水平螺旋中物料運(yùn)動(dòng)的仿真分析

金星，劉青，姚強(qiáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)武漢重工裝備有限公司，武漢 430065）

0 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，電力、化工等行業(yè)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)煤炭的需求量日趨增加。以現(xiàn)有的輸煤系統(tǒng)為例，煤炭運(yùn)輸分為水運(yùn)和火車(chē)運(yùn)輸，水運(yùn)作為煤炭運(yùn)輸?shù)囊环N重要運(yùn)輸工具，卸船機(jī)被各大電廠、化工廠等廣泛應(yīng)用，卸船機(jī)的使用使得卸煤工作基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。按照卸料方式的不同，卸船機(jī)分為門(mén)座式卸船機(jī)、抓斗式卸船機(jī)和懸鏈斗卸船機(jī)等[1]。各種卸船機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用極大地提高了卸煤效率，但是在煤料抓取過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生煤塵，造成環(huán)境污染。隨著綠色發(fā)展的不斷倡導(dǎo)，螺旋卸船機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。螺旋卸船機(jī)在運(yùn)輸煤料過(guò)程中一直處于全封閉狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生煤料的泄漏，而且可以對(duì)煤料進(jìn)行連續(xù)性抽取，大大提高了卸船機(jī)的工作效率[2]，因此研究工作參數(shù)對(duì)螺旋卸船機(jī)中物料運(yùn)動(dòng)的影響，以?xún)?yōu)化工作參數(shù)來(lái)進(jìn)一步提高螺旋卸船機(jī)的工作效率具有重要的意義。

1 試驗(yàn)方案

離散單元法是一種在散裝物料上具有顯著優(yōu)勢(shì)的數(shù)值分析方法[3]，它能獲得許多不能實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，方便了對(duì)螺旋卸船機(jī)中物料運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究。螺旋卸船機(jī)的輸料管道主要包括垂直螺旋及水平螺旋，水平螺旋中各段螺旋通過(guò)吊軸承連接。為提高螺旋卸船機(jī)的工作效率，減少能源損耗，通過(guò)仿真研究水平螺旋轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量[4]及水平螺旋傾斜角度對(duì)水平螺旋中物料運(yùn)動(dòng)的影響，來(lái)優(yōu)化螺旋卸船機(jī)的工作參數(shù)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 物料仿真參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1為3個(gè)吊軸承處物料運(yùn)動(dòng)情況，可以看出3段吊軸承處均有物料聚集的現(xiàn)象，在第二吊軸承附近區(qū)域等距離插入數(shù)據(jù)采集塊，如圖1（b）所示，提取物料進(jìn)出吊軸承的運(yùn)動(dòng)情況。圖2為物料在吊軸承區(qū)域質(zhì)量流的變化曲線(xiàn)。由圖2可看出，在相同距離內(nèi)，吊軸承進(jìn)料與出料間質(zhì)量流的差值較螺旋區(qū)域大，物料在經(jīng)過(guò)吊軸承時(shí)會(huì)有物料滯留，即產(chǎn)生物料聚集，和觀察的現(xiàn)象表現(xiàn)一致。圖3為物料在吊軸承區(qū)域轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)。由圖3可知，物料在進(jìn)吊軸承前角速度變化不大，在吊軸承出口處角速度明顯變大，即物料在吊軸承處旋轉(zhuǎn)速度變大。因?yàn)樗铰菪诘踺S承處沒(méi)有葉片，顆粒向前運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力變小，主要靠顆粒與顆粒間碰撞，物料會(huì)在吊軸承處聚集，導(dǎo)致物料的自轉(zhuǎn)速度會(huì)變大，增加了能量損耗。

圖1 物料在吊軸承處運(yùn)動(dòng)情況

圖2 吊軸承區(qū)域質(zhì)量流變化

圖3 吊軸承區(qū)域轉(zhuǎn)速變化

圖4為3個(gè)吊軸承處進(jìn)、出料質(zhì)量流對(duì)比曲線(xiàn)。由圖4可知，物料在3個(gè)吊軸承之間的螺旋段質(zhì)量流衰減更多，即在物料長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中，質(zhì)量流損耗主要發(fā)生在螺旋運(yùn)輸段，吊軸承段的損耗為次要因素。在水平螺旋管進(jìn)料口、出料口及中間位置建立數(shù)據(jù)采集塊，提取物料在這3個(gè)位置的質(zhì)量流，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，物料運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，水平螺旋出料口質(zhì)量流比水平螺旋進(jìn)料口質(zhì)量流減少了約20 kg/s，因?yàn)槲锪显谒铰菪羞\(yùn)動(dòng)時(shí)，物料與管道、螺旋葉片和物料間會(huì)有碰撞及摩擦力，這些都會(huì)導(dǎo)致物料在水平螺旋運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生能量損失，使水平螺旋輸送物料的能力減小。

