氣懸帶式輸送機的氣孔分布研究

黃付延， 林浩良

（1.廣東利元亨智能裝備股份有限公司，廣東 惠州516001；2.五邑大學 機電工程學院，廣東 江門529020）

0 引言

散料輸送涉及的行業領域十分廣泛，而散料輸送的關鍵設備就是輸送機[1]。氣懸輸送機利用氣墊可以無摩擦承托，從而代替了普通帶式輸送機中的輪滾接觸式支承，極大地減小了輸送阻力損耗，且相對傳統帶式輸送機，氣懸帶式輸送機由于氣墊支撐使得整個運輸過程更平穩安全，因此氣懸帶式輸送機具有很大的發展前景。

目前，國內外許多學者對與氣懸帶式輸送中氣箱結構、盤槽形狀、供氣裝置等方面的研究較為成熟[2]，郭金星等[3]分析了輸送帶上物料壓力分布，通過DEM仿真給出了壓力分布，將水壓力與土壓力計算方法進行了比較，證明兩者計算方法都可以滿足計算精度的要求。而對于氣孔布置的研究多數學者采用的是靜力學將輸送皮帶視為剛體，忽略了輸送皮帶的變形形狀，但是輸送皮帶的變形形狀是決定氣墊的特性關鍵因素之一。而流固耦合有限元模型可以精確獲取流場及結構動態響應特性，能夠在耦合邊界上流體和結構結果交換同步求解，計算精度高。因此本文建立氣懸帶式輸送機橫截面的二維流固耦合有限元仿真分析模型，采用直接流固耦合算法，在相同工況下分析不同數量氣孔對氣墊負載能力的影響。

1 輸送帶受力工況

本文以公司密封氣懸帶式輸送機項目為研究對象，結構如圖1所示，輸送皮帶材料：橡膠（彈性模量、泊松比參考橡膠材料），質量為8 kg/m2，皮帶尺寸：厚度為8 mm，寬度為1000 mm；進風量為50 m3/h，氣墊機產量為500，容重為0.75 t/m3，物料截面積為0.069 m3，進氣壓力為0.1815 MPa（方形氣箱保持）。

圖1 氣懸帶式輸送機結構圖

氣懸帶式輸送機通過氣源從送風管道進入方形氣箱輸入氣源，進入方形氣箱的氣體從氣室頂部盤槽上的氣孔中流出，流出來的氣體在盤槽與輸送皮帶之間形成一層均勻穩定氣墊區，從而托起輸送皮帶及帶上物料，最后輸送皮帶在驅動滾筒的牽引下進行輸送[4]，氣懸帶式輸送機橫截面結構示意圖如圖2所示。氣墊的存在將盤槽和輸送皮帶完全隔離開來，有效地減小了輸送帶在輸送過程中的摩擦，使得輸送帶在輸送過程中更加平穩，提高了輸送效率。

為使輸送皮帶和盤槽之間不存在接觸以避免發生磨帶現象，氣墊負載能力應大于輸送皮帶自身重力加物料負載重力。而輸送帶橫向上的物料并不是均勻分布的，中間負載最大并向兩邊遞減。從氣墊負載特性考慮，當工作一段時間后整個輸送系統達到平衡，氣墊負載力的大小只與氣墊區的氣壓和輸送皮帶面積有關。氣墊區氣壓越大，氣墊區越大，氣墊負載能力也越大，與此同時從間隙口泄漏的氣體也越多。但氣墊承載力的大小與泄漏的氣體關系并非簡單線性相關，因此需注重分析氣孔分布。

圖2 氣懸帶式輸送機橫截面結構示意圖

氣膜的產生與風機入口氣流量、氣孔布置、盤槽形狀、間隙口出口氣流量等因素有關。在輸送皮帶與盤槽間要形成一層穩定均勻的氣墊，且使整個系統消耗的能量最小，則與氣墊入口流量和間隙出口流量之差相關，間隙口為保證輸送皮帶兩邊與盤槽不接觸以設計成極小間隙，而入口氣流量直接由盤槽上氣孔數量、直徑、分布決定。因此，要設計節能高效的氣懸帶式輸送機就必須考慮盤槽氣孔的布置方式，不同的盤槽氣孔布置方式會產生不同的氣墊負載能力分布，也需要不同的入口氣流量來支撐[5]。

2 有限元分析

對于氣懸帶式輸送中氣墊區特性的數值模擬，己有諸多學者進行試驗驗證和仿真分析，而關于氣墊穩定狀態時懸浮的輸送皮帶的定義，李建峰等[6]將此時的輸送皮帶設置成已知形狀的剛體，不考慮其彈性形變，再通過改變氣孔數量、直徑、分布來獲得不同的氣墊負載力；朱小龍等[7]通過構建運用縫隙流理論和實驗測試對氣墊帶式輸送機氣膜厚度進行分析與研究，得出了氣膜的峰型分布情況與分布規律。從前面分析可知，輸送皮帶在氣墊載荷作用下會產生變形或運動，而輸送皮帶的變形或運動又反過來影響流場，從而改變氣墊區流體載荷的分布和大小。對此，本文通過Workbench中的Fluent板塊對氣墊進行流體仿真分析，同時通過Static Structural模塊對輸送皮帶進行分析，然后將兩相運算結果相互傳遞，進行流固耦合分析[8]。

