粒粉物料螺旋輸送機輸送量與螺桿轉速的研究

左繼紅　劉麗麗　蔡頌　李志鵬

摘????? 要：利用粒粉散裝物料在螺旋輸送機內摩擦拖拽原理，對粒粉散裝物料與雙螺桿的輸送量進行研究并建立數學模型，利用ANSYS對雙螺桿做有限元分析，根據散裝物料特征分別進行粒狀和粉狀分析，比較ANSYS仿真計算、雙螺桿實測、2倍單螺桿實測的輸出量，從節約資源和能耗角度考慮最佳的螺桿轉速為120 r·min^-1。

關? 鍵? 詞：微粒粉散裝物料;雙螺桿輸送量;ANSYS仿真

中圖分類號：TM 53?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）06-1241-04

Study on the Conveying Capacity and Screw Speed of Screw?Conveyor for Granular Powder Bulk Materials

ZUO Ji-hong¹， LIU Li-li¹， CAI song²， LI Zhi-beng²

（1. Traction School， Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou Hunan 412001， China;

2. School of Mechanical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412001， China）

Abstract： The flow characteristics of granular powder bulk materials can affect the conveying capacity of twin-screw conveyor. The conveying capacity of the twin-screw conveyor for granular powder bulk materials was studied， and a mathematical model was established by using the principle of internal friction drag of granular powder bulk materials in the screw conveyor. The finite element analysis of the twin-screw conveyor was carried out by using ANSYS. The granular and powdery analysis was carried out according to the characteristics of bulk materials. The results of ANSYS simulation calculation， twin screw measurement and double single screw measurement were compared. From the perspective of saving resources and energy consumption， the optimal screw speed was determined as 120 r/min.

Key words： Granular powder bulk material; Twin-screw conveying capacity; ANSYS simulation

粒粉散裝物料主要通過螺旋輸送機進行短距離輸送，主要是螺旋輸送機結構簡單、密封性能好、工作可靠、成本較低、噪音較小。雙螺桿輸送機是在單螺桿的基礎上發展來的，在輸送機間的套筒上安裝兩根螺桿，設置一根螺桿為動力桿，另一根為從動桿，兩根螺桿反方向螺旋間互相自由嚙合形式轉化物料的向前的輸送力，雙桿輸送能力比單桿效果強^[1]。

輸送機的關鍵部件在于螺桿，但是粒粉散裝物料的流動特性影響了物料的輸送量，而且現在的螺旋輸送機生產的連續性較差。現在的研究主要在螺旋輸送機的結構、螺距和螺旋直徑的參數設計對輸送性能的影響，很少有從粒粉散裝物料的低能耗、高輸送研究。^[2-5]本文利用粒粉散裝物料在螺旋輸送機內摩擦拖拽原理，對螺旋輸送機關鍵部件螺桿分析，建立粒粉散裝物料與螺桿的輸送量進行研究并建立數學模型，利用ANSYS對螺桿做有限元分析，根據物料散裝物料特征分別進行粒狀和粉狀分析，分別比較ANSYS仿真計算、雙螺桿實測、2倍單螺桿實測的輸出量，從節約資源和能耗角度找出最佳的螺桿轉速與輸送量之間的關系。

1 ?加料過程受力理論分析

粒粉散裝物料雙螺桿螺旋輸送機如圖1所示，主要由機架、加料口、輸料筒、電機及傳動裝置、螺桿及口模等組成。本裝置設計雙螺桿輸送，加料口設計溢流加料，根據設計對雙螺桿進行分區（圖2）及建立粒粉散裝物料輸送模型（圖3）。^[6-7]從圖2可以看出螺旋輸送機可以劃分兩部分機筒縫隙區Q₁和螺旋螺槽區Q₂，本次采用溢流加料假設機筒縫隙區和螺旋螺槽區充滿粒粉散裝物料，所以總的輸送量：