圖4 3個(gè)吊軸承處質(zhì)量流對(duì)比

圖5 水平螺旋物料質(zhì)量流對(duì)比

3 轉(zhuǎn)速對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

圖6為不同轉(zhuǎn)速下出料口處物料質(zhì)量流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖6可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，物料到達(dá)出料口所需的時(shí)間減小，能更早地達(dá)到運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，出口處質(zhì)量流增加了40～50 kg/s，極大地提高了水平螺旋的工作效率。表2為物料達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后流過(guò)水平螺旋的質(zhì)量流的減少率。由表2可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，質(zhì)量流的減少率變小，即單位時(shí)間內(nèi)物料在水平螺旋管道中的集料更少，更有利于水平螺旋輸送物料。當(dāng)水平螺旋傾斜角度為25°時(shí)，質(zhì)量流減少率減小了29%，減小率下降明顯，因此增大轉(zhuǎn)速對(duì)水平螺旋處于下俯狀態(tài)時(shí)物料運(yùn)動(dòng)的影響更大。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流變化曲線(xiàn)

表2 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流減小率

4 進(jìn)料量對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

圖7為進(jìn)料口不同的進(jìn)料量下水平螺旋出口處質(zhì)量流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖7可知，在進(jìn)料口進(jìn)料量為167 kg/s 和200 kg/s時(shí)，物料質(zhì)量流變化趨勢(shì)趨于一致，對(duì)出口處的質(zhì)量流影響很小，物料到達(dá)出口處的時(shí)間也一致，即進(jìn)料量的增加并不會(huì)影響物料在水平螺旋中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。表3為物料達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后質(zhì)量流的減少率。由表3可知，隨著進(jìn)料量的增加，物料的質(zhì)量流減少率增加，即增加進(jìn)料量會(huì)導(dǎo)致更多的物料在水平螺旋管道中聚集，影響水平螺旋的工作效率，因此在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后，應(yīng)盡量減小水平螺旋入口處的質(zhì)量流。

表3 不同進(jìn)料下質(zhì)量流減小率

圖7 不同進(jìn)料下質(zhì)量流變化曲線(xiàn)

5 傾斜角對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

圖8為水平螺旋處于不同下俯角度時(shí)出口處質(zhì)量流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖8可知，當(dāng)水平螺旋下俯角度增加時(shí)，物料到達(dá)水平螺旋出口所需的時(shí)間更長(zhǎng)，即物料在水平螺旋管道中的運(yùn)動(dòng)速度更慢，達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間更多，物料達(dá)到出口處的質(zhì)量流更小。表4為物料達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后質(zhì)量流的減小率。由表4可知，傾斜角增加時(shí)，質(zhì)量流量減少率增加，即在水平螺旋管道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)積聚更多物料，使水平螺旋的工作效率降低。

表4 不同傾斜角下質(zhì)量流減小率

圖8 不同傾斜角下質(zhì)量流變化曲線(xiàn)

6 結(jié)論

通過(guò)離散單元法仿真模擬了散裝物料在水平螺旋中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析了不同工作參數(shù)對(duì)水平螺旋中物料運(yùn)動(dòng)的影響，得出了以下結(jié)論：1）物料會(huì)在吊軸承處發(fā)生聚集現(xiàn)象且物料的角速度會(huì)明顯變大，物料在水平螺旋管道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沿程損失為主要影響因素，吊軸承損失為次要影響因素；2）隨著水平螺旋轉(zhuǎn)速的增加、傾斜角的減小，物料在水平螺旋管道中運(yùn)動(dòng)速度變大，物料質(zhì)量流減少率變小，即物料在水平螺旋管道中的聚集會(huì)減少，水平螺旋的工作效率增加；增加水平螺旋入口處的進(jìn)料量，對(duì)水平螺旋中物料的運(yùn)動(dòng)影響不大；3）當(dāng)水平螺旋處于下俯狀態(tài)時(shí)，增加水平螺旋的轉(zhuǎn)速會(huì)明顯提高水平螺旋的工作效率。