螺旋葉片（piàn）對於垂直螺旋提升機功能影響的探討

螺旋垂直提升機是螺旋輸送機中常見（jiàn）的一種。傳（chuán）統的設計（jì）方（fāng）法主要依靠經驗公式設計，導致很難對螺旋（xuán）輸送機的（de）性能（néng）有很（hěn）大程（chéng）度地提升，而其在製藥、港口、農業、水泥、食品等行業應用廣泛，因此有必要對螺旋輸送機的設計與製造方法進行研究（jiū）。隨著計算機（jī）仿真（zhēn）技術的發展，越來越多的試驗應用於虛擬樣機（jī）的模擬中，這種處理不僅可以減少成本，提高效率，而且 能夠使設計者從產品的作用機理入手，解決在實際的 試驗中很難（nán）觀察物（wù）料輸送中細觀甚至微觀特征[1-2]。螺 旋輸送（sòng）機性（xìng）能的模（mó）擬研究，早是由 Shimizu 等[3]發（fā）表 離散（sàn）元法對螺旋輸送機中顆粒流的研究，並將研究結 果與先前的經（jīng）驗方程進行了對比分析。Cleary[4]研究了 顆粒形狀對喂料口進入的物料下降形式和輸送機的輸（shū）送特（tè）性的（de）影響。Owen 等（děng）[5] 詳細研究了操作條件，如 填充率、傾角和（hé）螺旋轉速等對螺旋輸送機性能的（de）影 響，但其未對螺旋葉片的形狀進行詳細討論。而這一課（kè）題在國內尚未有詳細的研究。本文（wén）中將對螺旋葉片進行研（yán）究，並結（jié）合其他操作條件（jiàn），預測螺旋輸送機的性能。

1 螺旋垂直提（tí）升機（jī）理與離散元理論（lùn）

1．1 螺旋垂直提升機（jī）的（de）輸送機理（lǐ） 螺旋垂（chuí）直提升機的結構簡圖如圖 1 所示（shì）。其組成 部分與水平螺旋輸送機基本相同，包括電動機、減速 器、機座、上軸承座、出料口、殼體、螺旋葉片、進（jìn）料口、 下軸承座等（děng）。物料顆粒由下進料口進入螺旋與殼體形成的區域內，電動機帶動螺旋旋轉，受到離心力、摩擦 力、重力等作用。先，物料顆粒依靠自身（shēn）的慣性，開 始沿螺旋（xuán）麵滑動，並（bìng）逐漸加速；其次，當受到的離心力 大於螺旋麵摩擦力時，顆粒（lì）向槽壁移動；顆粒與 槽壁之間的接（jiē）觸壓力逐漸增加，故槽壁對（duì）顆粒的摩擦（cā）力逐漸（jiàn）增加。由於受到摩擦力的作用，因此靠近槽壁 的（de）物料減速，物料（liào）與螺旋間產生相對運動，使物料顆 粒（lì）向（xiàng）上（shàng）運動。物料顆粒從出料口流出。

1．電動機，2.減速器，3.機（jī）座，4.上軸承座（zuò），5.出料口， 6.螺旋葉片，7.殼體，8.進料口，9.下軸承座

圖 1 螺旋垂直提升機的結構簡圖

1．2 離散（sàn）元理論

離散單元法[6]是由 Cundall 教授在 1971 年提出的一種顆粒離散體物料分析方法，其基本思想是把不連 續體分離為剛性元素的集合（hé），使各（gè）個（gè）剛性元素滿足運 動方程（chéng），用時步迭代的方法求解（jiě）各（gè）剛性元（yuán）素的運動方 程，繼而求得不連續體的整體運動形態。在應用離（lí）散（sàn） 單元法進（jìn）行數值模擬過程中，把物（wù）料中的（de）每個顆粒單（dān） 獨作為一個粒子單元建立數學模型，並給定粒子單元 的尺寸和物理性質，各個粒子之間存在接觸與分離（lí）兩 種關係。EDEM 是基（jī）於離（lí）散（sàn）單元（yuán）法模擬和分析顆粒係 統過程處理和生產操作的 CAE 軟件。EDEM 的分析能 夠獲得大量新的有價（jià）值數據，包（bāo）括粒子與壁（bì）麵相作用 的內在行為，粒子的分布、速（sù）度和位（wèi）置，粒子（zǐ）之間形成 的力鏈結構等。

