垂直螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片損傷模擬研究

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(dòng)散粒物料沿料槽運(yùn)動(dòng)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)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(dòng)裝置對(duì)螺旋軸提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(huì)與輸送機(jī)機(jī)殼內(nèi)壁之間產(chǎn)生摩擦阻力，這將會(huì)對(duì)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(huì)受到破碎煤體本身重力的阻力效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)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(shí)螺旋葉片所承載的負(fù)荷最大，因此針對(duì)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(jià)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(dòng)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(dòng)裝置所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力作用下，將會(huì)帶動(dòng)螺旋葉片同步旋轉(zhuǎn)，針對(duì)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(shí)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(duì)較高的旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行將會(huì)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(shí)縮減了旋轉(zhuǎn)葉片的使用壽命。

同時(shí)，對(duì)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(shí)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(shí)螺旋葉片損傷隨時(shí)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(shí)間的增加而增大，且同一時(shí)間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)速度越快時(shí)平均磨損量越大。在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min，時(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)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(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)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(shí)間的增加而增大，且同一時(shí)間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)速度越快時(shí)最大磨損量越大。在螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min，時(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)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(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)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(duì)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(shí)，通過進(jìn)料口一次性放入破碎煤體量的不同將會(huì)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(shí)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(duì)較高的填充率下運(yùn)行將會(huì)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(shí)縮減了旋轉(zhuǎn)葉片的使用壽命。

同時(shí)，對(duì)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(shí)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(shí)螺旋葉片損傷隨時(shí)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(shí)，填充率取值不同時(shí)，螺旋葉片的平均磨損量均隨著時(shí)間的增加而增大，且同一時(shí)間點(diǎn)填充率越大時(shí)平均磨損量越大。在填充率為0.2，時(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)的平均磨損量為2.68×10-9m，而在填充率為0.8，時(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)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(shí)，螺旋葉片的最大磨損量均隨著時(shí)間的增加而增大，且同一時(shí)間點(diǎn)填充率越大時(shí)最大磨損量越大。在填充率為0.2，時(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)的最大磨損量為1.62×10-7m，而在填充率為0.8時(shí)，時(shí)間點(diǎn)為10 s時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，對(duì)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(shí)間變化情況進(jìn)行了監(jiān)測，得知螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于螺旋葉片損傷的影響效果十分明顯。

3)對(duì)螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度為280 r/min時(shí)，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(shí)，對(duì)于不同填充率條件下的平均磨損量和最大磨損量隨時(shí)間變化情況進(jìn)行了監(jiān)測，得知螺旋軸填充率對(duì)于螺旋葉片損傷的影響效果十分明顯。