螺旋葉片對於垂直螺旋提升機功能影響的探（tàn）討

螺旋垂直提升機是螺（luó）旋輸送機中常見的一（yī）種。傳統的設計（jì）方法主要依靠經驗（yàn）公式設計，導致（zhì）很難對螺旋輸送機的性能有很大程度（dù）地提（tí）升，而其在製藥、港口、農（nóng）業、水泥、食品等行業應用廣泛，因此有必要對螺旋輸送（sòng）機的設計（jì）與製造方（fāng）法進行研究。隨著計（jì）算機仿（fǎng）真技術的發展（zhǎn），越來越多的試驗（yàn）應用於虛擬（nǐ）樣機的模擬中，這種處理不（bú）僅可以減少成本（běn），提高效率，而且 能夠使設（shè）計者從產（chǎn）品（pǐn）的作用機（jī）理入手，解決在實際的 試（shì）驗中很難觀察物料（liào）輸送中細觀甚至微觀特征[1-2]。螺 旋輸送機性能的模（mó）擬研究，早是由 Shimizu 等[3]發表 離（lí）散元法對螺旋（xuán）輸送機中顆粒（lì）流的研究，並將（jiāng）研究（jiū）結（jié） 果與先前的經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（jī）的輸送特性（xìng）的影響。Owen 等[5] 詳細研（yán）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影 響，但其未對螺旋（xuán）葉片的形狀進行詳細討論（lùn）。而這一課題在國內（nèi）尚未有詳（xiáng）細的研究。本文中將對螺旋葉片進行研究，並結合其他操作條件，預測螺旋輸送機的性能。

1 螺旋垂直提（tí）升機理與離散元理論

1．1 螺旋垂直提升機（jī）的輸送機理（lǐ） 螺旋垂直提升（shēng）機的結構簡圖如圖 1 所示。其組成 部分（fèn）與水平螺旋輸（shū）送機基本相同，包括（kuò）電動機、減速 器、機座、上（shàng）軸承座（zuò）、出料口、殼體、螺旋葉片、進料口、 下軸承座等。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（jī）帶動螺旋旋（xuán）轉，受到離心力、摩擦 力、重力等作用。先（xiān），物料顆粒依靠自身的慣性，開 始沿螺旋麵滑動，並逐漸加速；其次，當受到的離心力 大於螺旋麵摩擦力時，顆（kē）粒向槽壁移動；顆粒與 槽壁之間的接觸壓力逐漸增加，故槽壁（bì）對顆（kē）粒的摩（mó）擦力逐漸增加。由於受到摩擦（cā）力（lì）的（de）作用，因此靠近槽壁 的物料減速，物料（liào）與螺旋間產生相對運動，使物料顆 粒向上運動。物料顆粒（lì）從出料口流出。

1．電動機，2.減速器，3.機座，4.上軸承座，5.出（chū）料口， 6.螺旋葉片，7.殼體，8.進料（liào）口，9.下（xià）軸承座

圖 1 螺旋垂直（zhí）提升機的結構簡（jiǎn）圖

1．2 離散元理論（lùn）

離（lí）散單元法[6]是由 Cundall 教授在 1971 年提（tí）出的一種顆粒離散體物料分析（xī）方法，其基本（běn）思想是把不連 續體分離為（wéi）剛性元素的集合，使各個剛性元素滿足運 動方程，用時步（bù）迭代的（de）方法求（qiú）解各剛性元素的運動方 程，繼而求得不連續體的整（zhěng）體運動形態。在應用離散 單元法進行數值模擬過程中，把物料中的每個顆粒（lì）單 獨（dú）作為一個粒子（zǐ）單元建立數學模（mó）型，並給定粒子單元 的尺寸和物理性質，各個（gè）粒子（zǐ）之間存在接觸與分離兩 種（zhǒng）關係。EDEM 是基於離散單元法模擬和分析（xī）顆粒係 統（tǒng）過程（chéng）處理和生產操作的 CAE 軟件。EDEM 的分析（xī）能 夠獲得大量新的有價值數據，包括粒子與壁（bì）麵相作用 的內在行為，粒子的分布、速度和位置，粒子之間形（xíng）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（sòng）機整機性能的影響（xiǎng）是研究（jiū）的（de） 。為了便於分析（xī）研究，選取 Robert 等在實驗中（zhōng）采用的單頭標準螺距的螺旋輸送機，采用傾角 90°，即垂 直螺旋輸送機，模型參數[8]見表 1。輸送的物料采用幹燥 的小米，其形狀近球形，因此不考慮顆粒形狀對輸送性 能的影響。而輸送管（guǎn）和螺旋葉片采（cǎi）用鋼製作，它們的材 料常數，如剪切模量、泊鬆比等（děng）參數見表 2。 表 1 螺旋輸送機模型參數軸徑 螺距（jù） 螺旋厚度 螺旋高度 圓筒（tǒng）內（nèi）徑38 13 1 114 80

