基于EDEM的螺旋輸送機(jī)性能研究

朱鴻翔，譚 歡

0 引言

螺旋輸送機(jī)被廣泛用于微粒的可控且穩(wěn)定的輸送和舉升。它們被用于批量使用材料的產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)礦物，農(nóng)業(yè)（糧食），醫(yī)藥，化工，顏料，塑料，水泥，沙子，鹽和食品加工。它們也可用于計(jì)量（測(cè)量流量）儲(chǔ)料倉(cāng)、顆粒和粉末材料，用于小數(shù)量的定量給料。如果螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)與待輸送的材料不匹配，將會(huì)產(chǎn)生以下問題：波動(dòng)和不穩(wěn)定的流速，不精確的計(jì)量和配料，不同質(zhì)的產(chǎn)品，產(chǎn)品的降質(zhì)，過多的功率消耗，高啟動(dòng)力矩，高設(shè)備磨損。

一個(gè)典型的螺旋輸送機(jī)的基本設(shè)計(jì)有三個(gè)主要組件：進(jìn)料斗、外殼、絞龍。

黃石茂總結(jié)了目前的螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方法和存在問題[1]。胡勇克的論文[2]以及徐余偉的論文[3]介紹了螺旋輸送機(jī)的理論運(yùn)行狀況。向東枝[4]對(duì)水垂直螺旋卸船機(jī)的性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與以前的工作和公式進(jìn)行了比較。本文通過離散元軟件研究輸送機(jī)的詳細(xì)工作性能影響因素，包括傾角、間隙、旋轉(zhuǎn)速度對(duì)顆粒流動(dòng)特性的影響。

1 不同轉(zhuǎn)速下輸送過程的仿真分析

當(dāng)螺旋輸送機(jī)傾角為45°，處于6種不同轉(zhuǎn)速（200 r/min，300 r/min，400 r/min，500 r/min，600 r/min，700 r/min），輸送機(jī)中顆粒速度分布情況如圖1所示，在這里顆粒的顯示顏色，根據(jù)速度大小顯示。很明顯，增大絞龍的轉(zhuǎn)速會(huì)增大顆粒的速度。當(dāng)增大轉(zhuǎn)速時(shí)，填充率也明顯減小，并且顆粒堆表層的角度也會(huì)更陡。圖1很明顯，增大絞龍的轉(zhuǎn)速會(huì)增大顆粒的速度，當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)顆粒堆底部呈綠色，表示顆粒速度小于0.1 m/s。當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，顆粒堆底部有一層藍(lán)色顆粒。隨著轉(zhuǎn)速的增加，顆粒速度增加，尤其是貼著絞龍葉片上表面的顆粒速度增加最為明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，顆粒對(duì)底部有厚厚的一層藍(lán)色顆粒，所以隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速的增加，顆粒速度增加這個(gè)趨勢(shì)是正確的。轉(zhuǎn)速的增加會(huì)使顆粒堆底部顆粒速度增加，從而形成剪切層，逐漸向上蔓延。

沿著螺旋輸送機(jī)的軸向視圖觀察，重畫了圖1中的顆粒分布情況。圖1中處于前視圖的顆粒在圖2中分別以相應(yīng)的左視圖呈現(xiàn)。在該參考系下，絞龍為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

圖2中的顆粒流動(dòng)圖看起來非常像旋轉(zhuǎn)的鼓和磨產(chǎn)生的一樣，例如Cleary[5]的論文所述。使用和磨粉業(yè)相同的術(shù)語(yǔ)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，顆粒堆有一個(gè)井口，稱之為趾部和肩部。趾部大約位于4點(diǎn)鐘位置，肩部大約位于10點(diǎn)鐘位置。很顯然，物料在絞龍旋轉(zhuǎn)的作用下緩慢地向肩部運(yùn)移，然后從自由表面坍塌，在絞龍的芯部之后產(chǎn)生一個(gè)空腔。顆粒在趾部位置堆積起來。

顆粒堆內(nèi)部的回流，與在旋轉(zhuǎn)的磨粉機(jī)中發(fā)現(xiàn)的流動(dòng)狀況類似，在磨粉機(jī)中，顆粒沿著磨粉機(jī)的表面從趾部被帶到肩部。在肩部，速度較慢的顆粒會(huì)從自由表面坍塌，速度較快的顆粒會(huì)從自由表面被甩出。在磨粉機(jī)中，這種行為被稱為瀑泄。

圖2所示的一系列圖片中，顯示了當(dāng)絞龍的轉(zhuǎn)速不斷增加時(shí)顆粒流動(dòng)情況的變化。首先應(yīng)注意的是趾部和肩部隨著絞龍轉(zhuǎn)速的增加進(jìn)一步順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。其次應(yīng)注意的是隨著絞龍轉(zhuǎn)速的增加，顆粒的速度也增加，結(jié)果有更多的顆粒從絞龍軸頂部的肩部區(qū)域拋下或落下。這種三維流動(dòng)方式將顆粒從絞龍后部重新分布到前部，并且使得當(dāng)從圖1所示的前面看過去時(shí)，顆粒堆看起來更大。

圖2 軸向觀察不同轉(zhuǎn)速下螺旋輸送機(jī)內(nèi)部顆粒流

空腔（絞龍軸下方缺少顆粒的地方）的形狀仍然有些不對(duì)稱。隨著絞龍轉(zhuǎn)速增加，空腔的形狀有兩個(gè)不同的變化。第一個(gè)變化是，當(dāng)絞龍轉(zhuǎn)速分別為200 r/min、300 r/min和400 r/min時(shí)，空腔中心的角坐標(biāo)分別處于4點(diǎn)鐘、4點(diǎn)半和5點(diǎn)鐘的位置。隨著絞龍速度增加，空腔進(jìn)一步沿絞龍軸的旋轉(zhuǎn)方向繞絞龍殼轉(zhuǎn)動(dòng)。第二個(gè)變化是空腔形狀的變化，隨著絞龍速度的增加，空腔在周向變得更大，而在徑向的變化則相對(duì)較小。這表明離心力的作用隨著絞龍軸的轉(zhuǎn)速增加而增加。

