粒粉物料螺旋輸送機(jī)輸送量與螺桿轉(zhuǎn)速的研究

左繼紅　劉麗麗　蔡頌　李志鵬

摘????? 要：利用粒粉散裝物料在螺旋輸送機(jī)內(nèi)摩擦拖拽原理，對(duì)粒粉散裝物料與雙螺桿的輸送量進(jìn)行研究并建立數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS對(duì)雙螺桿做有限元分析，根據(jù)散裝物料特征分別進(jìn)行粒狀和粉狀分析，比較ANSYS仿真計(jì)算、雙螺桿實(shí)測(cè)、2倍單螺桿實(shí)測(cè)的輸出量，從節(jié)約資源和能耗角度考慮最佳的螺桿轉(zhuǎn)速為120 r·min^-1。

關(guān)? 鍵? 詞：微粒粉散裝物料;雙螺桿輸送量;ANSYS仿真

中圖分類號(hào)：TM 53?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）06-1241-04

Study on the Conveying Capacity and Screw Speed of Screw?Conveyor for Granular Powder Bulk Materials

ZUO Ji-hong¹， LIU Li-li¹， CAI song²， LI Zhi-beng²

（1. Traction School， Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou Hunan 412001， China;

2. School of Mechanical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412001， China）

Abstract： The flow characteristics of granular powder bulk materials can affect the conveying capacity of twin-screw conveyor. The conveying capacity of the twin-screw conveyor for granular powder bulk materials was studied， and a mathematical model was established by using the principle of internal friction drag of granular powder bulk materials in the screw conveyor. The finite element analysis of the twin-screw conveyor was carried out by using ANSYS. The granular and powdery analysis was carried out according to the characteristics of bulk materials. The results of ANSYS simulation calculation， twin screw measurement and double single screw measurement were compared. From the perspective of saving resources and energy consumption， the optimal screw speed was determined as 120 r/min.

Key words： Granular powder bulk material; Twin-screw conveying capacity; ANSYS simulation

粒粉散裝物料主要通過(guò)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行短距離輸送，主要是螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好、工作可靠、成本較低、噪音較小。雙螺桿輸送機(jī)是在單螺桿的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，在輸送機(jī)間的套筒上安裝兩根螺桿，設(shè)置一根螺桿為動(dòng)力桿，另一根為從動(dòng)桿，兩根螺桿反方向螺旋間互相自由嚙合形式轉(zhuǎn)化物料的向前的輸送力，雙桿輸送能力比單桿效果強(qiáng)^[1]。

輸送機(jī)的關(guān)鍵部件在于螺桿，但是粒粉散裝物料的流動(dòng)特性影響了物料的輸送量，而且現(xiàn)在的螺旋輸送機(jī)生產(chǎn)的連續(xù)性較差?，F(xiàn)在的研究主要在螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)、螺距和螺旋直徑的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)輸送性能的影響，很少有從粒粉散裝物料的低能耗、高輸送研究。^[2-5]本文利用粒粉散裝物料在螺旋輸送機(jī)內(nèi)摩擦拖拽原理，對(duì)螺旋輸送機(jī)關(guān)鍵部件螺桿分析，建立粒粉散裝物料與螺桿的輸送量進(jìn)行研究并建立數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS對(duì)螺桿做有限元分析，根據(jù)物料散裝物料特征分別進(jìn)行粒狀和粉狀分析，分別比較ANSYS仿真計(jì)算、雙螺桿實(shí)測(cè)、2倍單螺桿實(shí)測(cè)的輸出量，從節(jié)約資源和能耗角度找出最佳的螺桿轉(zhuǎn)速與輸送量之間的關(guān)系。

