垂直螺旋輸送不同物料特性的實驗研究

梅 瀟，薛玉坤，劉海文

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

隨著世界集裝箱化和散貨航運業(yè)的快速發(fā)展，散貨卸船技術(shù)已成為散貨專業(yè)碼頭的核心技術(shù)。螺旋輸送方式以其高效的輸送能力、封閉、環(huán)保的輸送條件，不僅廣泛應(yīng)用于港口裝卸散貨，還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品加工、建筑、采礦等行業(yè)中。

垂直螺旋輸送機(jī)是螺旋輸送機(jī)的一種運用普遍、結(jié)構(gòu)簡單的散貨連續(xù)運輸機(jī)械，它憑借其高效的輸送能力，密閉環(huán)保的輸送環(huán)境被廣泛用于農(nóng)業(yè)、食品加工、建筑、采礦等行業(yè)。關(guān)于螺旋輸送的輸送性能，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了理論分析、仿真和實驗研究。近年來，仿真研究掀起了一股熱潮。Orefice等[1]運用EDEM軟件仿真發(fā)現(xiàn)：水平螺旋輸送機(jī)的軸越小，生產(chǎn)率和效率越高，且填充率為50%時，輸送效率最大。Owen等[2]通過應(yīng)用離散元法(discrete element method，DEM)，模擬具有周期性邊界條件的單節(jié)距垂直螺旋輸送機(jī)，研究了螺旋軸轉(zhuǎn)速、傾角和填充率對輸送性能的影響。張秋霜等[3]采用離散元單元法對雙螺旋輸送機(jī)進(jìn)行了仿真；Mei等[4]使用EDEM軟件，設(shè)置循環(huán)邊界模型，模擬了輸送大米的水平單頭螺旋輸送機(jī)。陶亮等[5]采用ABAQUS軟件對螺旋輸送機(jī)輸送物料的動態(tài)性能進(jìn)行分析。鄭軍等[6]使用 Fluent軟件建立螺旋輸送機(jī)的數(shù)值模擬模型,將Fluent模擬輸送量的結(jié)果與實驗結(jié)果對比。朱鴻翔等[7]利用EDEM軟件分析了螺旋結(jié)構(gòu)、軸轉(zhuǎn)速、螺距等關(guān)鍵參數(shù)對螺旋輸送機(jī)輸送性能的影響。

由于物料特性對螺旋輸送的影響，仿真參數(shù)輸入的準(zhǔn)確性會直接影響輸出結(jié)果的可靠性和精度，因此實驗研究是確保數(shù)值方法可靠性的重要途徑。Asli-Ardeh等[8]實驗研究了螺旋軸轉(zhuǎn)速、傾角和物料種類對垂直螺旋輸送機(jī)所需功率和輸送能力的影響。Karwat等[9]通過實驗和仿真手段研究了顆粒的尺寸、內(nèi)、外摩擦系數(shù)對垂直螺旋輸送機(jī)輸送性能的影響。Li等[10]進(jìn)行了砂土盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)壓力分布和壓力梯度實驗研究。Owen等[11]將預(yù)測的螺旋輸送機(jī)的質(zhì)量流量與實驗測量值進(jìn)行了比較。Pezo等[12]通過實驗探討了螺旋長度、物料粒徑、螺旋設(shè)計的幾何變化對螺旋輸送機(jī)-混合機(jī)在物料運輸過程中混合性能的影響。Tian等[13]設(shè)計了一種帶有柔性離散螺旋葉片的新型螺旋輸送機(jī)，并建立了能耗模型，然后通過仿真和實驗驗證了其實用性。Wulantuya等[14]通過理論分析和實驗研究了物料的進(jìn)料方式、運行條件和流動特性，以提高垂直螺旋輸送機(jī)的輸送效率和工作穩(wěn)定性。