2、螺旋垂直提升機模型描述

螺旋葉片對螺旋輸送機整機性能的影響（xiǎng）是研究的 。為了便於分析研究，選取 Robert 等在實驗中采用的（de）單頭標準螺距的（de）螺旋輸送機，采用傾角 90°，即垂 直（zhí）螺（luó）旋輸送機（jī），模型參數（shù）[8]見表 1。輸送的物料（liào）采用幹燥 的小米，其形（xíng）狀近球（qiú）形，因此不考慮顆粒形狀對輸（shū）送性 能的影（yǐng）響。而輸送（sòng）管（guǎn）和螺旋葉片采用鋼製作，它們的（de）材 料常（cháng）數，如（rú）剪切模量、泊鬆比等參數見表 2。 表 1 螺旋輸送機（jī）模型參數軸徑 螺距 螺旋厚度 螺旋高度 圓（yuán）筒內徑38 13 1 114 80

物料特性參數 參數名稱 剪切模量/Pa 泊（bó）鬆比 密度/(kg•m-3) 恢複（fù）係數 靜摩（mó）擦係數 滾動摩擦（cā）係數 基本顆粒半徑（jìng）/mm 小米 13×10 0.3 700 0.1 0.7 0.01 1.25

鋼 1.1×10 0.3 7850 0.3 0.5 0.01 -

3、試（shì）驗

3．1、設計

影（yǐng）響垂直螺旋輸送機性能的操（cāo）作變量有螺旋轉 速、進口速度、填充係數、螺旋葉片的形狀、顆粒的形（xíng）狀（zhuàng）等。試驗選取進口速度為 10 m/s，由文獻[5]可知，填充係數對平均顆粒速度、平均顆粒軸向速度、平均顆粒周（zhōu）向速度的影響很小，而本文（wén）中主要分析近軸處的 平均顆粒周向速度、近壁處（chù）的平均顆粒軸向速度（dù），因 此可選填充係數取做一個（gè）固定參數，即填充係數為 50%，忽略顆粒形狀對輸送性能的影響，因此試驗選 取了螺旋轉速、螺旋葉片作（zuò）為操作參（cān）數，來展開詳（xiáng）細 的試驗設計。 根據文獻[5]的分析，選取螺旋轉速參數分別為600、900、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r/min；螺旋 葉（yè）片母線的形（xíng）狀分別為直線型、折線型、曲線（xiàn）型（xíng），其形 狀簡圖如圖 2 所示，由排列組合（hé）知（zhī）識可知，需要進行21 次試（shì）驗。

3 種螺旋葉片的母（mǔ）線形狀（zhuàng）

3.2 實施

根據試驗設計， 在三維建（jiàn）模軟件 Autodesk Inventor 中分別對3種（zhǒng）不同形狀螺旋葉片建立幾何（hé）模（mó）型，並建立螺旋軸和圓筒壁的幾何模型（xíng），完（wán）成裝配後 以通用格式（shì） step 文件導出（chū），並啟動 EDEM 軟件（jiàn），在前 處理器中設置接觸類型、重（chóng）力參數、材（cái）料常數、顆粒尺寸，以三角形網格形式將幾何體導入 EDEM 中，並設 置相應各項的特性參數，如（rú）材料、轉速，並添加顆（kē）粒工 廠盤，尺寸是 26.4 mm2，設置顆粒（lì）工廠，添加顆粒數、 顆粒尺寸呈（chéng）正態分布，進口速度沿軸向10 m/s。進入仿真處理器，設置固定（dìng）時間步長為瑞利（lì）時間步長的 20%，網格尺寸為小粒徑的2倍。為了保證仿真（zhēn）效 率，幾何體以網格顯示，關閉求解報告和自動更新按 鈕，開始求解。求解完成後，進入後處理器，對仿真結 果進行分析，導出感興趣的數（shù）據，並通過（guò）數據分析軟 件 Origin Pro 8.0 進（jìn）行作（zuò）圖。

