外筒驅動型垂直螺旋輸送技術輸送大豆的輸送特性

李健+賈瑞清+王乾

摘要：外筒驅動型垂直螺旋輸送技術是一種新型的垂直螺旋輸送技術，其工作原理是螺旋葉片與機架固定連接，通過外筒旋轉驅動物料沿螺旋葉片上升。對外筒驅動型垂直螺旋輸送技術垂直輸送大豆的輸送特性進行仿真模擬與分析，其具體步驟為：首先建立外筒驅動型垂直螺旋輸送機模型，然后將模型導入EDEM軟件進行數值模擬，分析其輸送特性，最后總結外筒驅動型垂直螺旋輸送技術的優點和研究方向。

關鍵詞：散體物料輸送；大豆；外筒驅動技術；垂直螺旋輸送；外筒旋轉；螺旋固定

中圖分類號： TH224 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0201-04

螺旋輸送技術是物料輸送的一種重要技術，可以用來水平、傾斜或者垂直輸送散體物料。垂直螺旋輸送機用于垂直輸送物料，其工作機理是：螺旋葉片旋轉速度在高于臨界轉速時，在離心力、摩擦力及重力的合力下完成散體物料垂直輸送。另外，垂直螺旋輸送機必須采用重力式或者強迫式給料方式，只依靠螺旋葉片旋轉很難完成物料垂直輸送。重力式進料適用于流動性好的物料，需要注意的是輕質物料不適合重力進料方式；強迫式進料須要加裝其他裝置強迫向垂直螺旋輸送機供料。在物料提升高度較大的場合須要布置中間軸承，消除螺旋主軸撓曲變形[1-3]。外筒驅動螺旋垂直輸送技術原理如圖1所示，外筒和進料板剛性連接，外筒在驅動力作用下旋轉，物料進入料斗后，一部分物料被旋轉的進料板鏟進外筒內，在外筒內壁-物料、物料-物料之間的摩擦力驅動下沿螺旋葉片上表面螺旋上升。筆者所在課題組已經開展了外筒驅動型垂直螺旋輸送技術的研究，試驗現場如圖2所示，圖2-a 為試驗現場照片，輸送物料為油頁巖顆粒如圖2-b，顆粒度1.6，顆粒密度1 200 kg/m3，提升高度5.5 m，輸送量 8～9，輸送時，不須要強迫進料裝置，中間支撐軸承結構更加簡單，且不存在臨界轉速問題。為了分析其輸送糧食作物的可行性和輸送特性，EDEM軟件是分析散體物料輸送的可靠軟件[4-7]，因此本試驗以圖2所示的外筒驅動型垂直螺旋輸送機為研究對象，通過EDEM軟件仿真研究外筒驅動型垂直螺旋輸送技術輸送大豆的過程。

2 仿真參數選擇

目前，我國垂直螺旋輸送機沒有統一的定型產品，只有某些企業為適應市場需要自行設計的產品，同時也沒有外筒驅動形式的垂直螺旋輸送機[1]，采用類比的方法設計外筒驅動垂直螺旋輸送機。某廠自行設計的LC型垂直螺旋輸送機輸送糧食時技術性能參數[1]和外筒驅動型垂直螺旋輸送機參數如表1所示。

根據表1建立的外筒驅動型垂直螺旋輸送機仿真樣機三維模型如圖1所示，其螺旋直徑為193 mm，外筒壁直徑 203 mm，外筒高度400 mm，螺距180 mm，進料板高度 200 mm，進料板開口寬度50 mm；仿真顆粒選擇大豆，大豆顆粒建模參數如表2所示，全局變量如表3所示[3]，最終獲得的大豆顆粒模型如圖3所示，仿真大豆顆粒13萬個，分別仿真模擬外筒轉速在40、80、120、160、200 r/min情況下輸送大豆的特性。