物料特性參數 參數（shù）名稱 剪（jiǎn）切模量/Pa 泊鬆比 密度/(kg•m-3) 恢複（fù）係數 靜摩擦係（xì）數 滾動摩擦（cā）係數 基本顆粒半徑/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、試驗

3．1、設計（jì）

影響（xiǎng）垂直螺旋輸送（sòng）機性能的操作變量有螺旋轉 速、進口速度、填充係數、螺旋葉片的形狀、顆粒的形狀等。試驗（yàn）選取進口速（sù）度為 10 m/s，由文獻[5]可知（zhī），填充係數（shù）對平均顆粒（lì）速度、平均顆粒軸向速（sù）度、平均顆粒周向速度的影響很小，而本文中主要分析近軸處的 平均顆粒周向速（sù）度、近壁處的（de）平均顆粒軸（zhóu）向速度（dù），因（yīn） 此可選填（tián）充係數取做一個固定參數，即填充係數（shù）為 50%，忽略顆粒形狀對輸送性能的（de）影響，因此試驗選 取了螺旋轉速、螺旋葉（yè）片作為操作參數，來（lái）展開詳細 的試（shì）驗（yàn）設計。 根據文獻（xiàn）[5]的分析，選取螺旋轉速參（cān）數分別為600、900、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r/min；螺旋 葉片母線的形狀分別（bié）為直線型、折線型、曲線型，其形 狀簡圖如（rú）圖 2 所示，由排列組合知識可知，需要進行21 次試驗。

3 種螺旋葉片的母（mǔ）線形狀

3.2 實施

根據試驗設計， 在三維建模軟件 Autodesk Inventor 中分別對3種不同形狀螺旋葉片建（jiàn）立幾何模型，並建立螺旋（xuán）軸（zhóu）和（hé）圓筒壁的幾何模型，完成裝配後 以通用格式 step 文件導出，並啟動 EDEM 軟件，在前 處理器中設置接觸類型、重力參數、材料常數、顆粒尺（chǐ）寸，以三角形網格形式將幾何體導入 EDEM 中，並設 置相應（yīng）各項的特性參數，如材料、轉速，並添加（jiā）顆粒工 廠盤，尺寸是 26.4 mm2，設置顆粒工廠，添加顆粒數、 顆（kē）粒尺寸呈正態分布（bù），進口（kǒu）速度沿軸向（xiàng）10 m/s。進入仿真處（chù）理器，設置固（gù）定時間步長為瑞（ruì）利時間步長的 20%，網格尺寸為（wéi）小粒徑的2倍。為了保證仿（fǎng）真效 率（lǜ），幾何體以網格顯示，關閉求解報告（gào）和自動更新按（àn） 鈕（niǔ），開始（shǐ）求解。求解完成後，進入後處理器，對仿真結 果進行分（fèn）析，導出感興趣的數據，並（bìng）通過數（shù）據分析軟 件 Origin Pro 8.0 進行作圖。

3．3 垂（chuí）直螺旋輸（shū）送機中（zhōng）顆粒的分（fèn）布

3 種不同（tóng）螺（luó）旋葉（yè）片下螺旋輸（shū）送機中顆（kē）粒（lì）的分布情況如圖 3 所示，其中，小（xiǎo）顆（kē）粒對應前灰色，大顆粒對應深灰（huī）色圖 3a—c，分別是直線型母線的螺旋葉片的顆粒輸送情（qíng）況。由圖可（kě）以看出，大顆粒大多分（fèn）布在（zài）自由 麵的表（biǎo）層，而小顆粒大多分布在螺旋麵的底層，且大、 小顆粒之間有明顯的粒徑分離，這是由於顆粒之間的（de） 剪應力作用的結果，而顆粒之間的相互接觸（chù），在考慮 接（jiē）觸變形、顆粒濃度較高（gāo）、顆粒表麵的摩擦係數適當 的情況下（xià），顆粒之間形成穩定的接觸力鏈（liàn），即此時的 顆粒流稱為彈性流。物料顆粒形成一定（dìng）均（jun1）勻深度的流 化床，且自由麵的傾角接近於螺旋麵傾角。

