螺旋输送机卸料口流量脉动影响因素研究
时间：2023-02-16 21:10:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙征宇 ，孟文俊 ，康 凯 ，王新伟
（1.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024；
2.智能物流装备山西省重点实验室，太原 030024；
3.陕西榆林能源集团杨伙盘煤电有限公司，陕西榆林 719300）
螺旋输送机结构简单、操作方便、绿色高效，在粮食、能源和化工等行业中得到广泛应用。但是，卸料口颗粒的流量脉动严重影响给料的均匀性，制约其在配料和定量给料等场合的使用。选择合适的螺旋结构、参数和工况来降低流量脉动一直是备受关注的研究课题。宋欢等［1］研究了螺旋转速对流量脉动的影响，得出随着螺旋转速的增大，流量脉动愈加明显。DALENJAN等［2］通过试验研究了4种不同螺旋结构的给料性能，得出圆形螺距和薄叶片螺旋可以减小流量脉动。张西良等［3］研究了颗粒的尺寸大小对流量脉动的影响，得出随着粒径的逐渐减小，给料的稳定性和准确性逐渐提高。刘春飞等［4］通过试验和仿真研究了螺旋转速和倾斜角度对质量波动的影响，得出质量波动随着螺旋转速和倾斜角度的增加而逐渐减弱。其中，螺旋转速对流量脉动的影响，文献［1］与［4］的结论不一致需进一步研究。到目前为止，还没有研究者系统地研究螺旋输送机各参数的变化对流量脉动的影响规律。为此，采用离散单元法（DEM）模拟不同螺旋结构、参数和工况下颗粒的流动行为［5-6］，对流量脉动随各条件参数的变化规律进行研究，以期降低流量脉动，提高出料的稳定性和给料的准确性。
在实际生产中，螺旋输送机封闭且不透明，很难通过试验测量的方法全面获取颗粒的运动信息，DEM可以获得近乎实际的颗粒运动状态和详细的颗粒运动信息［7-9］。因此，基于DEM模拟颗粒在螺旋输送机中的运动过程，在模拟中，选取颗粒为球形颗粒，直径为8 mm，颗粒的材料参数选取大豆的物性参数，见表 1［10］。
表1 材料参数Tab.1 Material parameters
建立如图1所示的螺旋输送机结构模型，由料槽和螺旋组成。螺旋输送机的材料参数选取低碳钢的物性参数，见表1；
结构和工况参数见表2［11-12］。在输送过程中，螺旋输送机水平安装且固定不动，螺旋以自身轴线做旋转运动。
图1 无轴螺旋输送机结构模型Fig.1 Structure model of shaftless screw conveyor
表2 结构参数和工况参数Tab.2 Structural parameters and working condition parameters
颗粒的运动遵循牛顿运动定律，颗粒和颗粒、料槽以及旋转的螺旋接触时发生力和力矩的传递，输送环境为干燥，可忽略黏聚力和气体曳力的作用。颗粒间的接触力计算采用Hertz-Mindlin（Non-slip）模型，接触参数见表3，时间步长为1×10-4s，能很好地表现颗粒的运动状态，同时又能提高计算效率。
表3 接触参数Tab.3 Contact parameters
流量脉动未量化表示，使得研究者难以探究流量脉动随各参数的变化规律，故定义脉动值表示流量脉动的大小，方便研究螺旋输送机结构、参数和工况变化对流量脉动的影响规律。
如图2所示为螺旋输送机完整的1次输送过程中，卸料口颗粒累积质量流量随时间的变化曲线。
图2 累积质量流量随时间的变化Fig.2 Change of cumulative mass flow rate with time
颗粒累积质量流量随时间的变化为1条形如“∫”的周期波动曲线。在t1到t2时间段，曲线整体呈线性增长，螺旋输送机处于稳定输送。
颗粒累积质量流量随时间变化的直线斜率为瞬时质量流量，由下式计算：
式中 q ——瞬时质量流量，kg/s；
ΔQ —— 选取时间内颗粒流经卸料口截面的质量，kg；
Δt ——选取时间，s。
计算稳定输送段各时刻的瞬时质量流量即可得到卸料口颗粒瞬时质量流量随时间的变化曲线，如图3所示。
图3 瞬时质量流量随时间的变化Fig.3 Change of instantaneous mass flow rate with time
稳定输送时，流量脉动的大小基本保持不变，选取该阶段的若干个周期进行脉动值的计算。T为1个周期的时间长度，取决于螺旋转速，比如，螺旋转速n=120 r/min，则1个周期的时间长度T=0.5 s。qmax，i与 qmin，i为 采样数 据，tmax，1（tmin，1）、tmax，1+T（tmin，1+T）、tmax，1+2T（tmin，1+2T）为采样时刻，其中，tmax，1为最大瞬时质量流量采样基准时刻，tmin，1为最小瞬时质量流量采样基准时刻［13］，采样得到的数据根据下式计算脉动值：
式中 Np——脉动值，无量纲量；
qmax，i—— 第 i周期的最大瞬时质量流量，kg/s；
qmin，i—— 第 i周期的最小瞬时质量流量，kg/s。
3.1 无轴螺旋内径对流量脉动的影响
在 S=160 mm，n=60 r/min，φ=0.32的条件下，研究无轴螺旋内径变化对流量脉动的影响。如图4所示为该条件下螺旋内径对脉动值的影响规律。随着螺旋内径的逐渐增大，脉动值逐渐减小，减小速率逐渐增大。说明，螺旋内径越大，流量脉动越小。从图5可以看出，随着螺旋内径的逐渐增大，螺旋表面积逐渐减小，螺旋对颗粒的法向推力和切向摩擦力随之减小，颗粒的逆向回流增强，使得颗粒在料槽中的分布更加均匀，流量脉动变小。
图4 螺旋内径对脉动值的影响Fig.4 Influence of screw inner diameter on pulsation value
图5 不同螺旋内径下颗粒的流动状态Fig.5 Flow state of particles under different screw inner diameters