3 EDEM仿真分析

根據參考文獻[7-12]，選定外筒大豆速度、大豆角速度、質量流率、充填率、輸送效率作為數據分析對象。

3.1 外筒轉速對大豆速度的影響

由圖4可知，外筒驅動型垂直螺旋輸送機不存在臨界轉速的問題。傳統垂直螺旋輸送機輸送糧食時臨界轉速是 120～130 r/min，外筒驅動型垂直螺旋輸送機在40 r/min情況下也能夠正常工作。因此，外筒驅動型垂直螺旋輸送機不存在臨界轉速問題，在低轉速情況下也能夠輸送物料。隨外筒轉速增大，大豆沿z軸方向的速度分量與合速度的比值越來越小，所以隨外筒轉速增大，大豆沿z軸方向運動產生的動能與其總動能的比值越小。因此，設備輸送效率隨外筒轉速增大而降低。從取樣點分布可知，外筒轉速和大豆沿垂直方向速度以及外筒轉速和大豆速度之間均可近似為線性關系。

圖6是輸送過程中大豆的轉速矢量圖，箭頭代表方向，顏色從白到黑代表轉速值從小到大?？偟膩碚f，在同一個過z軸的截面上，大豆轉速的大小和方向比較接近，與其位置關系不大，可以認為大豆以層流形式沿螺旋葉片方向逐步提升。

3.3 質量流率分析

從圖7可知，外筒轉速在40～120 r/min區間時，外筒轉速和大豆質量流率近似為線性關系；當外筒轉速大于 120 r/min 時，質量流率增幅趨勢逐漸變緩。根據質量流率計算模型輸送量如表5所示，擬合輸送量和外筒轉速關系多項式如式（4）所示：

Q=44.39ω4-661ω3+2 632ω2+1 285ω+1 924。（4）

式中：Q表示輸送量，t/h；ω表示外筒轉速，r/min。

參考表1中某廠螺旋直徑200 mm的LC型垂直螺旋輸送機參數，當螺旋轉速為160 r/min時，其輸入量約 10.1 m3/h，輸送物料大豆時輸送量約為12.4 t/h；由圖7計算得到外筒驅動型垂直螺旋輸送機輸送量為18.24 t/h。理論上，外筒驅動型垂直螺旋輸送機比某廠螺旋直徑 200 mm 的LC型垂直螺旋輸送機輸送量高47%。特別需要注明的是，LC型垂直螺旋輸送機須要依靠水平螺旋給料機進料，而外筒驅動型垂直螺旋輸送機只須料斗中物料高于進料板即可。

3.4 充填率分析

大豆的充填率是外筒內大豆體積與外筒和螺旋葉片圍成空間體積的比值。由圖8可知，在不同外筒轉速情況下，外筒中大豆充填率是不同的。計算充填率時，截取一段外筒，這段外筒中的大豆總體積除以這段外筒和螺旋葉片圍成的空間體積，得到的結果就是充填率。不同外筒轉速條件下大豆充填率的具體分析結果如圖9所示，大豆充填率隨外筒轉速增大而降低，總體呈線性趨勢。采用線性擬合的方法擬合充填率和外筒轉速的關系函數見式（5）：

kV=0.001ω+0.682。（5）

式中：kV表示充填率；ω表示外筒轉速，r/min。

從圖8-a中可觀察到大豆幾乎充滿外筒，從圖8-b中可觀察到大豆充填率超過50%；但圖9顯示，當外筒轉速在40、200 r/min時，充填率分別為63%、42%。圖8和圖9不相符的原因是在大豆之間存在大量空隙。以外筒轉速 40 r/min 為例，在高于進料板的位置選取50 mm高的一段外筒為分析

對象，通過EDEM分析可知50 mm高的一段外筒包含5 707個大豆；50 mm高的一段外筒和螺旋葉片之間空間為 0.001 29 m3；通過計算得到圖3中每個大豆模型占用最小網格空間為0.260 mm3。按照最小網格空間的體積計算，理論上50 mm高的一段外筒內最多可存放4 962個大豆模型網格，很明顯少于仿真得到的大豆顆粒數，理論結果和仿真結果之間存在差別的原因是大豆可以嵌入其他大豆網格空間的空隙，可見是大豆之間的空隙造成圖8和圖9中大豆充填率不相符。