2 不同螺距下輸送過程的仿真分析

圖3顯示了當(dāng)傾角為50°，轉(zhuǎn)速為400 r/min，間隙為1 mm，螺距從39.5～84 mm，螺旋輸送機(jī)內(nèi)的顆粒分布情況。速度不同顆粒顏色也不同，速度較慢的顆粒（≤0.1 m/s）為淺綠色，速度較快的顆粒（≥0.7 m/s）為深藍(lán)色。

圖3 不同螺距下螺旋輸送機(jī)內(nèi)部顆粒流

很明顯，當(dāng)增大螺距，填充率減小。圖2（a）與圖2（f）比較體現(xiàn)的最為顯著，當(dāng)螺距為39.5時(shí)，輸送機(jī)內(nèi)部的顆粒高度與上一級(jí)絞龍下表面接觸。當(dāng)螺距為84時(shí)，顆粒堆與上一級(jí)絞龍下表面之間還有較大距離。與絞龍葉片上表面貼著的顆粒速度較大，形成了剪切層。隨著螺距的增加，剪切層逐漸變厚。顆粒堆自由表面顆粒的速度較小。

在圖4中，沿著螺旋輸送機(jī)軸向觀察圖3中顆粒分布情況。圖4中的顆粒在圖3中以相應(yīng)的右視圖呈現(xiàn)，在該參考系下，絞龍為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通過圖4可以很清楚的觀察到圖3中顆粒堆自由表面顆粒速度的分布情況，螺旋輸送機(jī)被甩到螺旋軸后方的顆粒速度大，隨著螺距的增加，顆粒堆自由表面的顆粒速度增加。

圖4 軸向觀察不同螺距下螺旋輸送機(jī)內(nèi)部顆粒流

3 不同間隙下輸送過程的仿真分析

圖5顯示了螺旋輸送機(jī)螺距為52.93時(shí)，間隙從0.5～3時(shí)，內(nèi)部的顆粒分布情況。同樣的，顆粒根據(jù)它們速度被著不同的顏色，所用顏色等級(jí)與圖1相同。

觀查圖5（a）～（f）可以得出貼著葉片上表面的顆粒速度大，與圖2顆粒速度的分布規(guī)律基本類似。間隙從0.5～3 mm變化時(shí)，顆粒的平均速度降低。間隙大于顆粒直徑時(shí)，有大量顆粒從間隙回落，回落顆粒的速度較低。顆粒堆自由表面與葉片下表面之間回落的顆粒速度大于位于顆粒堆圓周上的回落顆粒。隨著間隙的增加，回落顆粒的數(shù)量增加，但是回落顆粒的速度減小。

圖5 不同間隙下螺旋輸送機(jī)內(nèi)部顆粒流

4 各參數(shù)對(duì)輸送量的影響

由于顆粒是沿著螺旋輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)?，螺旋輸送機(jī)內(nèi)的流動(dòng)模式也可以通過測(cè)量顆粒的質(zhì)量流量來定量地進(jìn)行解釋。質(zhì)量流量由經(jīng)過一個(gè)平面的粒子個(gè)數(shù)決定，該平面垂直于絞龍軸，位于兩個(gè)周期邊界的正中間。

圖6所示絞龍?zhí)幱谌N不同傾角下，顆粒的平均質(zhì)量流量對(duì)傾角的變化關(guān)系。質(zhì)量流率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，增加率逐漸減小。當(dāng)絞龍轉(zhuǎn)速依次為600 r/min和700 r/min時(shí)，螺旋輸送機(jī)處于垂直工作狀態(tài)比它處于最優(yōu)運(yùn)輸能力。

圖6 質(zhì)量流率隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

本模擬中螺距是根據(jù)與絞龍直徑的比值設(shè)定的。圖7為螺距與絞龍葉片直接比率對(duì)顆粒平均質(zhì)量流率的影響，對(duì)于大傾角螺旋輸送機(jī)，當(dāng)絞龍葉片直接與螺距比值為0.67時(shí)輸送機(jī)的輸送效率最大，比值在0.67～0.9之間，隨著絞龍葉片與螺距比值的增加，輸送效率驟減，比值為0.9時(shí)輸送機(jī)輸送效率最小。

圖7 質(zhì)量流率隨螺距變化規(guī)律

如圖8所示質(zhì)量流率隨著葉片與筒壁間的間隙的增加逐漸減小，間隙由0.5變?yōu)?時(shí)，質(zhì)量流率減小率為8%，當(dāng)間隙增加到1.5時(shí)，質(zhì)量流率的減小率變化，變?yōu)?.25%。間隙由2變?yōu)?時(shí)，質(zhì)量流率的減小率增加。

5 總結(jié)

（1）利用離散元軟件EDEM直觀的觀察了顆粒在輸送機(jī)中的速度分布，靠近筒壁顆粒速度小，貼近葉片表面顆粒速度大。

圖8 質(zhì)量流率隨間隙變化規(guī)律

（2）螺距越大，顆粒的軸向速度越大，間隙越大掉落顆粒越多。

（3）質(zhì)量流率隨著傾角的增加而增加，增加率逐漸減小。質(zhì)量流率隨著螺距的增加而增加，增加量不大。隨著間隙的增加，質(zhì)量流率減小。