圖 3d—f 等 3 組分別是折線型母線的螺旋葉片的 顆粒輸送情況。顆粒分布情形（xíng）與直（zhí）線型類似，但不同 的（de）是大、小顆粒之間的分離更加（jiā）明顯，物料顆粒形成 了（le）更加均勻（yún）深度的流化床，自由麵的傾角更接近於螺 旋麵的傾角。圖 3g—i 等（děng） 3 組分別是曲線型母線的（de）螺 旋葉片的顆（kē）粒（lì）輸送（sòng）情（qíng）況，顆粒分（fèn）布同樣類似於上述的 兩種情形，但大、小（xiǎo）顆粒之間分離明顯，剪切力影響 ，物料顆粒（lì）形成的流化床更加均勻，自由（yóu）麵幾乎 與螺旋麵（miàn）平行，輸送（sòng）效果。 圖 3 3 種螺旋葉片下的顆粒分（fèn）布情況依據顆粒的直徑進行著（zhe）色

3．4 顆（kē）粒的（de）輸送速度

由於每個顆（kē）粒的（de）粒徑、速度（dù）、位（wèi）置均不同[9]，為了 便於研究，考（kǎo）慮得到一些規律性的結論（lùn），采用統計平 均的方式對試驗結果（guǒ）進行分析。

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（zhǒng）不同螺（luó）旋葉片（piàn）形狀對平均顆粒速度的變化趨（qū）勢，如圖4所示，對於直線型母線螺旋葉片，顆粒的（de）輸送速（sù）度從所示，對於（yú）直線型（xíng）母線螺旋葉片，顆粒的輸送速度從保（bǎo）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 輸送速度大。對於折線型（xíng） 母線螺旋葉片（piàn），顆粒輸送速度在 1 000、1 600 r/min ，為 0.07 m/s，在 1 800 r/min 有增大趨勢，因此，從趨 勢（shì）中不能很好（hǎo）地得出螺旋轉速與平均顆粒速（sù）度之間的 關係。對於曲（qǔ）線型（xíng）母線螺旋葉片，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（kē） 粒速度保（bǎo）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粒速（sù）度

3．4．2 平均軸向速度和平（píng）均周向（xiàng）速（sù）度（dù）

通過離（lí）散元模擬，得出了在不同轉速下的 3 種 不同螺旋葉片形狀對（duì）平均軸（zhóu）向速度（dù）變化趨勢，如圖 5 所示。 考（kǎo）察近軸處 12.75 mm 以內圓柱的平均軸向速 度，在螺旋轉速（sù）小於 1 600 r/min 時，隨著轉速的增加， 對於直線（xiàn）型、折線型的螺旋葉片，其平均軸向速度（dù）成 增大的趨勢（shì），但曲線型的螺旋（xuán）葉片，其（qí）平均軸向速度 沒（méi）有明顯的（de）變化趨勢，且其軸向輸送（sòng）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，曲線型母線的 螺旋葉片對應的平均軸向速度超過了直線型、折線型母線的螺旋葉片（piàn）的平均軸（zhóu）向速度，且直線型母線 的螺（luó）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，曲線型母線的螺旋葉片具（jù）有的輸（shū）送效果，能（néng）夠減小一定輸送量中的輸送功耗，提 高輸送效率（lǜ）。

圖 5 平均顆粒軸向速度

通過離（lí）散元模擬，得出在不同轉速下的（de） 3 種不同螺 旋葉片（piàn）形狀（zhuàng）對平均周向（xiàng）速度的變化趨勢（shì），如圖 6 所示。

圖 6 考察近壁麵（miàn）處圓環內的平均軸向速度，由圖 可（kě）以（yǐ）明顯看出，曲線型、折線（xiàn）型母線的螺旋（xuán）葉片對應 的（de）平（píng）均周向速度遠遠小於直線型母線的螺旋葉（yè）片對（duì） 應的平均周向（xiàng）速（sù）度，且曲線型（xíng）母線的螺旋葉片（piàn）對應的（de） 平均周（zhōu）向速度小，降（jiàng）低了由顆粒渦旋引起的能量耗 散，增加了能耗的利用率。

綜上，曲線型母（mǔ）線的螺旋葉片對應的（de）顆粒流是由 螺（luó）旋運（yùn）動引起的顆粒軸（zhóu）向上升和周向旋轉（zhuǎn）的運（yùn）動疊 加的結果。