以上研究大多聚焦于研究螺旋體的幾何參數(shù)對輸送性能的影響，而關(guān)于螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料頭轉(zhuǎn)速的合理配比的研究較少。本文中結(jié)合自主設(shè)計的螺旋輸送實驗平臺，選用2種不同物料(沙子和黃豆)，對不同轉(zhuǎn)速配比時的生產(chǎn)率和能耗進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，并進(jìn)行無量綱分析，以確定最佳的轉(zhuǎn)速比，為垂直螺旋輸送機(jī)的設(shè)計與研究提供一定的參考。

1 實驗平臺和實驗方案

1.1 實驗平臺

圖1所示為自主設(shè)計HS30-SMU型螺旋輸送實驗平臺結(jié)構(gòu)。實驗平臺主要由喂料裝置、垂直螺旋總成、水平螺旋總成、稱重裝置和測試控制系統(tǒng)組成。本次實驗以沙子(河沙)和黃豆為研究對象，表1所示為物料的特性參數(shù)[15]。通過旋轉(zhuǎn)的喂料頭將物料擠入垂直輸送管底部，物料在垂直螺旋葉片的攪動下螺旋上升，到達(dá)水平螺旋總成并被輸送至稱重料斗，完成輸送過程。

1—鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架；2—喂料裝置；3—垂直螺旋總成；4—水平螺旋總成；5—稱重料斗；6—稱重傳感器；7—出料控制閥；8—出料溜管；9—移動料槽。圖1 螺旋輸送實驗平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure drawing of screw conveying test bench

表1 物料的特性參數(shù)Tab.1 Material characteristic parameters

1.2 物料的輸送原理

當(dāng)物料顆粒處于穩(wěn)定輸送狀態(tài)時，外管內(nèi)壁、垂直螺旋軸、螺旋表面的壓力、摩擦力、離心力和重力形成一個動力平衡系統(tǒng)，決定了顆粒的運動特性。當(dāng)輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和輸送的顆粒確定后，顆粒運動的特征參數(shù)是顆粒角速度，它取決于喂料頭轉(zhuǎn)速和螺旋軸轉(zhuǎn)速。

圖2為物料顆粒受力圖。由圖2(a)可知，顆粒在重力G、離心力Fn、螺旋葉片的反作用力F(Fz、Fxy為F沿螺旋軸軸向和徑向的分力)和摩擦力Fft(μt為摩擦系數(shù))的作用下達(dá)到平衡。如圖2(b)、(c)所示，G、F和Fft形成一個平衡的矢量三角形，三角形的幾何關(guān)系為

tan(αo+φs)=G/Fft，

(1)

式中：αo為螺旋葉片的升角，(°)；φs為物料顆粒與螺旋葉片的摩擦角，(°)。

P—螺距；D—螺旋葉片直徑；Di—螺旋軸直徑；ω—角速度；G—重力；F—螺旋葉片對顆粒的反作用力；Fxy、Fz—F沿螺旋軸軸向、徑向的分力；Fft—摩擦力；Fn—離心力；αo—螺旋葉片的升角；φs—物料顆粒與螺旋葉片的摩擦角；R—螺旋葉片半徑。圖2 物料顆粒受力圖Fig.2 Force diagram of materical particles

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，將相關(guān)力代入式(1)，可得臨界角轉(zhuǎn)速

(2)

式中：g為重力加速度，m/s2；R為螺旋葉片半徑，m。

將ωk=πnk/30代入式(2)可得臨界轉(zhuǎn)速

(3)

由式(3)可知，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速n2>nk時，物料可沿軸向輸送。

垂直螺旋輸送機(jī)的生產(chǎn)率是指單位時間內(nèi)輸送粒狀物料的體積或質(zhì)量，是衡量垂直螺旋輸送機(jī)輸送性能的重要指標(biāo)。影響生產(chǎn)率的因素主要包括螺旋輸送機(jī)幾何參數(shù)和運動參數(shù)，以及物料顆粒的密度和填充系數(shù)。

結(jié)合顆粒物料運動的軸向速度，可以求解垂直段生產(chǎn)率

Q=60ρφπR2Sn2，

(4)

式中：Q為垂直螺旋輸送機(jī)的生產(chǎn)率，t/h；ρ為輸送物料的堆積密度，kg/m3；φ為物料的填充率；S為螺距，m。

垂直螺旋輸送機(jī)的功率

(5)