式中：A —雙機筒縫隙區在垂直方面平面的橫截面積;

n —螺桿的轉速;

T —螺旋的導程;

—粒粉散裝物料松密度。

Q₂為單根螺旋螺槽區輸送量，由于本系統采用粒粉散裝物料在螺旋輸送機內摩擦拖拽原理，所以粒粉散裝物料在螺槽方向的輸送可以建立如圖3的微元模型，螺槽微元的X_b為在機筒內徑處測量的螺槽面積處寬度，設沿螺槽方向的移動速度為V， 則螺旋螺槽區的輸送量為：

式中：H —螺槽區的深度;

—粒粉散裝物料松密度。

對圖3對單根螺桿螺槽微元進行受力分析，假設F_n為微元沿軸線方向的接觸應力，F_b為粒粉散裝物料與機筒間的摩擦力，F_s為粒粉散裝物料與螺桿間的摩擦力。對物料微元做受力分析（根據力和力矩平衡分析）求出物料固體微元的輸送角 ：

由于Q₂為單根螺旋螺槽區輸送量，所以總的輸送量：

式中：D_b —螺桿的外徑;

D_m —螺桿的中徑;

θ_b —螺桿外徑的螺紋升角;

θ_m —螺桿中徑的螺紋升角;

θ_s —螺桿根徑螺紋升角;

W_b —螺桿外徑的螺槽寬度;

W_m —螺桿中徑的螺槽寬度;

W_s —螺桿根徑的螺槽寬度;

e —螺桿棱的截面寬;

δ —機筒與螺桿棱間距離;

f_e —粒粉散裝物料與機筒間的摩擦力;

f_s —粒粉散裝物料與螺桿間的摩擦力。

2? 雙螺桿ANSYS有限元模型的建立

2.1 ?模型建立及網格劃分

本文采用ANSYS有限元仿真把錐螺桿三維圖導入ANSYS（如圖4），在ANSYS庫中選擇solid92單元，并對螺桿進行網格劃分（如圖5），最終物料離散為SPH 光滑粒子（如圖6）;螺桿（如圖7）螺旋頂部厚10 mm， 螺旋底部厚14 mm，螺桿外徑76 mm， 內徑為圓錐柱體（底部內徑58 mm頂部內徑30 mm），螺桿螺距63 mm，螺桿總長410 mm，兩螺桿間隙4 mm， 粒粉散裝物料松密度為1，粒粉散裝物料與螺桿摩擦因數根據實驗測為0.4，粒粉散裝物料與機筒間的摩擦因數根據實驗測為0.3;螺桿轉速可調范圍（10～160）r·min^-1[8-11]。

分析方法：考慮到螺棱的存在選擇自由劃分網格，劃分213 486個單元，設定螺桿在不同轉速情況下，向前運動的總單元個數，與向后回流的單元總數，這樣就可以算出總的輸送量。

2.2? ANSYS材料屬性及邊界條件

螺桿材料采用 40Cr，彈性模量E=210 GPa ，泊松比μ=0.3， 屈服極限Q_s =440 MPa， 剪應力極為160 MPa。用ANSYS有限元分析螺桿時， 約束形式一端固定，軸端壓力由實際測得， 轉矩可由電機功率和螺桿轉速計算得到。軸的另一個端面施加全位移約束。

2.3?? ANSYS有限元計算結果與分析

分別選定分析ANSYS有限元粉狀物料輸送量與轉速關系（如圖8）和粒狀物料輸送與轉速的關系（如圖9），把物料的松密度摩擦因數、設計的轉速、雙螺桿尺寸等數據輸入軟件調整電機轉速可，總輸送量是由前運動的總單元個數加上向后回流的單元總數，由分析圖可知粉狀和粒狀物料在螺桿轉速小于100 r·min^-1時輸送量增長較快，到達120 r·min^-1時輸送量增長緩慢。

