水平螺旋中物料運動的仿真分析

金星，劉青，姚強

（中國電建集團武漢重工裝備有限公司，武漢 430065）

0 引言

隨著生產技術的發展，電力、化工等行業機械設備的發展和應用，對煤炭的需求量日趨增加。以現有的輸煤系統為例，煤炭運輸分為水運和火車運輸，水運作為煤炭運輸的一種重要運輸工具，卸船機被各大電廠、化工廠等廣泛應用，卸船機的使用使得卸煤工作基本實現自動化作業。按照卸料方式的不同，卸船機分為門座式卸船機、抓斗式卸船機和懸鏈斗卸船機等[1]。各種卸船機的設計與應用極大地提高了卸煤效率，但是在煤料抓取過程中，不可避免會產生煤塵，造成環境污染。隨著綠色發展的不斷倡導，螺旋卸船機應運而生。螺旋卸船機在運輸煤料過程中一直處于全封閉狀態，不會產生煤料的泄漏，而且可以對煤料進行連續性抽取，大大提高了卸船機的工作效率[2]，因此研究工作參數對螺旋卸船機中物料運動的影響，以優化工作參數來進一步提高螺旋卸船機的工作效率具有重要的意義。

1 試驗方案

離散單元法是一種在散裝物料上具有顯著優勢的數值分析方法[3]，它能獲得許多不能實際測量的數據，方便了對螺旋卸船機中物料運動學的研究。螺旋卸船機的輸料管道主要包括垂直螺旋及水平螺旋，水平螺旋中各段螺旋通過吊軸承連接。為提高螺旋卸船機的工作效率，減少能源損耗，通過仿真研究水平螺旋轉速、進料量[4]及水平螺旋傾斜角度對水平螺旋中物料運動的影響，來優化螺旋卸船機的工作參數。實驗參數如表1所示。

表1 物料仿真參數

2 試驗結果

圖1為3個吊軸承處物料運動情況，可以看出3段吊軸承處均有物料聚集的現象，在第二吊軸承附近區域等距離插入數據采集塊，如圖1（b）所示，提取物料進出吊軸承的運動情況。圖2為物料在吊軸承區域質量流的變化曲線。由圖2可看出，在相同距離內，吊軸承進料與出料間質量流的差值較螺旋區域大，物料在經過吊軸承時會有物料滯留，即產生物料聚集，和觀察的現象表現一致。圖3為物料在吊軸承區域轉速的變化曲線。由圖3可知，物料在進吊軸承前角速度變化不大，在吊軸承出口處角速度明顯變大，即物料在吊軸承處旋轉速度變大。因為水平螺旋在吊軸承處沒有葉片，顆粒向前運動的驅動力變小，主要靠顆粒與顆粒間碰撞，物料會在吊軸承處聚集，導致物料的自轉速度會變大，增加了能量損耗。

圖1 物料在吊軸承處運動情況

圖2 吊軸承區域質量流變化

圖3 吊軸承區域轉速變化

圖4為3個吊軸承處進、出料質量流對比曲線。由圖4可知，物料在3個吊軸承之間的螺旋段質量流衰減更多，即在物料長距離運輸過程中，質量流損耗主要發生在螺旋運輸段，吊軸承段的損耗為次要因素。在水平螺旋管進料口、出料口及中間位置建立數據采集塊，提取物料在這3個位置的質量流，結果如圖5所示。由圖5可知，物料運動穩定后，水平螺旋出料口質量流比水平螺旋進料口質量流減少了約20 kg/s，因為物料在水平螺旋中運動時，物料與管道、螺旋葉片和物料間會有碰撞及摩擦力，這些都會導致物料在水平螺旋運輸過程中產生能量損失，使水平螺旋輸送物料的能力減小。

圖4 3個吊軸承處質量流對比

圖5 水平螺旋物料質量流對比

3 轉速對物料運動的影響

圖6為不同轉速下出料口處物料質量流隨時間變化曲線。由圖6可知，隨著轉速的增加，物料到達出料口所需的時間減小，能更早地達到運動穩定狀態，出口處質量流增加了40～50 kg/s，極大地提高了水平螺旋的工作效率。表2為物料達到穩定的運動狀態后流過水平螺旋的質量流的減少率。由表2可知，隨著轉速的增加，質量流的減少率變小，即單位時間內物料在水平螺旋管道中的集料更少，更有利于水平螺旋輸送物料。當水平螺旋傾斜角度為25°時，質量流減少率減小了29%，減小率下降明顯，因此增大轉速對水平螺旋處于下俯狀態時物料運動的影響更大。

圖6 不同轉速下質量流變化曲線

表2 不同轉速下質量流減小率

4 進料量對物料運動的影響

圖7為進料口不同的進料量下水平螺旋出口處質量流隨時間變化曲線。由圖7可知，在進料口進料量為167 kg/s 和200 kg/s時，物料質量流變化趨勢趨于一致，對出口處的質量流影響很小，物料到達出口處的時間也一致，即進料量的增加并不會影響物料在水平螺旋中的運動時間。表3為物料達到穩定的運動狀態后質量流的減少率。由表3可知，隨著進料量的增加，物料的質量流減少率增加，即增加進料量會導致更多的物料在水平螺旋管道中聚集，影響水平螺旋的工作效率，因此在滿足設計要求后，應盡量減小水平螺旋入口處的質量流。

表3 不同進料下質量流減小率

圖7 不同進料下質量流變化曲線

5 傾斜角對物料運動的影響

圖8為水平螺旋處于不同下俯角度時出口處質量流隨時間變化曲線。由圖8可知，當水平螺旋下俯角度增加時，物料到達水平螺旋出口所需的時間更長，即物料在水平螺旋管道中的運動速度更慢，達到穩定的運動狀態所需的時間更多，物料達到出口處的質量流更小。表4為物料達到穩定的運動狀態后質量流的減小率。由表4可知，傾斜角增加時，質量流量減少率增加，即在水平螺旋管道運動過程中會積聚更多物料，使水平螺旋的工作效率降低。

表4 不同傾斜角下質量流減小率

圖8 不同傾斜角下質量流變化曲線

6 結論

通過離散單元法仿真模擬了散裝物料在水平螺旋中的運動狀態，分析了不同工作參數對水平螺旋中物料運動的影響，得出了以下結論：1）物料會在吊軸承處發生聚集現象且物料的角速度會明顯變大，物料在水平螺旋管道運動過程中，沿程損失為主要影響因素，吊軸承損失為次要影響因素；2）隨著水平螺旋轉速的增加、傾斜角的減小，物料在水平螺旋管道中運動速度變大，物料質量流減少率變小，即物料在水平螺旋管道中的聚集會減少，水平螺旋的工作效率增加；增加水平螺旋入口處的進料量，對水平螺旋中物料的運動影響不大；3）當水平螺旋處于下俯狀態時，增加水平螺旋的轉速會明顯提高水平螺旋的工作效率。