D形截面螺旋輸送機輸送顆粒物料的實驗研究

劉春飛，李艷潔，王 玉

(北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083)

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D形截面螺旋輸送機輸送顆粒物料的實驗研究

劉春飛，李艷潔，王 玉

(北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083)

在可控轉速的情況下運輸粉末或者顆粒等松散物料時，因其機構簡單，螺旋輸送機被廣泛應用于林業(yè)、農業(yè)等多種背景下的短距離提升或水平運輸物料。為此，采用實驗方法，針對改進后的D形截面筒的輸送機進行輸送顆粒物料的研究，結果表明：輸送的質量流速率隨著輸送轉速的增加而增加，隨輸送角度的增大而降低。另外，螺距和顆粒物料的粒徑也對質量流速率有影響：大螺距的輸送質量流速率較大，且隨著輸送傾斜角度的增大，螺距對質量流速率的影響減小；大顆粒的質量流速率大于小顆粒，且隨著輸送傾斜角度增加差距增大。

螺旋輸送機；顆粒；質量流速率

0 引言

螺旋輸送機是一種比較常見的輸送設備，被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、林業(yè)、礦業(yè)等各種領域。在農業(yè)生產中，螺旋輸送機輸送糧食必須保證有極小的破碎增加率，且存在的問題是葉片磨損較大、過載及對糧食有過大的破碎率。由于糧食業(yè)務的要求，螺旋輸送機輸送谷物的破碎增加率應小于0.3%[1]，所以糧食在運輸工程中破碎是螺旋輸送機存在的一個主要問題。螺旋輸送機用于中短距離的物料傳送，可以實現對傳送物料的準確控制，可以在傳送的過程中實現不同物料的混合運輸[2]，還可以對物料實現垂直不間斷的運輸等。對于螺旋輸送機本身，其設備結構簡單，但在其內部被輸送的顆粒物料的運動卻非常復雜。在輸送物料過程中，物料運動受螺旋葉片的推動，其運動并不是簡單地沿軸線作直線運動，而是一個復雜的空間運動，物料在螺旋輸送機內部不同位置的速度都不同，有很大差距[3]；而其結構設計與輸送物料的物性參數有復雜密切的關系。螺旋輸送機可以應用于惡劣的工作條件和工況復雜的情況下，也可以應用到一些精度高的場合。螺旋輸送機在輸送的過程有時還要伴隨著攪拌混合等功能，所以螺旋輸送機的種類有很多，結構差異大，再加上其本身的設計參數較多，且各參數之間相互聯系和相互影響，使得設計和選擇工作復雜、難度大[4]。目前的螺旋輸送機一般采用傳統的設計方法，參數選取依靠經驗，效率低，功耗大，性能差[5]。

目前，國內對螺旋輸送機的研究大多數是理論及數值分析、結構參數及參數優(yōu)化等方面；傳送的物料主要是粉末、粒狀物料等，也有對輸送機的軸和螺距做過研究[3-10]，所涉及的外筒均為圓形截面，未見有在輸送機的外筒形狀上進行研究。國外學者對螺旋輸送機的數值仿真研究很多[11-17]，也有部分與實驗研究進行對比分析[18-19]，但未見關于顆粒在被輸送時的夾碎及其相關結構的改進研究。在本文實驗研究中，筆者改進了傳統的圓形截面外筒為D形截面，通過測得不同工況下的顆粒物料輸出質量曲線并計算質量流速率，利用質量流速率衡量輸送機的效率，分析了轉速、傾斜角度、螺距和顆粒粒徑與質量流速率之間的關系。

1 實驗裝置和方法

本文的實驗研究中，最初采用的是對圓形外筒螺旋輸送機進行實驗，發(fā)現有顆粒在外筒與進料斗的焊縫與葉片外緣處，被不斷推進的葉片排擠到一個封閉的小空間內而無處可逃(如圖1所示深色顆粒)，最終導致螺旋葉片軸停轉，或者顆粒被夾碎。這種現象會影響傳輸的穩(wěn)定性，還對物料造成損壞。為了消除這種現象，改進了外筒形狀，采用如圖2所示的D形截面的外筒。這種截面形狀的外筒增加了外筒頂部與葉片邊緣的間距，因此顆粒在輸送時不會被完全夾住，不會出現顆粒被夾碎或葉片軸停轉現象。