3．3 垂直螺旋輸送機中顆粒的分布

3 種不同螺旋葉片下螺旋輸送機中（zhōng）顆（kē）粒的分布情況如圖 3 所示，其中（zhōng），小顆粒對應前灰色，大顆粒對應深灰色圖 3a—c，分別是直線型母線（xiàn）的螺旋葉片的顆粒輸送情況。由圖（tú）可（kě）以看出，大顆粒大多分布在（zài）自由 麵（miàn）的表層，而小顆（kē）粒大多分布在螺旋麵的底層，且大、 小顆粒之間有明顯的（de）粒徑分離，這是（shì）由於顆粒之間的 剪應力作用的結果，而（ér）顆粒之間的相互接觸，在考慮 接觸變形、顆粒濃度較高、顆粒表麵的摩擦係數適當 的情況下，顆粒之間形成穩定的接觸力鏈，即此（cǐ）時的 顆粒（lì）流稱為彈性流。物料顆粒形（xíng）成（chéng）一定均勻深度的（de）流（liú） 化床，且自由麵（miàn）的傾（qīng）角接（jiē）近於螺（luó）旋麵傾（qīng）角。

圖 3d—f 等 3 組分別是折線型母線的螺旋葉片的 顆粒輸（shū）送情況。顆粒分布情形（xíng）與直線型類（lèi）似，但（dàn）不同 的是大、小顆粒之間的分離（lí）更加明顯，物料顆粒形成 了更（gèng）加均勻深度的流化床，自（zì）由麵（miàn）的傾角更接近於螺（luó） 旋（xuán）麵的（de）傾角。圖 3g—i 等 3 組分別是曲線型母線的螺 旋葉片的顆粒輸送情況，顆粒分布同樣類似於上述的 兩種情形，但大、小顆粒之間（jiān）分離明顯（xiǎn），剪切力影響 ，物料顆粒形成的（de）流化床更加均勻，自由麵幾乎 與螺旋麵平行，輸送效果。 圖 3 3 種螺旋葉片下的（de）顆粒（lì）分布情況（kuàng）依據顆粒（lì）的直徑（jìng）進行著色

3．4 顆粒的輸送速度

由於每個顆粒的粒（lì）徑（jìng）、速度、位（wèi）置（zhì）均不同[9]，為了 便於研究，考慮得到（dào）一些規律性的結論，采（cǎi）用統計平 均的（de）方式對試（shì）驗結果進行分析（xī）。

3．4．1 平均顆粒速度

通過離散元（yuán）模擬，得出了在不同轉速下的 3 種不同螺旋葉片形狀對平均顆粒速度的變化趨勢，如圖4所示，對於直線型母線螺（luó）旋（xuán）葉片，顆粒的輸送速度從（cóng）所示，對於直線型（xíng）母線螺旋葉片，顆粒的輸送速度從（cóng）保持線性減小，整體的輸送速度變化幅度為 0.01 m/s， 輸送平穩，且1400 r/min 輸送速度（dù）大。對於折線型 母線螺旋葉片，顆粒（lì）輸送速度在 1 000、1 600 r/min ，為 0.07 m/s，在 1 800 r/min 有增大趨勢，因此，從（cóng）趨 勢中不能很好地得出（chū）螺旋轉速與平（píng）均顆粒速度之間的 關係（xì）。對於曲線型母線螺旋葉片（piàn），顆粒輸送變化範圍 小，輸送為平穩。在 600~1 800 r/min 範圍內（nèi），平均顆 粒速（sù）度保持在 0.055 m/s 左右，輸送效果。

