D形截面螺旋输送机输送颗粒物料的实验研究

刘春飞，李艳洁，王 玉

(北京林业大学 工学院，北京 100083)



D形截面螺旋输送机输送颗粒物料的实验研究

刘春飞，李艳洁，王 玉

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

在可控转速的情况下运输粉末或者颗粒等松散物料时，因其机构简单，螺旋输送机被广泛应用于林业、农业等多种背景下的短距离提升或水平运输物料。为此，采用实验方法，针对改进后的D形截面筒的输送机进行输送颗粒物料的研究，结果表明：输送的质量流速率随着输送转速的增加而增加，随输送角度的增大而降低。另外，螺距和颗粒物料的粒径也对质量流速率有影响：大螺距的输送质量流速率较大，且随着输送倾斜角度的增大，螺距对质量流速率的影响减小；大颗粒的质量流速率大于小颗粒，且随着输送倾斜角度增加差距增大。

螺旋输送机；颗粒；质量流速率

0 引言

螺旋输送机是一种比较常见的输送设备，被广泛应用于工业、农业、林业、矿业等各种领域。在农业生产中，螺旋输送机输送粮食必须保证有极小的破碎增加率，且存在的问题是叶片磨损较大、过载及对粮食有过大的破碎率。由于粮食业务的要求，螺旋输送机输送谷物的破碎增加率应小于0.3%[1]，所以粮食在运输工程中破碎是螺旋输送机存在的一个主要问题。螺旋输送机用于中短距离的物料传送，可以实现对传送物料的准确控制，可以在传送的过程中实现不同物料的混合运输[2]，还可以对物料实现垂直不间断的运输等。对于螺旋输送机本身，其设备结构简单，但在其内部被输送的颗粒物料的运动却非常复杂。在输送物料过程中，物料运动受螺旋叶片的推动，其运动并不是简单地沿轴线作直线运动，而是一个复杂的空间运动，物料在螺旋输送机内部不同位置的速度都不同，有很大差距[3]；而其结构设计与输送物料的物性参数有复杂密切的关系。螺旋输送机可以应用于恶劣的工作条件和工况复杂的情况下，也可以应用到一些精度高的场合。螺旋输送机在输送的过程有时还要伴随着搅拌混合等功能，所以螺旋输送机的种类有很多，结构差异大，再加上其本身的设计参数较多，且各参数之间相互联系和相互影响，使得设计和选择工作复杂、难度大[4]。目前的螺旋输送机一般采用传统的设计方法，参数选取依靠经验，效率低，功耗大，性能差[5]。

目前，国内对螺旋输送机的研究大多数是理论及数值分析、结构参数及参数优化等方面；传送的物料主要是粉末、粒状物料等，也有对输送机的轴和螺距做过研究[3-10]，所涉及的外筒均为圆形截面，未见有在输送机的外筒形状上进行研究。国外学者对螺旋输送机的数值仿真研究很多[11-17]，也有部分与实验研究进行对比分析[18-19]，但未见关于颗粒在被输送时的夹碎及其相关结构的改进研究。在本文实验研究中，笔者改进了传统的圆形截面外筒为D形截面，通过测得不同工况下的颗粒物料输出质量曲线并计算质量流速率，利用质量流速率衡量输送机的效率，分析了转速、倾斜角度、螺距和颗粒粒径与质量流速率之间的关系。

1 实验装置和方法

本文的实验研究中，最初采用的是对圆形外筒螺旋输送机进行实验，发现有颗粒在外筒与进料斗的焊缝与叶片外缘处，被不断推进的叶片排挤到一个封闭的小空间内而无处可逃(如图1所示深色颗粒)，最终导致螺旋叶片轴停转，或者颗粒被夹碎。这种现象会影响传输的稳定性，还对物料造成损坏。为了消除这种现象，改进了外筒形状，采用如图2所示的D形截面的外筒。这种截面形状的外筒增加了外筒顶部与叶片边缘的间距，因此颗粒在输送时不会被完全夹住，不会出现颗粒被夹碎或叶片轴停转现象。

本实验中采用的是一种倾角可连续调节的螺旋输送机，通过调整输送机连杆滑槽上固定外筒的螺杆与连杆滑槽固定端的距离，并用螺母固定在连杆滑槽内位置，来确定输送轴与水平的夹角，即输送倾斜角度。输送对象为总质量4.5kg的亚克力球形颗粒，利用松下FP0型号的PLC和步进电机驱动器发送脉冲信号给步进电机实现螺旋叶片轴的定速转动。实验过程的被输出颗粒累积质量数据由北京龙翔天力测控有限公司的量程为5kg、LTH-XB型号的称重式压力传感器和型号LT-CR90/8UN的数据记录仪来采集并记录。实验装置如图3所示。

图1 圆柱外筒夹颗粒示意图

图2 改进后的D形截面外筒螺旋输送机

图3 实验装置

本文实验中，需要人工在进料斗连续添加颗粒物料，并保持物料在进料斗内堆积高度始终维持在10cm左右，以确保螺旋输送机在稳定输送时为满载输送。本文研究的所有工况参数列于表1，每组工况至少重复3次，以便质量数据的平均化处理，消除偶然性误差。被输出的颗粒物料质量采集频率设置为每秒1次，每次实验的数据采集从零质量开始直至总质量达到4.5kg为止。

表1 实验工况参数

2 实验结果和讨论

本文通过测量被输出颗粒的质量累积数据，计算每秒时间间隔内的质量，即质量流速率，并以此作为定量研究螺旋输送机输送效率的指标。质量流速率是指在单位时间通过一个垂直于螺旋轴并位于螺旋轴上的平面的颗粒质量[12,15]，则

