆，大豆顆粒建模參數(shù)如表2所示，全局變量如表3所示[3]，最終獲得的大豆顆粒模型如圖3所示，仿真大豆顆粒13萬個(gè)，分別仿真模擬外筒轉(zhuǎn)速在40、80、120、160、200 r/min情況下輸送大豆的特性。

3 EDEM仿真分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7-12]，選定外筒大豆速度、大豆角速度、質(zhì)量流率、充填率、輸送效率作為數(shù)據(jù)分析對象。

3.1 外筒轉(zhuǎn)速對大豆速度的影響

由圖4可知，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)不存在臨界轉(zhuǎn)速的問題。傳統(tǒng)垂直螺旋輸送機(jī)輸送糧食時(shí)臨界轉(zhuǎn)速是 120～130 r/min，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)在40 r/min情況下也能夠正常工作。因此，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)不存在臨界轉(zhuǎn)速問題，在低轉(zhuǎn)速情況下也能夠輸送物料。隨外筒轉(zhuǎn)速增大，大豆沿z軸方向的速度分量與合速度的比值越來越小，所以隨外筒轉(zhuǎn)速增大，大豆沿z軸方向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能與其總動(dòng)能的比值越小。因此，設(shè)備輸送效率隨外筒轉(zhuǎn)速增大而降低。從取樣點(diǎn)分布可知，外筒轉(zhuǎn)速和大豆沿垂直方向速度以及外筒轉(zhuǎn)速和大豆速度之間均可近似為線性關(guān)系。

圖6是輸送過程中大豆的轉(zhuǎn)速矢量圖，箭頭代表方向，顏色從白到黑代表轉(zhuǎn)速值從小到大?？偟膩碚f，在同一個(gè)過z軸的截面上，大豆轉(zhuǎn)速的大小和方向比較接近，與其位置關(guān)系不大，可以認(rèn)為大豆以層流形式沿螺旋葉片方向逐步提升。

3.3 質(zhì)量流率分析

從圖7可知，外筒轉(zhuǎn)速在40～120 r/min區(qū)間時(shí)，外筒轉(zhuǎn)速和大豆質(zhì)量流率近似為線性關(guān)系；當(dāng)外筒轉(zhuǎn)速大于 120 r/min 時(shí)，質(zhì)量流率增幅趨勢逐漸變緩。根據(jù)質(zhì)量流率計(jì)算模型輸送量如表5所示，擬合輸送量和外筒轉(zhuǎn)速關(guān)系多項(xiàng)式如式（4）所示：

Q=44.39ω4-661ω3+2 632ω2+1 285ω+1 924。（4）

式中：Q表示輸送量，t/h；ω表示外筒轉(zhuǎn)速，r/min。

參考表1中某廠螺旋直徑200 mm的LC型垂直螺旋輸送機(jī)參數(shù)，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速為160 r/min時(shí)，其輸入量約 10.1 m3/h，輸送物料大豆時(shí)輸送量約為12.4 t/h；由圖7計(jì)算得到外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)輸送量為18.24 t/h。理論上，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)比某廠螺旋直徑 200 mm 的LC型垂直螺旋輸送機(jī)輸送量高47%。特別需要注明的是，LC型垂直螺旋輸送機(jī)須要依靠水平螺旋給料機(jī)進(jìn)料，而外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)只須料斗中物料高于進(jìn)料板即可。

3.4 充填率分析

大豆的充填率是外筒內(nèi)大豆體積與外筒和螺旋葉片圍成空間體積的比值。由圖8可知，在不同外筒轉(zhuǎn)速情況下，外筒中大豆充填率是不同的。計(jì)算充填率時(shí)，截取一段外筒，這段外筒中的大豆總體積除以這段外筒和螺旋葉片圍成的空間體積，得到的結(jié)果就是充填率。不同外筒轉(zhuǎn)速條件下大豆充填率的具體分析結(jié)果如圖9所示，大豆充填率隨外筒轉(zhuǎn)速增大而降低，總體呈線性趨勢。采用線性擬合的方法擬合充填率和外筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系函數(shù)見式（5）：

kV=0.001ω+0.682。（5）

式中：kV表示充填率；ω表示外筒轉(zhuǎn)速，r/min。

從圖8-a中可觀察到大豆幾乎充滿外筒，從圖8-b中可觀察到大豆充填率超過50%；但圖9顯示，當(dāng)外筒轉(zhuǎn)速在40、200 r/min時(shí)，充填率分別為63%、42%。圖8和圖9不相符的原因是在大豆之間存在大量空隙。以外筒轉(zhuǎn)速 40 r/min 為例，在高于進(jìn)料板的位置選取50 mm高的一段外筒為分析