1 ?加料過(guò)程受力理論分析

粒粉散裝物料雙螺桿螺旋輸送機(jī)如圖1所示，主要由機(jī)架、加料口、輸料筒、電機(jī)及傳動(dòng)裝置、螺桿及口模等組成。本裝置設(shè)計(jì)雙螺桿輸送，加料口設(shè)計(jì)溢流加料，根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)雙螺桿進(jìn)行分區(qū)（圖2）及建立粒粉散裝物料輸送模型（圖3）。^[6-7]從圖2可以看出螺旋輸送機(jī)可以劃分兩部分機(jī)筒縫隙區(qū)Q₁和螺旋螺槽區(qū)Q₂，本次采用溢流加料假設(shè)機(jī)筒縫隙區(qū)和螺旋螺槽區(qū)充滿粒粉散裝物料，所以總的輸送量：

式中：A —雙機(jī)筒縫隙區(qū)在垂直方面平面的橫截面積;

n —螺桿的轉(zhuǎn)速;

T —螺旋的導(dǎo)程;

—粒粉散裝物料松密度。

Q₂為單根螺旋螺槽區(qū)輸送量，由于本系統(tǒng)采用粒粉散裝物料在螺旋輸送機(jī)內(nèi)摩擦拖拽原理，所以粒粉散裝物料在螺槽方向的輸送可以建立如圖3的微元模型，螺槽微元的X_b為在機(jī)筒內(nèi)徑處測(cè)量的螺槽面積處寬度，設(shè)沿螺槽方向的移動(dòng)速度為V， 則螺旋螺槽區(qū)的輸送量為：

式中：H —螺槽區(qū)的深度;

—粒粉散裝物料松密度。

對(duì)圖3對(duì)單根螺桿螺槽微元進(jìn)行受力分析，假設(shè)F_n為微元沿軸線方向的接觸應(yīng)力，F(xiàn)_b為粒粉散裝物料與機(jī)筒間的摩擦力，F(xiàn)_s為粒粉散裝物料與螺桿間的摩擦力。對(duì)物料微元做受力分析（根據(jù)力和力矩平衡分析）求出物料固體微元的輸送角 ：

由于Q₂為單根螺旋螺槽區(qū)輸送量，所以總的輸送量：

式中：D_b —螺桿的外徑;

D_m —螺桿的中徑;

θ_b —螺桿外徑的螺紋升角;

θ_m —螺桿中徑的螺紋升角;

θ_s —螺桿根徑螺紋升角;

W_b —螺桿外徑的螺槽寬度;

W_m —螺桿中徑的螺槽寬度;

W_s —螺桿根徑的螺槽寬度;

e —螺桿棱的截面寬;

δ —機(jī)筒與螺桿棱間距離;

f_e —粒粉散裝物料與機(jī)筒間的摩擦力;

f_s —粒粉散裝物料與螺桿間的摩擦力。

2? 雙螺桿ANSYS有限元模型的建立

2.1 ?模型建立及網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS有限元仿真把錐螺桿三維圖導(dǎo)入ANSYS（如圖4），在ANSYS庫(kù)中選擇solid92單元，并對(duì)螺桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖5），最終物料離散為SPH 光滑粒子（如圖6）;螺桿（如圖7）螺旋頂部厚10 mm， 螺旋底部厚14 mm，螺桿外徑76 mm， 內(nèi)徑為圓錐柱體（底部?jī)?nèi)徑58 mm頂部?jī)?nèi)徑30 mm），螺桿螺距63 mm，螺桿總長(zhǎng)410 mm，兩螺桿間隙4 mm， 粒粉散裝物料松密度為1，粒粉散裝物料與螺桿摩擦因數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)為0.4，粒粉散裝物料與機(jī)筒間的摩擦因數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)為0.3;螺桿轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍（10～160）r·min^-1[8-11]。

分析方法：考慮到螺棱的存在選擇自由劃分網(wǎng)格，劃分213 486個(gè)單元，設(shè)定螺桿在不同轉(zhuǎn)速情況下，向前運(yùn)動(dòng)的總單元個(gè)數(shù)，與向后回流的單元總數(shù)，這樣就可以算出總的輸送量。