(1)

2.1 倾斜角度分析

取螺距60mm的叶片轴，在转速50r/min时，输送10mm粒径不同倾斜角度的累积质量结果的对比曲线如图4所示。

由图4可以看出：在0°时仅用了60s时间就完成了全部颗粒的输送；当时间到达80s左右时，15°和30°也都已输送完全部颗粒，只有45°倾角时运输持续了160s才结束。由图4(a)可见：随着倾斜角度增加，输送相同质量颗粒物料的时间加长。这是因为在实验中所选用的螺旋输送机的外筒为D形截面(见图2)，叶片外缘距离外筒顶壁的距离为11mm，颗粒直径分别为5mm和10mm，所以在倾斜角度增加时，颗粒回流的现象就会变得比较明显，输出全部4.5kg所需的时间就变长。图4(b)也明确地示出在螺旋输送机满载稳定输送的10～45s时间段内，质量流速率随着倾斜角度的增加而降低，这一规律在图4(c)中体现的更为明显。图4(c)中的每一角度对应的质量流速率的数值为图4(b)中10～45s时间段内，满载稳定输送时的质量流速率的平均值。这个研究结论与P.J. Owen[15]的仿真研究得到的质量流速率与倾斜角度的关系相吻合，但是他采用的外筒为圆形截面。由此推断，虽然采用的是D形截面外筒，会在大倾斜角度的时候有颗粒回流现象，导致输送时间延长，但采用圆形外筒大倾斜角度输送时同样也会使输送效率降低。本文采用的这种D形截面外筒的螺旋输送机属于半开式物料输送，只适用于水平和小倾斜角度状态下，并不适用于大倾斜角度的物料输送。

图4 倾斜角度对输送质量和质量流速率的影响(颗粒直径10mm、转速50rpm、螺距60mm)

2.2 螺距分析

螺距的大小决定着螺旋的升角，也决定着物料运动的滑移面，所以螺距的取值直接影响物料的输送过程。有研究结果表明[8]：螺旋输送机的输送效率随着螺距与筒体内径的比值增加而增加；在筒体内径不变的情况下，输送效率随着螺距的增加而增加。

本实验研究对比了颗粒直径为10mm、转速50r/min的工况下，倾斜角度分别为0°、15°、 30°的60mm和100mm螺距的传送质量与时间关系，如图5所示。

图5 不同倾斜角度下两种螺距的输送质量曲线对比(颗粒直径10mm、转速50r/min)

不同倾角两种螺距的质量差如图6所示，平均质量流速率如图7所示。

图6 不同倾斜角度两种螺距输送的质量差

图7 平均质量流速率(颗粒直径10mm、转速50r/min)

2.3 转速分析

螺旋输送机的转速对螺旋输送机的传送能力影响比较大,但转速却不能过高；当转速超过一定限制时，物料就会因为较大的离心力而产生垂直运输方向的跳跃，以至于无法沿轴向被输送[4]。至于转速的上限，因输送物料的性质而异，并未有一个固定值。

图8(a)为不同转速的传送累积质量与时间关系，图8(b)为平均质量流速率与转速之间的关系。由图8(b)可以看出：螺旋输送机在满载稳定工作时，平均质量流速率随着转速的增加而增加。本文研究的转速属于较低转速，因而并未出现高转速下的质量流速率下降的现象。

2.4 颗粒粒径的影响

陈汝超[20]的研究结果表明：螺旋输送机在输送粒径不同的物料时，随着颗粒平均粒径的增大输送速率也增大。本文分别使用总质量同为4.5kg的两种粒径完成运输实验，比较了不同粒径的质量累积曲线和质量流速率，如图9所示。

在图9(a)可以看出：水平时的输出质量所用时间为30°时所用的时间的1/2，说明水平输送的效率是最高的。由图9(b)中可以看出：螺旋输送机在满载稳定工作时，两种粒径颗粒的质量流速率均随着倾斜角度的增大而下降；虽然倾斜角度不同，但是大颗粒的平均质量流速率始终大于小颗粒；倾斜角度增大，两种颗粒的运输效率差距也增大。

图8 转速对螺旋输送机的影响

图9 颗粒粒径与倾斜角度的影响规律

2.5 混合颗粒

为了直观观察两种粒径颗粒在螺旋输送机内被输送过程中的混和情况，本文将5mm和10mm两种粒径的颗粒交替地装入进料斗，从而定性地判断不同粒径颗粒的混合状态。图10表示出了不同时刻两种颗粒的混合情况。由图10可看出：进料口处的物料流速不一样，凹进一侧出现明显的颗粒滞留现象，同时两种不同粒径的颗粒在输送机外筒内的混合度随着向前持续流动而增加。

图10 混合颗粒的运输过程图

3 结论

1)质量流速率随着输送倾斜角度的增大而降低，颗粒的回流现象随着倾斜角度的增大而越发明显，因此该种螺旋输送机只适用水平或小倾斜角度输送。

2)大螺距的输送质量流速率大于小螺距，但随着输送角倾斜角度的增加两种螺距的质量流速率差别减小。

3)螺旋输送机的效率随着转速的增加而增加。

4)颗粒的质量流速率大于小颗粒，但是随着输送倾斜角度的增加，差别减小。

5)颗粒在进料斗内的喂入速度不同，凹进一侧出现滞留现象，且颗粒在被输送过程中混合度增加，深入的定量研究有待后续研究。

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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

中央高校基本科研业务费专项(2016ZCQ08)；国家自然科学基金项目(11202031)

刘春飞(1991-)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生，(E-mail )liuchunfei@bjfu.edu.cn。

S229+.2

A

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