對象，通過EDEM分析可知50 mm高的一段外筒包含5 707個(gè)大豆；50 mm高的一段外筒和螺旋葉片之間空間為 0.001 29 m3；通過計(jì)算得到圖3中每個(gè)大豆模型占用最小網(wǎng)格空間為0.260 mm3。按照最小網(wǎng)格空間的體積計(jì)算，理論上50 mm高的一段外筒內(nèi)最多可存放4 962個(gè)大豆模型網(wǎng)格，很明顯少于仿真得到的大豆顆粒數(shù)，理論結(jié)果和仿真結(jié)果之間存在差別的原因是大豆可以嵌入其他大豆網(wǎng)格空間的空隙，可見是大豆之間的空隙造成圖8和圖9中大豆充填率不相符。

3.5 驅(qū)動(dòng)功率分析

由電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系公式（6）可知，通過分析仿真模型中外筒的轉(zhuǎn)矩，可以求得仿真模型的驅(qū)動(dòng)功率。

T=9 550P/n。（6）

式中：T表示轉(zhuǎn)矩，N·m；P表示外筒驅(qū)動(dòng)功率，W；n表示外筒轉(zhuǎn)速，r/min。

由圖10可知，外筒轉(zhuǎn)矩隨外筒轉(zhuǎn)速增大而增大。外筒驅(qū)動(dòng)最小功率如圖11所示，擬合得到外筒驅(qū)動(dòng)功率外筒轉(zhuǎn)速和外筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系函數(shù)如式（7）所示。在實(shí)際運(yùn)行中還存在機(jī)械損耗、摩擦損耗、大豆碰撞能量損耗，圖11中數(shù)據(jù)比實(shí)際數(shù)據(jù)偏小。

P=0.008ω2+1.886ω+21.11。（7）

式中：P表示外筒驅(qū)動(dòng)功率W；ω表示外筒轉(zhuǎn)速，r/min。

3.6 輸送效率

輸送效率為1 s提升大豆的勢能和1 s電機(jī)做功的比值，不同外筒轉(zhuǎn)速和輸送效率的關(guān)系曲線如圖12所示。隨著外筒轉(zhuǎn)速增大，設(shè)備輸送效率呈下降趨勢。大豆z軸方向動(dòng)能和大豆總動(dòng)能的比值如圖13所示，外筒轉(zhuǎn)速在40～80 r/min時(shí)，大豆z軸方向動(dòng)能占大豆總動(dòng)能的比值比較穩(wěn)定；當(dāng)外筒轉(zhuǎn)速在80～200 r/min時(shí)，大豆z軸方向動(dòng)能占大豆總動(dòng)能的比值減幅很明顯。綜合分析圖12和圖13，在輸送量滿足要求的前提下，外筒運(yùn)行在轉(zhuǎn)速40～80 r/min情況下輸送效率較高。擬合外筒轉(zhuǎn)速-輸送效率關(guān)系多項(xiàng)式如式（8）所示：

η=7E-07ω2+3E-5ω+0.052。（8）

式中：η表示輸送效率；ω表示外筒轉(zhuǎn)速，r/min。

4 結(jié)論

通過EDEM仿真模擬可知，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送技術(shù)能夠應(yīng)用于大豆垂直輸送，同理它也能夠廣泛用于其他糧食的垂直輸送。外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括：第一，結(jié)構(gòu)更加簡單。首先，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)不須要水平螺旋給料機(jī)強(qiáng)迫進(jìn)料，極大節(jié)省設(shè)備成本。其次，外筒旋轉(zhuǎn)相對于螺旋葉片旋轉(zhuǎn)撓度更大，長距離輸送不須要設(shè)計(jì)中間軸承。第二，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)不存在臨界轉(zhuǎn)速問題，能夠在低轉(zhuǎn)速下輸送物料，低轉(zhuǎn)速輸送時(shí)設(shè)備機(jī)械磨損和物料破損率更低。第三，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)可以應(yīng)用在有粉塵爆炸危險(xiǎn)的場合。粉塵爆炸的三要素是粉塵云、充足的空氣或氧化劑、火源或強(qiáng)烈振動(dòng)與摩擦。外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)在低轉(zhuǎn)速下能夠做到高充填率，當(dāng)物料充滿外筒時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生滿足粉塵云和充足的空氣這2個(gè)因素；因?yàn)椴恍枰虚g軸承，不會(huì)由于軸承強(qiáng)烈摩擦生熱而形成火源。所以，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)能夠應(yīng)用在有粉塵爆炸危險(xiǎn)的場合。第四，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)輸送量大。理論上，在相同轉(zhuǎn)速情況下外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)比LC型垂直螺旋輸送機(jī)輸送量高很多。

通過EDEM仿真模擬得到的外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)輸送大豆時(shí)的輸送特性，其中輸送量、輸送效率等公式是基于理論研究方面的，可以作為設(shè)計(jì)參考。但是，本研究得到的結(jié)論若要直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，還須通過試驗(yàn)平臺研究進(jìn)行修正。同時(shí)，不同物料特性、螺旋升角、進(jìn)料板形狀和尺寸等參數(shù)對輸送特性的影響也有待進(jìn)行深入研究?？傊?，外筒驅(qū)動(dòng)型垂直螺旋輸送機(jī)應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)更加簡單、輸送性能更好，有很大的科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有取代傳統(tǒng)垂直螺旋輸送機(jī)的潛力。

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