垂直螺旋輸送不同物料特性的實驗研究

梅 瀟，薛玉坤，劉海文

(上海海事大學 物流工程學院，上海 201306)

隨著世界集裝箱化和散貨航運業的快速發展，散貨卸船技術已成為散貨專業碼頭的核心技術。螺旋輸送方式以其高效的輸送能力、封閉、環保的輸送條件，不僅廣泛應用于港口裝卸散貨，還廣泛應用于農業、食品加工、建筑、采礦等行業中。

垂直螺旋輸送機是螺旋輸送機的一種運用普遍、結構簡單的散貨連續運輸機械，它憑借其高效的輸送能力，密閉環保的輸送環境被廣泛用于農業、食品加工、建筑、采礦等行業。關于螺旋輸送的輸送性能，國內外學者進行了理論分析、仿真和實驗研究。近年來，仿真研究掀起了一股熱潮。Orefice等[1]運用EDEM軟件仿真發現：水平螺旋輸送機的軸越小，生產率和效率越高，且填充率為50%時，輸送效率最大。Owen等[2]通過應用離散元法(discrete element method，DEM)，模擬具有周期性邊界條件的單節距垂直螺旋輸送機，研究了螺旋軸轉速、傾角和填充率對輸送性能的影響。張秋霜等[3]采用離散元單元法對雙螺旋輸送機進行了仿真；Mei等[4]使用EDEM軟件，設置循環邊界模型，模擬了輸送大米的水平單頭螺旋輸送機。陶亮等[5]采用ABAQUS軟件對螺旋輸送機輸送物料的動態性能進行分析。鄭軍等[6]使用 Fluent軟件建立螺旋輸送機的數值模擬模型,將Fluent模擬輸送量的結果與實驗結果對比。朱鴻翔等[7]利用EDEM軟件分析了螺旋結構、軸轉速、螺距等關鍵參數對螺旋輸送機輸送性能的影響。

由于物料特性對螺旋輸送的影響，仿真參數輸入的準確性會直接影響輸出結果的可靠性和精度，因此實驗研究是確保數值方法可靠性的重要途徑。Asli-Ardeh等[8]實驗研究了螺旋軸轉速、傾角和物料種類對垂直螺旋輸送機所需功率和輸送能力的影響。Karwat等[9]通過實驗和仿真手段研究了顆粒的尺寸、內、外摩擦系數對垂直螺旋輸送機輸送性能的影響。Li等[10]進行了砂土盾構螺旋輸送機壓力分布和壓力梯度實驗研究。Owen等[11]將預測的螺旋輸送機的質量流量與實驗測量值進行了比較。Pezo等[12]通過實驗探討了螺旋長度、物料粒徑、螺旋設計的幾何變化對螺旋輸送機-混合機在物料運輸過程中混合性能的影響。Tian等[13]設計了一種帶有柔性離散螺旋葉片的新型螺旋輸送機，并建立了能耗模型，然后通過仿真和實驗驗證了其實用性。Wulantuya等[14]通過理論分析和實驗研究了物料的進料方式、運行條件和流動特性，以提高垂直螺旋輸送機的輸送效率和工作穩定性。

以上研究大多聚焦于研究螺旋體的幾何參數對輸送性能的影響，而關于螺旋軸轉速和喂料頭轉速的合理配比的研究較少。本文中結合自主設計的螺旋輸送實驗平臺，選用2種不同物料(沙子和黃豆)，對不同轉速配比時的生產率和能耗進行數據統計與分析，并進行無量綱分析，以確定最佳的轉速比，為垂直螺旋輸送機的設計與研究提供一定的參考。

1 實驗平臺和實驗方案

1.1 實驗平臺

圖1所示為自主設計HS30-SMU型螺旋輸送實驗平臺結構。實驗平臺主要由喂料裝置、垂直螺旋總成、水平螺旋總成、稱重裝置和測試控制系統組成。本次實驗以沙子(河沙)和黃豆為研究對象，表1所示為物料的特性參數[15]。通過旋轉的喂料頭將物料擠入垂直輸送管底部，物料在垂直螺旋葉片的攪動下螺旋上升，到達水平螺旋總成并被輸送至稱重料斗，完成輸送過程。

1—鋼結構機架；2—喂料裝置；3—垂直螺旋總成；4—水平螺旋總成；5—稱重料斗；6—稱重傳感器；7—出料控制閥；8—出料溜管；9—移動料槽。圖1 螺旋輸送實驗平臺結構Fig.1 Structure drawing of screw conveying test bench

