螺旋式泥浆提升和输送装置的设计与试验

2018-06-06孙国栋鹿芳媛陈林涛陈桂生

农机化研究 2018年6期

孙国栋，马旭，齐龙，鹿芳媛，陈林涛，安沛，陈桂生

(华南农业大学工程学院，广州 510642)

0 引言

田间育秧是水稻种植的重要环节之一，因工艺简单、育秧成本低等特点，在我国南方稻区应用广泛。田间育秧主要工序有秧田耕整、摆放秧盘、泥浆铺设和播种等。在泥浆铺设工序中，需要在育秧田内把田间泥浆搅拌均匀，然后经过提升、输送和杂质筛分后铺放到摆好的秧盘中。筛浆的目的是为了避免后期插秧机插秧时泥块、石块或杂草过大过多阻塞或损坏插秧机秧爪[1]。

现有的泥浆铺设过程主要采用人工作业，部分环节采用了机械化作业。针对泥浆杂质筛分，华南农业大学郭洪江等人设计了一种水稻田机育秧泥浆铺设机[2]，能够解决泥浆中杂草、石子等杂质过大的问题；但该机需要采用人工的舀浆方式，劳动强度大，效率低，只实现了部分机械化作业。在物料的提升与输送中，目前广泛使用的有螺旋、皮带和斗式等升运装置，应用较广泛的是螺旋输送机，它具有结构简单、性能可靠的特点，能够完成短距离输运散料、流体的工作，广泛运用在石油、造纸、城市污水处理、农田灌溉和养殖粪便处理等领域[3]。目前，国内对倾斜式螺旋输送装置的设计主要采用经验设计计算。张鹏等人成功设计制造了75°大倾角螺旋输送机，用以输送颗粒与粉剂物料，并应用于工厂生产中。宣征南等人设计了一种采用螺杆泵输送纸浆的流送系统，可连续、无伤害地输送中高浓度纸浆，提高了工厂的纸浆输送效率。陈宏涛设计了一种造纸业中脱墨浆高浓漂白用的螺旋输送机，将浓度很高的浆料往高处输送，效果良好。但现有的泥浆泵主要用于含水量较高的泥水输送，并不适用于水稻秧田粘稠泥浆的提升和输送；同时，由于水稻田中石子、杂草等杂质较多，容易堵塞损坏泵体内的叶片，使得普通泵类很难应用到水田育秧的泥浆提升作业中[4-6]。

目前，泥浆的提升和输送过程主要采用人工作业，劳动强度大、效率低；但倾斜式螺旋输送机具有结构紧凑、尺寸小、工作性能稳定等特点，尽管目前还没有用于粘稠泥浆短距离提升和输送，但初步试验表明：采用不同的工作参数配置既可实现对泥浆的短距离提升和输送，又可完成均匀搅拌处理，有望成为一种新型的田间育秧机械化技术。

为此，本文针对水稻田间育秧泥浆铺设过程中需要的提升与输送技术，设计了一种螺旋式泥浆提升和输送装置，并通过系统的试验研究探讨了不同工作参数下泥浆的提升与输送规律，为田间育秧泥浆铺设装备的设计提供依据。

1 倾斜式螺旋输送机工作原理及影响因素分析

为了实现倾斜式螺旋输送机提升与输送秧田粘稠泥浆，需要对其工作原理及提升与输送过程进行分析。

1.1 工作过程

常见的倾斜式螺旋输送机主要由入料口、螺旋轴(叶片)、外输送管、出料口、动力源和支架组成，如图1所示。工作时，物料从倾斜式螺旋输送机的下部入料口进入，由动力机驱动螺旋叶片旋转，带动物料向上提升并输送至出料口排出。

1.入料斗 2.螺旋轴(叶片) 3.外输送管 4.出料口

1.2 工作原理分析

要使物料沿倾斜式螺旋叶片上升，必须使物料上升的推力大于至少等于物料的下滑力。因此，适当的螺旋叶片转速是保证物料向上提升与输送的重要条件。螺旋叶片转速较低时，物料所受的离心力不足以克服与螺旋叶片间的摩擦力，物料无法向上提升与输送；螺旋叶片转速升高时，物料所受的离心力克服了与螺旋叶片间的摩擦力，物料将随同螺旋叶片旋转上升，最终到达出料口排出；而使物料处于不升和不降时的螺旋叶片转速，称为临界转速。倾斜式螺旋输送机螺旋叶片转速必须大于临界转速物料才能沿螺旋叶片向上提升与输送[7-9]。

对于倾斜式螺旋输送机，将螺旋叶片沿其升角展开，在临界转速时刻对在螺旋叶片与输送管内壁处的物料质点受力分析如图2所示。其中，作用于物料颗粒上的力有重力mg、管壁对物料颗粒的摩擦力F1和螺旋叶片阻碍物料滑动的摩擦力F2。

因螺旋轴倾斜角的存在，物料随螺旋叶片旋转1周上升的高度为

H=Ssinθ

(1)