2.2? ANSYS材料屬性及邊界條件

螺桿材料采用 40Cr，彈性模量E=210 GPa ，泊松比μ=0.3， 屈服極限Q_s =440 MPa， 剪應(yīng)力極為160 MPa。用ANSYS有限元分析螺桿時(shí)， 約束形式一端固定，軸端壓力由實(shí)際測(cè)得， 轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)功率和螺桿轉(zhuǎn)速計(jì)算得到。軸的另一個(gè)端面施加全位移約束。

2.3?? ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果與分析

分別選定分析ANSYS有限元粉狀物料輸送量與轉(zhuǎn)速關(guān)系（如圖8）和粒狀物料輸送與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（如圖9），把物料的松密度摩擦因數(shù)、設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速、雙螺桿尺寸等數(shù)據(jù)輸入軟件調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速可，總輸送量是由前運(yùn)動(dòng)的總單元個(gè)數(shù)加上向后回流的單元總數(shù)，由分析圖可知粉狀和粒狀物料在螺桿轉(zhuǎn)速小于100 r·min^-1時(shí)輸送量增長(zhǎng)較快，到達(dá)120 r·min^-1時(shí)輸送量增長(zhǎng)緩慢。

3 ?實(shí)測(cè)輸送量與轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.1? 實(shí)際雙螺桿及單螺桿輸送量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選定1臺(tái)與粒粉散裝物料雙螺旋輸送機(jī)（參數(shù)與ANSYS導(dǎo)入錐螺桿三維一致），分別選粉狀物料（粒徑≤0.1 mm）和粒狀物料（粒徑≥8 mm）為研究對(duì)象，變頻調(diào)速電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速（20、40、60、80、90、100、120、140、160 r·min^-1），粉狀物料和粒狀物料采用溢流加料方式，口模出料即為雙螺桿輸送量。單螺桿輸送量的計(jì)算和雙螺桿輸送量的設(shè)計(jì)相同，區(qū)別在于用雙螺桿輸送機(jī)的一根螺桿的孔堵死在測(cè)出的一根螺桿與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，為便于比較計(jì)算的設(shè)計(jì)二倍單螺桿的輸送量與雙螺桿進(jìn)行比較。

3.2? 實(shí)際輸送量與轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)結(jié)果分析

雙螺桿與二倍單螺桿實(shí)測(cè)輸送量與轉(zhuǎn)速關(guān)系（如圖8）和粒狀物料輸送與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（如圖9），分析可知雙螺桿比二倍單螺桿的輸送量在任何轉(zhuǎn)速條件（20、40、60、80、90、100、120、140、160 r·min^-1）下輸送量要高，螺桿速度高于120 r·min^-1 輸送量增加緩慢。雙螺桿具有一定的優(yōu)越性。從技術(shù)發(fā)展角度分析，雙螺桿輸送是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

由圖8粉狀物料輸送量與轉(zhuǎn)速關(guān)系、圖9粒狀物料輸送量與轉(zhuǎn)速關(guān)系可知螺桿轉(zhuǎn)速越高ANSYS仿真計(jì)算、雙螺桿實(shí)測(cè)的輸出量、2倍單螺桿實(shí)測(cè)的輸出量都在增加，特別是速度小于100 r·min^-1時(shí)輸送量增加很快，但是螺桿速度高于120 r·min^-1輸送量增加緩慢，所以從節(jié)約資源和能耗角度考慮。

最佳的螺桿轉(zhuǎn)速為120 r·min^-1。二倍單螺桿的實(shí)測(cè)輸送量在任何不同轉(zhuǎn)速條件下都低于ANSYS有限元仿真計(jì)算理論輸送量及和雙螺桿實(shí)測(cè)輸送量，可以認(rèn)為雙螺桿輸送優(yōu)勢(shì)比較明顯。

從曲線圖總體分析可知ANSYS仿真計(jì)算、雙螺桿實(shí)測(cè)、2倍單螺桿實(shí)測(cè)的輸出量與轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)基本保持一致，證明ANSYS仿真軟件具有一定的可靠性。

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