3.2 螺距对流量脉动的影响
在n=60 r/min，φ=0.32的条件下，研究螺距变化对流量脉动的影响。如图6所示为该条件下螺距对脉动值的影响规律。脉动值随螺距的变化不是单调关系，当螺距逐渐增大时，脉动值逐渐减小，减小速率逐渐降低，螺距增大到某一值时，变化趋势发生改变，脉动值略微增大。对于不同内径的螺旋，变化趋势发生改变的螺距不同，螺旋内径越大，变化趋势发生改变的螺距越小。同时可以看出，螺旋内径越大，螺距变化对脉动值的影响越小。这说明，随着螺距的逐渐增大，流量脉动逐渐减小，当螺距增大到某个值时，流量脉动逐渐增大。
图6 不同螺旋内径下螺距对脉动值的影响Fig.6 The influence of pitch of screws on pulsation value under different screw inner diameters
从图7可以看出，螺距越大，在卸料口螺旋面对物料的阻挡程度越小。前一螺距内的颗粒还未完全流出，后一螺距内的颗粒便可以流出，颗粒流出的连续性变好，流量脉动变小。当螺距继续增大时，颗粒在料槽中的分布又变得不均匀，所以颗粒的流量脉动会增大，如图8所示。
图7 不同螺距下颗粒在卸料口的流动状态Fig.7 Flow state of particles at outlet under different pitch of screws
图8 不同螺距下颗粒在料槽中的流动状态Fig.8 Flow state of particles in the material trough under different pitch of screws
3.3 填充系数对流量脉动的影响
在S=160 mm，n=60 r/min的条件下，研究填充系数对流量脉动的影响。如图9所示为该条件下填充系数对脉动值的影响规律。随着填充系数的逐渐增大，脉动值逐渐减小，减小速率逐渐降低。不同螺旋内径具有相同的变化规律，但是，螺旋内径越大，填充系数对脉动值的影响程度越大，脉动值减小速率越快。说明，填充系数越大，流量脉动越小。图10可以看出，填充系数越大，颗粒在料槽中的分布越均匀，物料的流量脉动越小。
图9 不同螺旋内径下填充系数对脉动值的影响Fig.9 The influence of filling coefficient on pulsation value under different screw inner diameters
图10 不同填充系数下物料在料槽中的流动状态Fig.10 Material flow status in the trough under different filling coefficients
3.4 螺旋转速对流量脉动的影响
在d=128 mm，S=160 mm条件下，研究螺旋转速对流量脉动的影响。如图11所示为该条件下螺旋转速对脉动值的影响规律。当螺旋转速逐渐增大时，脉动值逐渐减小，减小速率逐渐降低。在不同填充系数下，螺旋转速对脉动值的影响规律基本相同。说明，螺旋转速越大，流量脉动越小。相关研究表明［14］，颗粒的轴向速度随螺旋转速的增加几乎呈线性增长。从图12可以看出，随着螺旋转速的增大，卸料口出料的连续性变好，流量脉动减小。
图11 不同填充系数下螺旋转速对脉动值的影响Fig.11 The influence of rotational speed of screw on pulsation value under different filling coefficient
图12 不同螺旋转速下物料的流动状态Fig.12 Flow state of materials at different rotational speed of screw
3.5 双轴螺旋差角对流量脉动的影响
在 S=160 mm，n=60 r/min，φ=0.32的条件下，研究双轴螺旋差角变化对流量脉动的影响。如图13所示为该条件下螺旋差角对脉动值的影响规律。螺旋差角从0 °向360 °变化时，流量脉动呈先减小后增大的变化趋势，螺旋差角为180 °时，流量脉动达到最小。
图13 螺旋差角对脉动值的影响Fig.13 Influence of helix angle on pulsation value
螺旋差角为180 °的结构形式可以使流量脉动达到最小，其原理是最小瞬时质量流量与最大瞬时质量流量的相互抵消。相差180 °的两螺旋在输送颗粒时，其中一个螺旋输出的瞬时质量流量达到最大时，另一个螺旋输出的瞬时质量流量正好最小，如图14所示。理论上这种结构形式可以使流量脉动变得很小甚至消失，但实际上，2个螺旋之间无隔层，螺旋面对颗粒的摩擦与颗粒间的相互摩擦使得颗粒集中于料槽一侧，所以流量脉动不能完全消失。
图14 不同螺旋结构下瞬时质量流量随时间的变化Fig.14 Variation of instantaneous mass flow rate with time under different screw structures
（1）脉动值将流量脉动的大小量化表示，便于探究各参数对流量脉动的影响规律。脉动值趋于1，表示流量脉动逐渐消失；
脉动值等于1，说明流量脉动消失，颗粒处于稳定流动。
（2）随着螺旋内径、转速和填充系数的逐渐增大，流量脉动逐渐减小，脉动值最小低至1.46；
随着螺距的逐渐增大，流量脉动呈先减小后增加的趋势，脉动值最小为1.98。在工程实际中，应尽可能选用大螺旋内径、高螺旋转速和大填充系数来降低流量脉动带来的不良影响。
（3）双轴螺旋差角从0 °向360 °变化时，流量脉动先减小后增大，当螺旋差角为180 °时，脉动值为1.16，流量脉动达到最小。在配料和定量给料场合，可优先选用螺旋差角为180 °的双轴螺旋输送机。
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