物料上升的实际升角α＇为

(2)

式中S—螺旋叶片的螺距(mm)；

r—螺旋叶片外缘半径(mm)；

θ—螺旋轴倾角(°)；

α＇—物料上升的实际升角(°)。

可以看出：螺旋轴倾角θ越大，物料随螺旋叶片旋转1周上升的高度H越接近1个螺距S的长度，物料上升的实际升角α＇越大。

在临界状态下，各力在平行于螺旋面的方向上受力平衡，则

F1cosα′=F2+mg·sinα′

(3)

F1=μ1·mω2r

(4)

F2=μ2·(mg·cosα′+F1sinα′)

=μ2·(mg·cosα′+μ1·mω2r·sinα′)

(5)

μ2=tanρ

(6)

整理式(3)～式(6)得

(7)

式中μ1—物料与输送管内壁的摩擦因数；

μ2—物料与螺旋叶片的摩擦因数；

ρ—物料与螺旋叶片的摩擦角(°)。

因此，倾斜式螺旋输送机的最大临界转速为

(8)

由式(8)得：螺旋叶片倾角θ越大，物料上升的实际升角α＇越大，所需的临界转速也越高。

图2 物料受力分析图

1.3 物料输送过程速度分析

当物料稳定输送时，其运动方式是一种在螺旋叶片带动下的复合运动，一方面沿着输送管向上运动，一方面随着螺旋叶片做旋转运动[10]。其速度分析如图3所示。

图3 物料质点速度分析图

图3中：物料随着叶片旋转的运动为牵连运动Ve，沿着叶片的运动称为相对运动Vr，其相对外输送管的运动为绝对运动Va，γ为物料绝对速度与相对速度的夹角。由速度合成定理Ve+Vr=Va知，这3个速度构成了物料运动的速度三角形。其中，牵连速度大小为

(9)

式中n—螺旋轴转速(r/min)。

此时，螺旋叶片升角α可由下式得出

(10)

由速度三角形可知，绝对速度大小为

(11)

由式(11)得物料的轴向速度为

(12)

由此可知：螺旋输送过程中物料的轴向运动速度与螺旋轴的转速n相关，转速越快，轴向输送速度越高。因此，螺旋轴倾角θ、螺旋轴转速n是影响螺旋输送性能的重要因素。

2 螺旋式泥浆提升和输送装置的设计

为了分析优化螺旋输送机使之适用于田间粘稠泥浆的提升和输送，研制了一种螺旋式泥浆提升和输送试验装置，并通过试验找到了保证泥浆能够提升到一定高度和输送距离的最佳工作参数。

2.1 试验装置结构

研制的螺旋式泥浆提升和输送装置主要由变频器、电动机、扭矩传感器、螺旋轴(叶片)、外输送管、入料斗、出料口、倾角调节支架等部件组成，如图1所示。通过倾角调节支架能够方便地获得不同螺旋轴倾斜角度。工作时，电动机旋转，经联轴器和扭矩传感器传递到螺旋轴，螺旋轴旋转带动入料口处的泥浆上升，输送到一定高度后从出料口排出。

2.2 装置的关键部件及参数设计

1) 数据采集。选用ZRN503扭矩传感型动态扭矩传感器，实时获得螺旋轴转动时的扭矩和转速信号，并输入到外界计算机中，利用传感器附带的分析软件对数据采集与处理，获得扭矩、转速及功率消耗。

2)动力及调速系统。选取Y90L4调速电动机，动力由联轴器传递至扭矩传感器，再传递至螺旋轴，从而实现螺旋轴转速的无级调节。

3)螺旋轴(叶片)。采用实体螺旋叶片，其结构参数与输送量紧密相关。根据田间育秧的泥浆提升和输送需求，参考标准直径系列尺寸[11]，并通过设计计算确定的螺旋叶片参数为：外径100mm，螺距100mm，螺旋叶片内径20mm，螺旋轴总长度1 500mm。

4)入料斗和出料口。由于试验所用的田间育秧泥浆具有很好的流动性，可以靠自身的重力作用流入螺旋底部入料口，因此使用重力式进料。为防止喂料口螺旋高速旋转导致的物料抛掷和跳跃，采用高料斗保证喂料口的喂料压力。

出料口的位置如图5所示。按照物料既能在出口沿壁面抛出又能满足进一步的泥浆杂质筛分操作要求，同时保证物料在此处不返流，设计的出料口与垂直中心线的夹角为60°；同时，在螺旋轴的尾部设计一轴向叶片使物料更容易排出，避免卸料不顺畅的现象发生。

图5 出料口结构图

3 螺旋式泥浆输送装置试验

3.1 试验条件

2017年3月，在华南农业大学工程学院实验室使用自行设计的螺旋式泥浆提升和输送装置，进行泥浆输送试验，如图6所示。试验材料选用田间育秧时通常使用的含水率为50%泥浆[2]。