圖 4 不同螺旋葉片下的平均顆（kē）粒速度

3．4．2 平均軸向速度和平均周向速度

通過離散元模擬，得出了在（zài）不同轉速下的 3 種（zhǒng） 不同螺旋葉片（piàn）形狀對平均軸向速度變化趨勢，如圖 5 所示。 考察近軸處 12.75 mm 以內圓（yuán）柱的平均軸向速 度，在螺旋轉（zhuǎn）速小（xiǎo）於 1 600 r/min 時，隨著轉速的增加， 對於直線型、折線型的（de）螺旋葉片，其平均軸向速度成 增（zēng）大的趨勢，但曲線型的螺旋葉片，其平均軸（zhóu）向速度 沒有明顯的變化趨（qū）勢，且其軸向（xiàng）輸送速度遠小於直 線型、折線型母線的螺旋葉片對應的平均軸向速度； 但當螺旋轉速大於 1 600 r/min 後時，曲線型母線（xiàn）的 螺旋葉片對應的平均軸向速度超過了直線型、折線型（xíng）母線（xiàn）的螺旋葉片的平均（jun1）軸向速度，且直（zhí）線型母線（xiàn） 的螺旋葉片的平均軸向速度有所減小，因此，在考慮 較大螺旋轉速下，曲線型母（mǔ）線的螺旋葉片具有（yǒu）的輸送效果，能夠減小一定輸（shū）送量中的輸送功耗（hào），提 高輸送效率。

圖 5 平均顆粒軸向速度

通過離散元模擬，得出在不（bú）同轉速下的（de） 3 種不同螺 旋葉片形狀對平均周向速度的變化（huà）趨勢，如圖 6 所示。

圖 6 考察近壁麵處圓環內的平均軸（zhóu）向速度，由（yóu）圖 可以明顯（xiǎn）看出，曲線型、折線（xiàn）型母線的螺旋葉片（piàn）對應 的平均周向速度遠遠小於直線型（xíng）母線（xiàn）的螺旋葉片（piàn）對 應的平均周向速度，且曲線型（xíng）母（mǔ）線的螺旋葉片對應（yīng）的 平（píng）均周（zhōu）向速度小，降低了（le）由顆粒渦旋引起的能量耗 散，增加了能耗的利用率（lǜ）。

綜上，曲線型母線的螺旋葉片對應的顆粒（lì）流是由 螺旋運動引起的顆粒軸向上升和周向旋轉的運動疊 加的（de）結果。

3.5 耗能（néng）分（fèn）析（xī）

3.5.1 功率消耗（hào）

功耗的獲取是通（tōng）過離散元仿真（zhēn）中具有一定速度（dù） 的單個顆粒對旋轉螺旋麵的作（zuò）用力的疊加。圖 7 是 3 種不同母線（xiàn）的螺旋葉片對應單位時（shí）間內的能量耗散 情況。

由圖可知，在螺旋轉速（sù）為 600～1 200 r/min 的（de）範 圍內，折線型的螺旋葉片對應的能（néng）耗直線型 螺旋葉片能耗小，但 3 種螺旋葉（yè）片對應的能耗相 差不大；在螺（luó）旋轉速為 1 200～1 600 r/min 的範圍 內，曲線型（xíng）的（de）螺旋葉片（piàn）能（néng）耗（hào）小，在（zài） 1 400 r/min 時， 能耗相對直線型、折線型的螺旋葉片的能耗小，在 轉速大於 1 600 r/min 時，曲線型的螺旋葉片的節能效 果（guǒ）不（bú）太明顯，因（yīn）此，在中、高速螺旋輸送中，選用曲線 型母（mǔ）線的螺旋葉片是（shì）的。