3 ?實測輸送量與轉速關系

3.1? 實際雙螺桿及單螺桿輸送量實驗設計

選定1臺與粒粉散裝物料雙螺旋輸送機（參數與ANSYS導入錐螺桿三維一致），分別選粉狀物料（粒徑≤0.1 mm）和粒狀物料（粒徑≥8 mm）為研究對象，變頻調速電機調整轉速（20、40、60、80、90、100、120、140、160 r·min^-1），粉狀物料和粒狀物料采用溢流加料方式，口模出料即為雙螺桿輸送量。單螺桿輸送量的計算和雙螺桿輸送量的設計相同，區別在于用雙螺桿輸送機的一根螺桿的孔堵死在測出的一根螺桿與轉速的關系，為便于比較計算的設計二倍單螺桿的輸送量與雙螺桿進行比較。

3.2? 實際輸送量與轉速實測結果分析

雙螺桿與二倍單螺桿實測輸送量與轉速關系（如圖8）和粒狀物料輸送與轉速的關系（如圖9），分析可知雙螺桿比二倍單螺桿的輸送量在任何轉速條件（20、40、60、80、90、100、120、140、160 r·min^-1）下輸送量要高，螺桿速度高于120 r·min^-1 輸送量增加緩慢。雙螺桿具有一定的優越性。從技術發展角度分析，雙螺桿輸送是一個發展趨勢。

4? 實驗結果分析及結論

由圖8粉狀物料輸送量與轉速關系、圖9粒狀物料輸送量與轉速關系可知螺桿轉速越高ANSYS仿真計算、雙螺桿實測的輸出量、2倍單螺桿實測的輸出量都在增加，特別是速度小于100 r·min^-1時輸送量增加很快，但是螺桿速度高于120 r·min^-1輸送量增加緩慢，所以從節約資源和能耗角度考慮。

最佳的螺桿轉速為120 r·min^-1。二倍單螺桿的實測輸送量在任何不同轉速條件下都低于ANSYS有限元仿真計算理論輸送量及和雙螺桿實測輸送量，可以認為雙螺桿輸送優勢比較明顯。

從曲線圖總體分析可知ANSYS仿真計算、雙螺桿實測、2倍單螺桿實測的輸出量與轉速的增長基本保持一致，證明ANSYS仿真軟件具有一定的可靠性。

參考文獻：

[1]陶冶.? 螺旋輸送機控制對大容量物料輸送的影響[J].? 科技創新與應用， 2015， 37（12）：105-106.

[2]王鐵流， 郭曉梅， 等.? 螺旋輸送機螺旋體優化設計[J].? 浙江水利水電專科學校學報， 2011（3）： 77-79.

[3]李彥. 基于螺旋輸送機的設計計算J].?湖南農機，?2014， 41（9）：55-57

[4]賈朝斌， 程珩.? 螺旋輸送機參數化設計方法研究[J].? 機械設計與制造，?2015（4）： 206-208.

[5]苗凱.?雙螺旋輸送器攪攏軸結構改型探討[J].?設備管理與維修， 2015（6）： 2-53.

[6]付興蘭， 安曉飛， 等. 基于單質點法的聯合收割機谷物卸糧質量理論建模與分析[J]. 江蘇農業科學，?2018， 46（11）： 208-211.

[7]陳雄飛， 羅錫文， 等.?兩級螺旋排肥裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，?2015， 31（3）：10-16.

[8]張承信， 崔宗可， 等.?基于 MATLAB的螺旋輸送機優化設計[J]. ?工程機械，?2017， 48（6）：34-36.

[9]周殿瑩，趙海金，張翠梅. 循環水泵密封的改進[J]. 當代化工， 2018， 47（7）： 1423-1425.

[10]羅勝， 張西良， 等.?螺旋不連續加料裝置結構優化與性能仿真[J].農業工程學報，?2013， 29（3）： 250-257.

[11]張洪信， 趙清海. ANSYS11. 0 有限元分析完全自學手冊[M] . 北京： 機械工業出版社， 2008： 55-5.