式中：H為提升高度,m；η0為輸送效率，%。

Rademacher[16]提出了一種描述垂直螺旋輸送機(jī)內(nèi)非黏性顆粒材料的理論，利用該理論推導(dǎo)出生產(chǎn)率、能耗和效率的無量綱量之間的關(guān)系，以生產(chǎn)率最大化和能耗最小化為目標(biāo)設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，即

(6)

式中：K為垂直螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)；Qe為額定生產(chǎn)率，t/h；Pe為額定功率，kW。

通過實驗比較各個工況下螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)的大小，K最大時，螺旋輸送機(jī)輸送性能最佳，該工況下的螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料頭轉(zhuǎn)速為螺旋輸送機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速比。

1.3 實驗方案

根據(jù)式(3)可計算沙子和黃豆的臨界轉(zhuǎn)速分別為88、71 r/min。根據(jù)2種物料的臨界轉(zhuǎn)速，確定實驗的最低螺旋軸轉(zhuǎn)速為100 r/min，實驗方案見表2。每次實驗首先將物料倒入儲料斗，待穩(wěn)定輸送狀態(tài)后，開始記錄實驗數(shù)據(jù)。

表2 實驗方案Tab..2 Experimental schemes

2 結(jié)果與分析

2.1 螺旋軸轉(zhuǎn)速對輸送性能的影響

圖3所示為生產(chǎn)率和能耗與螺旋軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從圖(a)、(b)中可以看出，相同工況下輸送沙子的生產(chǎn)率和能耗大約是輸送黃豆的2倍，與兩者堆積密度倍數(shù)相近。由圖3(a)可以看出，隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速n2的增加，生產(chǎn)率呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢。物料為沙子、喂料頭轉(zhuǎn)速n1為80 r/min時，當(dāng)n2以50 r/min的幅度增加，生產(chǎn)率的增長依次為0.75、0.58、0.41、0.31、0.27、0.18、0.12、0.08 t/h；當(dāng)n2>400 r/min時，生產(chǎn)率增長幅度逐漸下降，原因是當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速增加至一定值時，進(jìn)料能力不能滿足潛在的輸送能力，導(dǎo)致填充率沒有達(dá)到最佳，使得生產(chǎn)率的增長幅度逐漸下降。當(dāng)n2達(dá)到600 r/min時，生產(chǎn)率曲線增長趨于水平，表明隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，繼續(xù)增加其轉(zhuǎn)速，只會增加能耗，而生產(chǎn)率并無提高。

(a)生產(chǎn)率(b)能耗圖3 生產(chǎn)率和能耗與螺旋軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Relationship between productivity, energy consumption and screw shaft speed

2.2 喂料頭轉(zhuǎn)速對輸送性能的影響

圖4所示為生產(chǎn)率和能耗與喂料頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系。由圖4(a)可以看出，物料為沙子、螺旋軸轉(zhuǎn)速n2為80 r/min時，當(dāng)喂料頭轉(zhuǎn)速n1以20 r/min的幅度增加時，生產(chǎn)率的增長依次為2.21、1.92、1.6、1.3、1.12、0.98 t/h；當(dāng)n1在20～80 r/min范圍內(nèi)時，生產(chǎn)率增長幅度較為穩(wěn)定，而當(dāng)喂料頭轉(zhuǎn)速大于80 r/min時，生產(chǎn)率增長幅度開始下降。分析其原因是當(dāng)喂料頭轉(zhuǎn)速過高時，喂料頭攪動效應(yīng)過大，最終導(dǎo)致生產(chǎn)率低于理想值。由圖4(b)可知，隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速的增加，垂直螺旋輸送機(jī)的能耗呈線性增加。

(a)生產(chǎn)率(b)能耗圖4 生產(chǎn)率和能耗與喂料頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.4 Relationship between productivity, energy consumption and feeding head speed

