水平螺旋中物料运动的仿真分析

金星，刘青，姚强

（中国电建集团武汉重工装备有限公司，武汉 430065）

0 引言

随着生产技术的发展，电力、化工等行业机械设备的发展和应用，对煤炭的需求量日趋增加。以现有的输煤系统为例，煤炭运输分为水运和火车运输，水运作为煤炭运输的一种重要运输工具，卸船机被各大电厂、化工厂等广泛应用，卸船机的使用使得卸煤工作基本实现自动化作业。按照卸料方式的不同，卸船机分为门座式卸船机、抓斗式卸船机和悬链斗卸船机等[1]。各种卸船机的设计与应用极大地提高了卸煤效率，但是在煤料抓取过程中，不可避免会产生煤尘，造成环境污染。随着绿色发展的不断倡导，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，大大提高了卸船机的工作效率[2]，因此研究工作参数对螺旋卸船机中物料运动的影响，以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。

1 试验方案

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[3]，它能获得许多不能实际测量的数据，方便了对螺旋卸船机中物料运动学的研究。螺旋卸船机的输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[4]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。实验参数如表1所示。

表1 物料仿真参数

2 试验结果

图1为3个吊轴承处物料运动情况，可以看出3段吊轴承处均有物料聚集的现象，在第二吊轴承附近区域等距离插入数据采集块，如图1（b）所示，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质量流的变化曲线。由图2可看出，在相同距离内，吊轴承进料与出料间质量流的差值较螺旋区域大，物料在经过吊轴承时会有物料滞留，即产生物料聚集，和观察的现象表现一致。图3为物料在吊轴承区域转速的变化曲线。由图3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，增加了能量损耗。

图1 物料在吊轴承处运动情况

图2 吊轴承区域质量流变化

图3 吊轴承区域转速变化

图4为3个吊轴承处进、出料质量流对比曲线。由图4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，结果如图5所示。由图5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，这些都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小。

图4 3个吊轴承处质量流对比

图5 水平螺旋物料质量流对比

3 转速对物料运动的影响

图6为不同转速下出料口处物料质量流随时间变化曲线。由图6可知，随着转速的增加，物料到达出料口所需的时间减小，能更早地达到运动稳定状态，出口处质量流增加了40～50 kg/s，极大地提高了水平螺旋的工作效率。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的减少率。由表2可知，随着转速的增加，质量流的减少率变小，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。

图6 不同转速下质量流变化曲线

表2 不同转速下质量流减小率

4 进料量对物料运动的影响

图7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。由图7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，物料到达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。表3为物料达到稳定的运动状态后质量流的减少率。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

图7 不同进料下质量流变化曲线

5 倾斜角对物料运动的影响

图8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。由图8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。表4为物料达到稳定的运动状态后质量流的减小率。由表4可知，倾斜角增加时，质量流量减少率增加，即在水平螺旋管道运动过程中会积聚更多物料，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

图8 不同倾斜角下质量流变化曲线

6 结论

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的聚集会减少，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不大；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。