螺旋卸船机水平螺旋中物料运动仿真分析

姚 强

中国电建集团武汉重工装备有限公司

1 引言

卸船机按照卸料方式的不同，分为门座式卸船机、抓斗式卸船机和悬链斗卸船机等[1]。在煤炭运输领域，卸船机的应用，提高了卸煤效率，但是在煤料抓取过程中，会产生煤尘，造成环境的污染。为实现绿色发展，螺旋卸船机应运而生。螺旋卸船机在运输煤料过程中一直处于全封闭状态，不会产生煤料的泄漏，而且可以对煤料进行连续性抽取，提高了卸船机的工作效率[2]。研究工作参数对螺旋卸船机中物料运动的影响，通过优化工作参数来进一步提高螺旋卸船机的工作效率具有重要的意义。

2 仿真分析方案

2.1 物料仿真参数

离散单元法是一种在散装物料上具有显著优势的数值分析方法，它能获得许多不能实际测量的数据，从而对螺旋卸船机中物料进行运动学的研究[3]。螺旋卸船机的输料管道主要包括垂直螺旋以及水平螺旋，水平螺旋中各段螺旋通过吊轴承连接。为提高螺旋卸船机的工作效率，减少能源损耗，通过仿真研究水平螺旋转速、进料量及水平螺旋倾斜角度对水平螺旋中物料运动的影响，来优化螺旋卸船机的工作参数[4]。实验参数见表1。

表1 物料仿真参数

2.2 仿真状态描述

图1为3个吊轴承处物料运动的仿真结果，均有物料聚集的现象。在模型的第二吊轴承附近区域等距离插入数据采集块，见图1(b)，提取物料进出吊轴承的运动情况。

图2为物料在吊轴承区域角速度的变化。可知，物料在进吊轴承前角速度变化不大，在吊轴承出口处角速度明显变大，即物料在吊轴承处旋转速度变大。因为水平螺旋在吊轴承处没有叶片，颗粒向前运动的驱动力变小，主要靠颗粒与颗粒间碰撞，物料会在吊轴承处聚集，导致物料的自转速度会变大，增加了能量的损耗。

图2 吊轴承区域角速度变化

图3为3个吊轴承处进、出料质量流对比。可知，物料在3个吊轴承之间的螺旋段质量流衰减更多，即在物料长距离运输过程中，质量流损耗主要发生在螺旋运输段，吊轴承段的损耗为次要因素。在水平螺旋管进料口、出料口及中间位置建立数据采集块，提取物料在这3个位置的质量流，结果见图4。可知，物料运动稳定后，水平螺旋出料口质量流比水平螺旋进料口质量流减少了约20 kg/s，因为物料在水平螺旋中运动时，物料与管道、螺旋叶片和物料间会有碰撞及摩擦力，会导致物料在水平螺旋运输过程中产生能量损失，使水平螺旋输送物料的能力减少。

图3 3个吊轴承处质量流对比

图4 水平螺旋物料质量流对比

2.3 仿真结果分析

2.3.1 转速对物料运动的影响

图5为不同转速下出料口处物料质量流随时间变化曲线。由图5可知，随着转速的增加，物料到达出料口所需的时间减小，能更早的达到运动稳定状态，出口处质量流增加了40～50 kg/s，可大幅提高水平螺旋的工作效率。

图5 不同转速下质量流变化曲线

表2为物料达到稳定的运动状态后流过水平螺旋的质量流减少率。可知，随着转速的增加，质量流的减少率变少，即单位时间内物料在水平螺旋管道中的集料更少，更有利于水平螺旋输送物料。当水平螺旋倾斜角度为25°时，质量流减少率减小了29%，减小率下降明显，因此增大转速对水平螺旋处于下俯状态时物料运动的影响更大。

表2 不同转速下质量流减小率

2.3.2 进料量对物料运动的影响

图6为进料口不同的进料量下水平螺旋出口处质量流随时间变化曲线。可知，在进料口进料量为167 kg/s和200 kg/s时，物料质量流变化趋势趋于一致，对出口处的质量流影响很小，物料达到出口处的时间也一致，即进料量的增加，并不会影响物料在水平螺旋中的运动时间。

图6 不同进料下质量流变化曲线

由表3可知，随着进料量的增加，物料的质量流减少率增加，即增加进料量会导致更多的物料在水平螺旋管道中聚集，影响水平螺旋的工作效率，因此在满足设计要求后，应尽量减小水平螺旋入口处的质量流。

表3 不同进料下质量流减小率

2.3.3 倾斜角对物料运动的影响

图7为水平螺旋处于不同下俯角度时出口处质量流随时间变化曲线。可知，当水平螺旋下俯角度增加时，物料到达水平螺旋出口所需的时间更长，即物料在水平螺旋管道中的运动速度更慢，达到稳定的运动状态所需的时间更多，物料达到出口处的质量流更小。

图7 不同倾斜角下质量流变化曲线

由表4可知，倾斜角增加时质量流量减少率增加，即物料在水平螺旋管道运动过程中会积聚的更多，使水平螺旋的工作效率降低。

表4 不同倾斜角下质量流减小率

3 结语

通过离散单元法仿真模拟了散装物料在水平螺旋中的运动状态，分析了不同工作参数对水平螺旋中物料运动的影响，得出了以下结论：

(1)物料会在吊轴承处发生聚集现象且物料的角速度会明显变大，物料在水平螺旋管道运动过程中，沿程损失为主要影响因素，吊轴承损失为次要影响因素。

(2)随着水平螺旋转速的增加、倾斜角的减小，物料在水平螺旋管道中运动速度变大，物料质量流减少率变小，即物料在水平螺旋管道中聚集会减小，水平螺旋的工作效率增加；增加水平螺旋入口处的进料量，对水平螺旋中物料的运动影响较小。

(3)当水平螺旋处于下俯状态时，增加水平螺旋的转速会明显提高水平螺旋的工作效率。