表1 物料的特性參數Tab.1 Material characteristic parameters

1.2 物料的輸送原理

當物料顆粒處于穩定輸送狀態時，外管內壁、垂直螺旋軸、螺旋表面的壓力、摩擦力、離心力和重力形成一個動力平衡系統，決定了顆粒的運動特性。當輸送機的結構尺寸和輸送的顆粒確定后，顆粒運動的特征參數是顆粒角速度，它取決于喂料頭轉速和螺旋軸轉速。

圖2為物料顆粒受力圖。由圖2(a)可知，顆粒在重力G、離心力Fn、螺旋葉片的反作用力F(Fz、Fxy為F沿螺旋軸軸向和徑向的分力)和摩擦力Fft(μt為摩擦系數)的作用下達到平衡。如圖2(b)、(c)所示，G、F和Fft形成一個平衡的矢量三角形，三角形的幾何關系為

tan(αo+φs)=G/Fft，

(1)

式中：αo為螺旋葉片的升角，(°)；φs為物料顆粒與螺旋葉片的摩擦角，(°)。

P—螺距；D—螺旋葉片直徑；Di—螺旋軸直徑；ω—角速度；G—重力；F—螺旋葉片對顆粒的反作用力；Fxy、Fz—F沿螺旋軸軸向、徑向的分力；Fft—摩擦力；Fn—離心力；αo—螺旋葉片的升角；φs—物料顆粒與螺旋葉片的摩擦角；R—螺旋葉片半徑。圖2 物料顆粒受力圖Fig.2 Force diagram of materical particles

根據文獻[16]，將相關力代入式(1)，可得臨界角轉速

(2)

式中：g為重力加速度，m/s2；R為螺旋葉片半徑，m。

將ωk=πnk/30代入式(2)可得臨界轉速

(3)

由式(3)可知，當螺旋軸轉速n2>nk時，物料可沿軸向輸送。

垂直螺旋輸送機的生產率是指單位時間內輸送粒狀物料的體積或質量，是衡量垂直螺旋輸送機輸送性能的重要指標。影響生產率的因素主要包括螺旋輸送機幾何參數和運動參數，以及物料顆粒的密度和填充系數。

結合顆粒物料運動的軸向速度，可以求解垂直段生產率

Q=60ρφπR2Sn2，

(4)

式中：Q為垂直螺旋輸送機的生產率，t/h；ρ為輸送物料的堆積密度，kg/m3；φ為物料的填充率；S為螺距，m。

垂直螺旋輸送機的功率

(5)

式中：H為提升高度,m；η0為輸送效率，%。

Rademacher[16]提出了一種描述垂直螺旋輸送機內非黏性顆粒材料的理論，利用該理論推導出生產率、能耗和效率的無量綱量之間的關系，以生產率最大化和能耗最小化為目標設定目標函數，即

(6)

式中：K為垂直螺旋輸送機的性能指標；Qe為額定生產率，t/h；Pe為額定功率，kW。

通過實驗比較各個工況下螺旋輸送機的性能指標的大小，K最大時，螺旋輸送機輸送性能最佳，該工況下的螺旋軸轉速和喂料頭轉速為螺旋輸送機的最佳轉速比。

1.3 實驗方案

根據式(3)可計算沙子和黃豆的臨界轉速分別為88、71 r/min。根據2種物料的臨界轉速，確定實驗的最低螺旋軸轉速為100 r/min，實驗方案見表2。每次實驗首先將物料倒入儲料斗，待穩定輸送狀態后，開始記錄實驗數據。

表2 實驗方案Tab..2 Experimental schemes

2 結果與分析

2.1 螺旋軸轉速對輸送性能的影響

圖3所示為生產率和能耗與螺旋軸轉速的關系。從圖(a)、(b)中可以看出，相同工況下輸送沙子的生產率和能耗大約是輸送黃豆的2倍，與兩者堆積密度倍數相近。由圖3(a)可以看出，隨著螺旋軸轉速n2的增加，生產率呈現出非線性增長的趨勢。物料為沙子、喂料頭轉速n1為80 r/min時，當n2以50 r/min的幅度增加，生產率的增長依次為0.75、0.58、0.41、0.31、0.27、0.18、0.12、0.08 t/h；當n2>400 r/min時，生產率增長幅度逐漸下降，原因是當螺旋軸轉速增加至一定值時，進料能力不能滿足潛在的輸送能力，導致填充率沒有達到最佳，使得生產率的增長幅度逐漸下降。當n2達到600 r/min時，生產率曲線增長趨于水平，表明隨著螺旋軸轉速達到一定值時，繼續增加其轉速，只會增加能耗，而生產率并無提高。

(a)生產率(b)能耗圖3 生產率和能耗與螺旋軸轉速的關系Fig.3 Relationship between productivity, energy consumption and screw shaft speed