根據(jù)式(4)，可計算各個工況下螺旋輸送機(jī)中物料的填充率。圖5所示為螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料頭轉(zhuǎn)速與填充率的關(guān)系。由圖可知，螺旋輸送機(jī)的填充率隨螺旋軸轉(zhuǎn)速的增大的減小，隨喂料頭轉(zhuǎn)速的增大而增大。在同一工況下，運輸沙子和黃豆時，螺旋輸送機(jī)的填充率基本相等。即同一工況下，運輸不同物料時螺旋輸送機(jī)的體積流量是相等的。

(a)螺旋軸轉(zhuǎn)速(b)喂料頭轉(zhuǎn)速圖5 螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料頭轉(zhuǎn)速與填充率的關(guān)系Fig.5 Relationship between screw shaft speed, feeding head speed and filling rate

2.3 輸送性能的無量綱分析

為了實現(xiàn)最大的生產(chǎn)率和最小的能耗，計算生產(chǎn)率和能耗的無量綱量。生產(chǎn)率的無量綱量與能耗的無量綱量的比值按式(6)計算。螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)K越大，輸送性能越好。

取螺旋軸轉(zhuǎn)速n2的最大值600 r/min，沙子的填充率φ1為0.57，黃豆的填充率φ2為0.54，以上條件設(shè)為該螺旋輸送機(jī)的額定狀態(tài)，此時生產(chǎn)率為額定生產(chǎn)率Qe。計算得沙子、黃豆的額定生產(chǎn)率分別為225、106 t/h。螺旋輸送機(jī)電機(jī)額定功率Pe為5.5 kW。

圖6所示為螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)K與螺旋軸轉(zhuǎn)速n2的關(guān)系。如圖6(a)可知，當(dāng)物料為沙子，喂料頭轉(zhuǎn)速n1分別為60、80、100 r/min時，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速從100 r/min增加到200 r/min時，螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)近似線性增加；當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速從300 r/min增加到500 r/min時，K沒有明顯的增加趨勢；當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速大于500 r/min時，K趨于平緩。從圖6(b)中可以看出，當(dāng)以黃豆為輸送顆粒物料時，K也有相同的變化趨勢。主要原因是當(dāng)垂直螺旋轉(zhuǎn)速增加至一定值時，進(jìn)料能力不能滿足潛在的輸送能力，導(dǎo)致填充率沒有達(dá)到最佳值，從而使得輸送機(jī)效果提升不明顯。

圖7所示為螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)K與喂料頭轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速n2為300、400、500 r/min時，K隨著喂料頭轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大；但在喂料頭轉(zhuǎn)速大于80 r/min時，K值的增長幅度略有下降。

(a)沙子(b)黃豆圖6 螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)K與螺旋軸轉(zhuǎn)速n2的關(guān)系Fig.6 Relationship between parformance index K of screw conveyor and screw shaft speed n2

(a)沙子(b)黃豆圖7 螺旋輸送機(jī)的性能指標(biāo)K與喂料頭轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系Fig.7 Relationship between parformance index K of screw conveyor and feeding head speed n1

3 結(jié)論

通過實驗，研究了不同螺旋軸轉(zhuǎn)速、喂料頭轉(zhuǎn)速、物料種類等對螺旋輸送機(jī)的輸送性能指標(biāo)的影響，得出以下結(jié)論：

1)在現(xiàn)有的螺旋輸送機(jī)市場中，如何確定最佳工況是一個至關(guān)重要的問題。在螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)不能改變的情況下，要達(dá)到最好的輸送性能，改變螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料頭轉(zhuǎn)速是最直接、有效的方法。

2)隨著螺旋軸轉(zhuǎn)速的提高，輸送性能逐漸提升后又會出現(xiàn)下降的趨勢，因此在工程設(shè)計中不能盲目提高螺旋軸轉(zhuǎn)速。螺旋輸送機(jī)存在螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料頭轉(zhuǎn)速最佳配比，即最佳轉(zhuǎn)速比。最佳轉(zhuǎn)速比時螺旋輸送機(jī)輸送性能最佳，輸送沙子和黃豆時的最佳轉(zhuǎn)速比為3～4，兩者基本相等。