3.5 耗能分析

3.5.1 功率消耗

功耗的獲取是通過（guò）離散元仿真中具有一定速度 的單個顆粒對旋轉螺旋麵的作（zuò）用力（lì）的疊加。圖 7 是 3 種不（bú）同母線的螺旋葉（yè）片對應單位（wèi）時間（jiān）內的能量耗散 情況（kuàng）。

由圖可知，在螺旋轉速為 600～1 200 r/min 的範 圍內，折（shé）線型的（de）螺旋葉片對應的能（néng）耗直線型 螺（luó）旋葉片能耗小，但 3 種螺旋葉片對（duì）應的能（néng）耗相 差不大；在螺旋轉速為 1 200～1 600 r/min 的範圍 內，曲線型的螺旋葉片能耗（hào）小，在 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（shí），曲線型的螺旋葉片的節能效 果不太（tài）明顯，因此，在中、高速螺（luó）旋輸送中，選用曲線（xiàn） 型（xíng）母線的螺旋葉片是的。

3.5.2 能量耗散（sàn）

能量耗散的原理是在一個（gè）固定（dìng）的仿真周期內所 有顆粒之間、顆粒與壁麵（miàn）之間碰撞消耗能量的綜（zōng）合。 不考慮顆粒與壁麵磨損引起的能量耗散，從能量守恒 的角度（dù）理解，總能（néng）量耗散等於總的（de）提供能量，且在單 位時間內的（de）能量消耗可以理解為功耗。離散（sàn）元仿真提 供（gòng）對（duì）輸送（sòng）中總能量的消耗進行檢測的手段，由於顆粒 輸送消能耗量與能量裝置需要提（tí）供的有效能量是相 等的，因此，分析總能（néng）耗的大小就可以（yǐ）預測（cè）係（xì）統對螺 旋輸送機需要提供多少能量。

圖8 為能量耗散圖。如圖所示，對於直線型母線 的螺旋葉片，其對應的能耗折（shé）線型母線的螺旋 葉片與曲線型母線（xiàn）的螺旋葉片相差不大，都遠（yuǎn）遠小於直（zhí）線型所消耗的能量，因此，采用曲線型、折線型母線 的螺（luó）旋（xuán）葉片可以有效（xiào）降低對係統總能量的消耗（hào），達到 節能（néng）的目的，有效地減少成本，提高效益。

3.6 質（zhì）量流量

為了研究螺旋垂直提升機中的（de）顆（kē）粒輸送的（de）流動 特性 ，需要定量地測量顆粒在輸送過程（chéng）中的平均質 量流量，它（tā）是通過記錄在單位時間內經過一個（gè）垂直於螺旋軸線的固定截麵的顆粒數得出（chū）的。圖 9 為平 均質（zhì）量（liàng）流量圖，3 種不同（tóng）母線的（de）螺旋葉片對（duì）應的平 均質量流量在（zài）不（bú）同螺旋轉速下的變化趨勢，對於直（zhí） 線型母線的螺旋葉（yè）片，其對（duì）應的平（píng）均質（zhì）量流量在螺 旋轉速 600、1000、1 400 r/min 是逐漸增（zēng）大，這與文 獻[5]基本吻合（hé）。對於折線型母線的螺旋葉片，其隨轉 速增大的變化趨勢不具有（yǒu）明顯的函數關係，且在轉 速值1 600 r/min 時，平均質量流量小。對於曲（qǔ）線型 母線的螺旋葉片，其隨轉速增（zēng）大的（de）變化幅度（dù）小，在 600～1 800 r/min 的範圍（wéi）內，平均質（zhì）量流量保持在某一 定值的左右（yòu），說明（míng）其單位時間的輸送量隨轉速（sù）的變化 很小，具有的輸送效果。

4 結論

1）闡述（shù）螺旋垂直提升機的原理與離散元理論，考察 3 種母線形（xíng）狀（zhuàng）的螺旋葉片（piàn），借助顆粒仿真軟件 EDEM 進行（háng）數值試驗，對顆粒速度、功率（lǜ）消耗、能量耗 散、質量流（liú）量（liàng）等性能指標進行了模擬。

2）與傳統直線型相比，彎曲型（xíng）母線的（de）螺旋葉片（piàn）在 近軸處的旋（xuán）轉速度減小了 73.87%、近壁處的軸向速 度在高轉速時增大了（le） 12.34%。

3）彎曲型母線的螺旋葉（yè）片減小了（le）由額外顆粒（lì）流 引起的能量耗散，且在試驗的轉速範圍內平均質量流 量基本趨於常數，其輸送效果。

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