3.5.2 能量耗散

能量耗散的原理是在一個固定（dìng）的仿真周期內所 有顆粒之間、顆粒與壁麵之間碰（pèng）撞消（xiāo）耗能量的綜合。 不考慮（lǜ）顆粒與壁麵磨損引起的能量耗散，從（cóng）能量守恒 的角（jiǎo）度理解，總（zǒng）能量耗散等於總的提供能量，且在單 位時間內（nèi）的能量消（xiāo）耗可以理解為功耗。離散元仿真提 供對輸送中總能量的消耗進行檢測（cè）的手段，由於顆粒（lì） 輸送消能耗量與能量裝置需要提（tí）供的有（yǒu）效能量是相 等的，因（yīn）此，分析（xī）總能耗（hào）的大（dà）小就可以預（yù）測（cè）係統對螺 旋輸送機（jī）需要提供多（duō）少能（néng）量。

圖8 為能（néng）量耗散圖。如圖所示，對於直（zhí）線型母線 的螺旋葉片，其對應的能耗折線型母線的螺旋 葉片與曲線型母線的螺旋葉片相差不大，都（dōu）遠（yuǎn）遠小於直（zhí）線型（xíng）所消耗（hào）的能量，因此，采用曲線型、折線型母線 的（de）螺旋葉片可以有效降低對（duì）係統（tǒng）總能量的（de）消耗，達到 節能的目（mù）的，有效地減少成本，提（tí）高效益。

3.6 質量流量

為了研（yán）究螺旋（xuán）垂直提升機中的顆粒（lì）輸送的流動 特性 ，需要定量地測（cè）量顆粒（lì）在輸送過程中的平均質（zhì） 量流量，它是通過（guò）記錄在單位時間內經過一個垂直於螺旋軸線的固定（dìng）截（jié）麵的顆粒數得出的（de）。圖 9 為平 均質量流量圖，3 種不同母（mǔ）線的螺旋葉片（piàn）對應的平 均質量（liàng）流量在（zài）不同螺旋轉速下的變化趨勢，對於直 線型母線的螺旋葉片，其對應（yīng）的平均質量（liàng）流量（liàng）在螺（luó） 旋轉速 600、1000、1 400 r/min 是逐漸增大，這與文 獻[5]基本吻合。對於（yú）折線型母線的螺旋葉（yè）片，其隨轉 速增（zēng）大的變化趨勢不具有明顯的函數關係，且在轉 速值1 600 r/min 時，平均質量流量小（xiǎo）。對於曲線型 母線的（de）螺旋葉片，其隨轉速增大的變化幅度（dù）小，在 600～1 800 r/min 的（de）範圍內（nèi），平均質（zhì）量流量保持在某一 定值的左右（yòu），說明其單（dān）位時間的輸送量隨轉速的變化 很小，具有的輸送效果（guǒ）。

4 結論

1）闡述螺旋垂直提升機的原理與離散元理論，考察 3 種母線形狀的螺旋葉片，借助顆粒仿真軟件 EDEM 進行數值（zhí）試驗（yàn），對顆粒速度、功率消耗、能量耗 散、質量（liàng）流量等性能指標進行了模擬。

2）與（yǔ）傳統直（zhí）線型相比，彎曲型母線的螺旋葉（yè）片在 近軸處的旋轉速度減小了 73.87%、近壁（bì）處的軸向速 度在高轉速時增大（dà）了 12.34%。

3）彎曲型母線的螺旋葉片減小了由額外顆粒流 引起的（de）能（néng）量耗散，且在試驗的轉速範圍（wéi）內平均質量流 量基本趨於常數，其輸送效果。

垂直螺（luó）旋輸送機廠家提（tí）示：請通過正規渠道購買香蕉影视輸送機，以保（bǎo）障您的合法權益！
訂購網址請登錄河南奧（ào）創機械有限公（gōng）司官方網站：www.567wow.com 24小時服務熱線：13353676726