2.2 喂料頭轉速對輸送性能的影響

圖4所示為生產率和能耗與喂料頭轉速的關系。由圖4(a)可以看出，物料為沙子、螺旋軸轉速n2為80 r/min時，當喂料頭轉速n1以20 r/min的幅度增加時，生產率的增長依次為2.21、1.92、1.6、1.3、1.12、0.98 t/h；當n1在20～80 r/min范圍內時，生產率增長幅度較為穩定，而當喂料頭轉速大于80 r/min時，生產率增長幅度開始下降。分析其原因是當喂料頭轉速過高時，喂料頭攪動效應過大，最終導致生產率低于理想值。由圖4(b)可知，隨著螺旋軸轉速的增加，垂直螺旋輸送機的能耗呈線性增加。

(a)生產率(b)能耗圖4 生產率和能耗與喂料頭轉速的關系Fig.4 Relationship between productivity, energy consumption and feeding head speed

根據式(4)，可計算各個工況下螺旋輸送機中物料的填充率。圖5所示為螺旋軸轉速和喂料頭轉速與填充率的關系。由圖可知，螺旋輸送機的填充率隨螺旋軸轉速的增大的減小，隨喂料頭轉速的增大而增大。在同一工況下，運輸沙子和黃豆時，螺旋輸送機的填充率基本相等。即同一工況下，運輸不同物料時螺旋輸送機的體積流量是相等的。

(a)螺旋軸轉速(b)喂料頭轉速圖5 螺旋軸轉速和喂料頭轉速與填充率的關系Fig.5 Relationship between screw shaft speed, feeding head speed and filling rate

2.3 輸送性能的無量綱分析

為了實現最大的生產率和最小的能耗，計算生產率和能耗的無量綱量。生產率的無量綱量與能耗的無量綱量的比值按式(6)計算。螺旋輸送機的性能指標K越大，輸送性能越好。

取螺旋軸轉速n2的最大值600 r/min，沙子的填充率φ1為0.57，黃豆的填充率φ2為0.54，以上條件設為該螺旋輸送機的額定狀態，此時生產率為額定生產率Qe。計算得沙子、黃豆的額定生產率分別為225、106 t/h。螺旋輸送機電機額定功率Pe為5.5 kW。

圖6所示為螺旋輸送機的性能指標K與螺旋軸轉速n2的關系。如圖6(a)可知，當物料為沙子，喂料頭轉速n1分別為60、80、100 r/min時，當螺旋軸轉速從100 r/min增加到200 r/min時，螺旋輸送機的性能指標近似線性增加；當螺旋軸轉速從300 r/min增加到500 r/min時，K沒有明顯的增加趨勢；當螺旋軸轉速大于500 r/min時，K趨于平緩。從圖6(b)中可以看出，當以黃豆為輸送顆粒物料時，K也有相同的變化趨勢。主要原因是當垂直螺旋轉速增加至一定值時，進料能力不能滿足潛在的輸送能力，導致填充率沒有達到最佳值，從而使得輸送機效果提升不明顯。

圖7所示為螺旋輸送機的性能指標K與喂料頭轉速n1的關系。從圖中可以看出，當螺旋軸轉速n2為300、400、500 r/min時，K隨著喂料頭轉速的增大而逐漸增大；但在喂料頭轉速大于80 r/min時，K值的增長幅度略有下降。

(a)沙子(b)黃豆圖6 螺旋輸送機的性能指標K與螺旋軸轉速n2的關系Fig.6 Relationship between parformance index K of screw conveyor and screw shaft speed n2

(a)沙子(b)黃豆圖7 螺旋輸送機的性能指標K與喂料頭轉速n1的關系Fig.7 Relationship between parformance index K of screw conveyor and feeding head speed n1

3 結論

通過實驗，研究了不同螺旋軸轉速、喂料頭轉速、物料種類等對螺旋輸送機的輸送性能指標的影響，得出以下結論：

1)在現有的螺旋輸送機市場中，如何確定最佳工況是一個至關重要的問題。在螺旋輸送機的結構參數不能改變的情況下，要達到最好的輸送性能，改變螺旋軸轉速和喂料頭轉速是最直接、有效的方法。

2)隨著螺旋軸轉速的提高，輸送性能逐漸提升后又會出現下降的趨勢，因此在工程設計中不能盲目提高螺旋軸轉速。螺旋輸送機存在螺旋軸轉速和喂料頭轉速最佳配比，即最佳轉速比。最佳轉速比時螺旋輸送機輸送性能最佳，輸送沙子和黃豆時的最佳轉速比為3～4，兩者基本相等。