本實驗中采用的是一種傾角可連續(xù)調節(jié)的螺旋輸送機，通過調整輸送機連桿滑槽上固定外筒的螺桿與連桿滑槽固定端的距離，并用螺母固定在連桿滑槽內位置，來確定輸送軸與水平的夾角，即輸送傾斜角度。輸送對象為總質量4.5kg的亞克力球形顆粒，利用松下FP0型號的PLC和步進電機驅動器發(fā)送脈沖信號給步進電機實現螺旋葉片軸的定速轉動。實驗過程的被輸出顆粒累積質量數據由北京龍翔天力測控有限公司的量程為5kg、LTH-XB型號的稱重式壓力傳感器和型號LT-CR90/8UN的數據記錄儀來采集并記錄。實驗裝置如圖3所示。

圖1 圓柱外筒夾顆粒示意圖

圖2 改進后的D形截面外筒螺旋輸送機

圖3 實驗裝置

本文實驗中，需要人工在進料斗連續(xù)添加顆粒物料，并保持物料在進料斗內堆積高度始終維持在10cm左右，以確保螺旋輸送機在穩(wěn)定輸送時為滿載輸送。本文研究的所有工況參數列于表1，每組工況至少重復3次，以便質量數據的平均化處理，消除偶然性誤差。被輸出的顆粒物料質量采集頻率設置為每秒1次，每次實驗的數據采集從零質量開始直至總質量達到4.5kg為止。

表1 實驗工況參數

2 實驗結果和討論

本文通過測量被輸出顆粒的質量累積數據，計算每秒時間間隔內的質量，即質量流速率，并以此作為定量研究螺旋輸送機輸送效率的指標。質量流速率是指在單位時間通過一個垂直于螺旋軸并位于螺旋軸上的平面的顆粒質量[12,15]，則

(1)

2.1 傾斜角度分析

取螺距60mm的葉片軸，在轉速50r/min時，輸送10mm粒徑不同傾斜角度的累積質量結果的對比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：在0°時僅用了60s時間就完成了全部顆粒的輸送；當時間到達80s左右時，15°和30°也都已輸送完全部顆粒，只有45°傾角時運輸持續(xù)了160s才結束。由圖4(a)可見：隨著傾斜角度增加，輸送相同質量顆粒物料的時間加長。這是因為在實驗中所選用的螺旋輸送機的外筒為D形截面(見圖2)，葉片外緣距離外筒頂壁的距離為11mm，顆粒直徑分別為5mm和10mm，所以在傾斜角度增加時，顆粒回流的現象就會變得比較明顯，輸出全部4.5kg所需的時間就變長。圖4(b)也明確地示出在螺旋輸送機滿載穩(wěn)定輸送的10～45s時間段內，質量流速率隨著傾斜角度的增加而降低，這一規(guī)律在圖4(c)中體現的更為明顯。圖4(c)中的每一角度對應的質量流速率的數值為圖4(b)中10～45s時間段內，滿載穩(wěn)定輸送時的質量流速率的平均值。這個研究結論與P.J. Owen[15]的仿真研究得到的質量流速率與傾斜角度的關系相吻合，但是他采用的外筒為圓形截面。由此推斷，雖然采用的是D形截面外筒，會在大傾斜角度的時候有顆粒回流現象，導致輸送時間延長，但采用圓形外筒大傾斜角度輸送時同樣也會使輸送效率降低。本文采用的這種D形截面外筒的螺旋輸送機屬于半開式物料輸送，只適用于水平和小傾斜角度狀態(tài)下，并不適用于大傾斜角度的物料輸送。

圖4 傾斜角度對輸送質量和質量流速率的影響(顆粒直徑10mm、轉速50rpm、螺距60mm)

2.2 螺距分析

螺距的大小決定著螺旋的升角，也決定著物料運動的滑移面，所以螺距的取值直接影響物料的輸送過程。有研究結果表明[8]：螺旋輸送機的輸送效率隨著螺距與筒體內徑的比值增加而增加；在筒體內徑不變的情況下，輸送效率隨著螺距的增加而增加。

本實驗研究對比了顆粒直徑為10mm、轉速50r/min的工況下，傾斜角度分別為0°、15°、 30°的60mm和100mm螺距的傳送質量與時間關系，如圖5所示。

圖5 不同傾斜角度下兩種螺距的輸送質量曲線對比(顆粒直徑10mm、轉速50r/min)