3.5 驅動功率分析

由電機功率和轉矩的關系公式（6）可知，通過分析仿真模型中外筒的轉矩，可以求得仿真模型的驅動功率。

T=9 550P/n。（6）

式中：T表示轉矩，N·m；P表示外筒驅動功率，W；n表示外筒轉速，r/min。

由圖10可知，外筒轉矩隨外筒轉速增大而增大。外筒驅動最小功率如圖11所示，擬合得到外筒驅動功率外筒轉速和外筒轉速的關系函數如式（7）所示。在實際運行中還存在機械損耗、摩擦損耗、大豆碰撞能量損耗，圖11中數據比實際數據偏小。

P=0.008ω2+1.886ω+21.11。（7）

式中：P表示外筒驅動功率W；ω表示外筒轉速，r/min。

3.6 輸送效率

輸送效率為1 s提升大豆的勢能和1 s電機做功的比值，不同外筒轉速和輸送效率的關系曲線如圖12所示。隨著外筒轉速增大，設備輸送效率呈下降趨勢。大豆z軸方向動能和大豆總動能的比值如圖13所示，外筒轉速在40～80 r/min時，大豆z軸方向動能占大豆總動能的比值比較穩定；當外筒轉速在80～200 r/min時，大豆z軸方向動能占大豆總動能的比值減幅很明顯。綜合分析圖12和圖13，在輸送量滿足要求的前提下，外筒運行在轉速40～80 r/min情況下輸送效率較高。擬合外筒轉速-輸送效率關系多項式如式（8）所示：

η=7E-07ω2+3E-5ω+0.052。（8）

式中：η表示輸送效率；ω表示外筒轉速，r/min。

4 結論

通過EDEM仿真模擬可知，外筒驅動型垂直螺旋輸送技術能夠應用于大豆垂直輸送，同理它也能夠廣泛用于其他糧食的垂直輸送。外筒驅動型垂直螺旋輸送機的優點包括：第一，結構更加簡單。首先，外筒驅動型垂直螺旋輸送機不須要水平螺旋給料機強迫進料，極大節省設備成本。其次，外筒旋轉相對于螺旋葉片旋轉撓度更大，長距離輸送不須要設計中間軸承。第二，外筒驅動型垂直螺旋輸送機不存在臨界轉速問題，能夠在低轉速下輸送物料，低轉速輸送時設備機械磨損和物料破損率更低。第三，外筒驅動型垂直螺旋輸送機可以應用在有粉塵爆炸危險的場合。粉塵爆炸的三要素是粉塵云、充足的空氣或氧化劑、火源或強烈振動與摩擦。外筒驅動型垂直螺旋輸送機在低轉速下能夠做到高充填率，當物料充滿外筒時就不會產生滿足粉塵云和充足的空氣這2個因素；因為不需要中間軸承，不會由于軸承強烈摩擦生熱而形成火源。所以，外筒驅動型垂直螺旋輸送機能夠應用在有粉塵爆炸危險的場合。第四，外筒驅動型垂直螺旋輸送機輸送量大。理論上，在相同轉速情況下外筒驅動型垂直螺旋輸送機比LC型垂直螺旋輸送機輸送量高很多。

通過EDEM仿真模擬得到的外筒驅動型垂直螺旋輸送機輸送大豆時的輸送特性，其中輸送量、輸送效率等公式是基于理論研究方面的，可以作為設計參考。但是，本研究得到的結論若要直接應用于設計生產，還須通過試驗平臺研究進行修正。同時，不同物料特性、螺旋升角、進料板形狀和尺寸等參數對輸送特性的影響也有待進行深入研究?？傊?，外筒驅動型垂直螺旋輸送機應用范圍廣、結構更加簡單、輸送性能更好，有很大的科研價值和經濟價值，有取代傳統垂直螺旋輸送機的潛力。

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