2.1 有限元模型構建

假定整個運輸過程中輸送皮帶縱向上物料均勻堆積且處于相對靜止狀態，則物料對輸送皮帶的壓力沿同一縱向相等。而氣懸帶式輸送機縱向跨度為6 m，橫向跨度為1 m，則形成的氣墊厚度相對輸送皮帶長度和寬度很小，輸送皮帶的速度相對氣流速度又可忽略不計，因此，氣墊區氣體流體完全可以簡化成一橫截面上的二維流場問題。氣懸帶式輸送機橫截面二維仿真模型如圖3所示，除去對仿真沒有影響的特征和零件，保留方形氣箱、氣孔、氣墊等主要區域外加輸送皮帶上方的大氣區域。

整個計算域采用非結構化網格，共計161 169個網格單元中：全部采用適應性好的四面彈網格，氣孔和氣墊區做加密處理，最小單元達0.2 mm，而方形氣箱的大流場采用較大尺寸網格，最大單元達8 mm。網格質量大于0.31，滿足基本需求，網格劃分結果如圖4所示。

圖3 氣懸帶式輸送機橫截面二維仿真模型

圖4 有限元網格模型

2.2 仿真參數設置

輸送皮帶和氣墊區流體之間的耦合是一種雙向流固耦合，計算原理參考文獻[9]。在每一個步時上將固體上的計算結果傳輸到流體區域，引起流體流場變化后重新計算流體，再將新的計算數據重新作用在固體區域上，以此反復迭代，得到最終的收斂結果，具體設置如下：

1）速度邊界條件。當物料重力與氣墊負載能力達到平衡時，認為氣體在氣孔入口、間隙出口外其他接觸面均為無滑移壁面，速度均為0。

2）入口邊界條件。設定外界環境壓力為一個標準大氣壓P=0.101 MPa，保持方形氣箱入口氣量為50 m3/h；環境溫度T=24 ℃。

3）物料壓力條件。采用按物料的堆積深度來確定壓力分布，其實質為水壓力理論，若不考慮散狀物料中顆粒間的相互作用力，用水壓力的理論計算輸送帶表面受到的物料壓力，因此對于物料壓力選擇Hydrostatic Pressure來等效模擬。

2.3 仿真結果

仿真加載5 s之后，氣墊區內氣壓沒有波動，說明氣墊內氣流出入達到穩定。從圖5中可以看出，氣墊區氣孔周圍的氣壓與方形氣箱內氣壓基本一致，但靠近間隙區的地方連通大氣氣壓就急劇下降，慢慢趨近并等于大氣壓。

圖5 氣壓分布云圖

在相同進氣量條件下，不同的氣孔數量導致氣墊區氣壓也有明顯區別，結果如圖5所示。其中盤槽上5個氣孔對應的氣墊區氣壓為0.140 MPa，3個氣孔對應的氣墊區氣壓為0.189 MPa，1個氣孔對應的氣墊區氣壓為0.32 MPa。隨著氣孔數量增加，氣墊區進氣量也在增加，導致泄漏量增加，則氣墊區壓力在降低，故支撐力在降低，能支撐的負載也降低，因此氣孔過多，泄漏量增加，氣墊區氣壓降低。

在Static Structural模塊中，以盤槽內輪廓尺寸為基準，提取不同的氣孔數量的輸送皮帶形變數據，建立輸送皮帶在穩定狀態下橫截面尺寸圖，如圖6所示。由于氣墊區壓力作用,使得輸送皮帶都會被托起不同程度距離，也正是這個盤槽與輸送皮帶之間距離可以決定氣懸帶式輸送機的優良性。若盤槽與輸送皮帶間最小出口間隙過小，會發生磨帶現象,不利于輸送工作；若盤槽與輸送皮帶間極限距離差值過大，則形成的氣墊區不均勻，皮帶輸送過程中由于受力不均而產生晃動。

圖6 輸送皮帶形變對比圖

1個氣孔的盤槽產生的距離在中間位置最大有5.32 mm，向兩邊靠攏后慢慢變小形成間隙出口為1.12 mm。3個氣孔的盤槽產生的距離在中間位置最大有4.05 mm，兩邊最小間隙出口為1.91 mm。5個氣孔的盤槽產生的距離在中間位置最大有3.48 mm，兩邊最小間隙出口為2.26 mm。因此，隨著氣孔數量減少，氣墊區更均勻，槽與輸送皮帶之間間隙出口距離更大。

3 結論

本文建立了一種氣懸帶式輸送機的二維流固耦合有限元模型，分析了盤槽上氣孔數量對氣懸帶式輸送機的氣墊區負載能力的影響，可得出以下結論：1）盤槽上氣孔數量越多，氣墊區氣壓反而越小，氣墊區的負載能力越弱；2）盤槽上氣孔數量越多，盤槽與輸送皮帶之間氣墊氣流越均勻，更適合輸送皮帶工作。