不同傾角兩種螺距的質量差如圖6所示，平均質量流速率如圖7所示。

圖6 不同傾斜角度兩種螺距輸送的質量差

圖7 平均質量流速率(顆粒直徑10mm、轉速50r/min)

2.3 轉速分析

螺旋輸送機的轉速對螺旋輸送機的傳送能力影響比較大,但轉速卻不能過高；當轉速超過一定限制時，物料就會因為較大的離心力而產生垂直運輸方向的跳躍，以至于無法沿軸向被輸送[4]。至于轉速的上限，因輸送物料的性質而異，并未有一個固定值。

圖8(a)為不同轉速的傳送累積質量與時間關系，圖8(b)為平均質量流速率與轉速之間的關系。由圖8(b)可以看出：螺旋輸送機在滿載穩(wěn)定工作時，平均質量流速率隨著轉速的增加而增加。本文研究的轉速屬于較低轉速，因而并未出現高轉速下的質量流速率下降的現象。

2.4 顆粒粒徑的影響

陳汝超[20]的研究結果表明：螺旋輸送機在輸送粒徑不同的物料時，隨著顆粒平均粒徑的增大輸送速率也增大。本文分別使用總質量同為4.5kg的兩種粒徑完成運輸實驗，比較了不同粒徑的質量累積曲線和質量流速率，如圖9所示。

在圖9(a)可以看出：水平時的輸出質量所用時間為30°時所用的時間的1/2，說明水平輸送的效率是最高的。由圖9(b)中可以看出：螺旋輸送機在滿載穩(wěn)定工作時，兩種粒徑顆粒的質量流速率均隨著傾斜角度的增大而下降；雖然傾斜角度不同，但是大顆粒的平均質量流速率始終大于小顆粒；傾斜角度增大，兩種顆粒的運輸效率差距也增大。

圖8 轉速對螺旋輸送機的影響

圖9 顆粒粒徑與傾斜角度的影響規(guī)律

2.5 混合顆粒

為了直觀觀察兩種粒徑顆粒在螺旋輸送機內被輸送過程中的混和情況，本文將5mm和10mm兩種粒徑的顆粒交替地裝入進料斗，從而定性地判斷不同粒徑顆粒的混合狀態(tài)。圖10表示出了不同時刻兩種顆粒的混合情況。由圖10可看出：進料口處的物料流速不一樣，凹進一側出現明顯的顆粒滯留現象，同時兩種不同粒徑的顆粒在輸送機外筒內的混合度隨著向前持續(xù)流動而增加。

圖10 混合顆粒的運輸過程圖

3 結論

1)質量流速率隨著輸送傾斜角度的增大而降低，顆粒的回流現象隨著傾斜角度的增大而越發(fā)明顯，因此該種螺旋輸送機只適用水平或小傾斜角度輸送。

2)大螺距的輸送質量流速率大于小螺距，但隨著輸送角傾斜角度的增加兩種螺距的質量流速率差別減小。

3)螺旋輸送機的效率隨著轉速的增加而增加。

4)顆粒的質量流速率大于小顆粒，但是隨著輸送傾斜角度的增加，差別減小。

5)顆粒在進料斗內的喂入速度不同，凹進一側出現滯留現象，且顆粒在被輸送過程中混合度增加，深入的定量研究有待后續(xù)研究。

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Experimental Study on Particles Conveying in Screw Conveyor of D-shape Cross Section

Liu Chunfei, Li Yanjie, Wang Yu

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Screw conveyors are used to transport powder or particle and other bulk materials under controllable speed. Because of the simple structure of screw conveyor they are widely used in forestry, agricultural and other fields to elevate and/or convey materials over short or medium distance. In this paper, we studied the particles conveying process with the improved screw conveyors of D-shape cross-section tube by the experiment, and we found that the mass flow rates increased with the increase of rotation rate, and decreased with the increase of inclination angle. In addition, the screw pitch and particle size also affected the mass flow rate. The mass flow rate of the large screw pitch was larger than small screw pitch, and difference of them decreased with the increase of the inclination angle; mass flow rate of big particle was larger than small particle, and the difference between two sizes of particles increased with the increase of inclination angle.

screw conveyors； particle； mass flow rate

2016-06-07

中央高校基本科研業(yè)務費專項(2016ZCQ08)；國家自然科學基金項目(11202031)

劉春飛(1991-)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，(E-mail )liuchunfei@bjfu.edu.cn。

S229+.2

A

1003-188X(2017)08-0141-06