图6 螺旋输送泥浆试验

3.2 试验安排

由理论分析可知，螺旋式泥浆提升和输送装置的输送性能与螺旋轴转速和螺旋轴倾角等因素有关。因此，在不同螺旋轴转速、螺旋轴倾角的条件下，采用多因素试验方法研究其输送性能。根据实际生产需求，螺旋轴倾角过小，物料提升相同高度时需要更长的螺旋轴，使得整体尺寸变大；倾角过大输送难度增大，因此取螺旋轴倾角为30～60°。通过前期预试验发现：当螺旋轴转速大于600r/min时，装置运行时出现剧烈振动。因此，螺旋轴转速范围选取50～550r/min。试验因素水平如表1所示。

表1 试验因素水平

3.3 试验指标

1)输送流量。试验时，通过变频器调整出不同的螺旋轴转速，通过倾角调整支架改变螺旋轴的倾角。人工将泥浆连续倒入底部喂料斗，在出料口使用塑料桶收集提升后的泥浆，使用上海耀华称重系统有限公司生产的XK3190称重器测量泥浆质量，称重后计算泥浆的输送流量，则

(13)

式中Q—螺旋式泥浆提升和输送装置的输送流量(kg/s)；

m—提升的泥浆质量(kg)；

t—提升泥浆所用的时间(s)。

试验时将流量Q作为螺旋式泥浆输送装置的输送性能指标。

2) 折算功率。每组试验进行1min，同时记录试验过程中扭矩传感器输出的功率p数值。实际生产要求泥浆提升至1m高度(主要是为了满足进一步泥浆杂质筛分操作要求)，但本次试验装置螺旋轴长度一定，倾角不同时提升高度不同，因此试验中的功率读数并不能直接反映提升相同高度时的功耗。物料在输送过程中随螺旋叶片在高速旋转回落量较少，为统一提升高度，假设轴向各处的流量相同，将功率数值折算为同一高度下的功率消耗，即

(14)

其中，p＇为折算功率。

将折算功率p＇作为衡量螺旋式泥浆提升和输送装置的功耗性能指标，提升高度相同时，输送流量越大，功率p＇的数值越高。

3.4 试验结果与分析

不同试验条件下的输送流量、折算功率的试验结果如表2所示，流量方差分析结果如表3所示。

表2 试验结果

续表2

表3 流量方差分析

**表示影响极显著(P<0.01)。

由表2、表3可知：用F检验，螺旋轴倾角对螺旋式泥浆提升和输送装置的输送性能影响程度大于螺旋轴转速的影响。因此，在设计田间螺旋式泥浆提升和输送装置时，应首先确定装置的螺旋轴倾角。螺旋轴转速对输送性能有极显著影响，当螺旋轴倾角一定时，输送性能与转速呈正相关，随着螺旋轴转速的提高，装置输送泥浆的流量提高。同时，螺旋轴倾角对输送性能也有极显著影响，当螺旋轴转速一定时，输送性能与倾角呈负相关，装置输送泥浆的流量随着螺旋输送轴倾角的增大而减小。

根据实际田间育秧时所需的效率要求，约每小时铺设泥浆500～600盘秧盘；同时，为了满足泥浆杂质中筛分要求，需要提升到约1m高度。由试验测得，每盘装泥约6.5kg，相应的泥浆输送流量为0.9～1.08kg/s。由表2可得：螺旋轴倾角30°、45°时，转速在250r/min及以上，以及螺旋轴倾角60°、转速350r/min及以上时，均能满足田间育秧所需的泥浆提升与输送流量要求。通过比较各组的折算功率，螺旋轴倾角45°、转速250r/min时功率消耗为0.76kW最小，具有最佳的经济性。因此，选用螺旋轴倾角45°、螺旋轴转速250r/min为工作参数，既能满足实际田间泥浆铺设需要，同时具有最小的功率消耗。

4 结论

1)通过对倾斜式螺旋输送机的工作原理进行分析，并根据田间育秧中粘稠泥浆的提升和输送要求，设计了一种多参数可调的螺旋式泥浆提升和输送装置，找到了影响其物料输送性能的关键因素为螺旋轴倾角和螺旋轴转速。设计了一种能实现螺旋轴转速和螺旋轴倾角可调的泥浆提升与输送装置，并能实现主要性能扭矩、功率和转速的数字化显示与分析。

2)系统地进行了泥浆提升与输送的试验研究，结果表明：泥浆输送性能与螺旋轴转速正相关，与螺旋轴倾角负相关；螺旋轴倾角对装置的泥浆输送性能影响程度比螺旋轴转速的影响程度大，在设计螺旋式泥浆提升和输送机时，需首先确定机器的螺旋轴倾角。

3)根据田间育秧泥浆铺设要求，通过试验结果分析得到了螺旋式泥浆提升和输送装置的最优工作参数为：螺旋轴倾角45°，螺旋轴转速250r/min。此时，该装置具有良好的提升与输送性能及最小的功率消耗，为今后田间育秧泥浆铺设的机械化机具研制提供了参考。

参考文献：

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