李 郁 冯云杰

武汉理工大学 武汉 430063

摘要：为择50 mm 煤颗粒作为操作对象，建立了水平螺旋和滑筒的离散元模拟模型，完成了水平螺旋向上倾斜20°、水平、下倾20°在3 位置，转速为145 rpm900 t/h 条件下的输送过程模拟。通过比较水平螺旋输送的质量流量、轴向输送速度、流动状态、流动轨迹流轨迹与滑轮内壁切向的累积接触能量，分析了水平螺旋与滑轮之间的转移通过性、水平螺旋转速和滑轮内壁的磨损情况。结论：水平螺旋转速满足生产率要求，水平螺旋与滑轮接头通过良好，给出滑轮内壁耐磨工具 ** 置。

关键词:螺旋卸船机；水平螺旋；滑筒；离散元法；模拟

中图分类号：TH224 文献标识码：A 文章编号:1001-0785（2020）21-0050-05

0 引言

螺旋卸船机是一种高效环保的散装码头作业设备，主要采用螺旋输送，即利用无柔性牵引部件实现散装的连续输送，可操作各种粉末、颗粒和小块材料 [1]。国内外学者通过离散元仿真方法对螺旋输送的工作性能和颗粒运动进行了深入研究。Shimizu 等[2] 首先通过离散元法模拟螺旋输送机，分析各种螺旋输送机模型的扭矩和功耗，并与理论公式进行比较分析。Cleary 等[3] 以螺杆速度、填充水平和倾斜度为性能参数，用离散元法预测螺旋输送机的性能，分析颗粒速度、质量流量、能耗和功耗的变化。LatoPezoa 等[4] 通过离散元仿真、聚类分析等数值分析方法，评估了3 种设计变量对螺旋输送机颗粒混合性能的影响。余书豪等[5] 研究了螺距、给料方式、螺旋叶片等性能参数对螺旋输送机性能的影响，建立了优化设计的响应面模型，但缺乏对具体卸载设备的研究。

本文在前期工作的基础上[7-15]，通过离散元仿真实验，分析螺旋卸船机水平输送段和转移滑筒过程中的颗粒流运动状态，提出改进设备结构和生产运行条件的意见。研究方法和结果可以为相关领域的设备性能优化提供一定的参考。

1 离散元仿真建模

1.1

以电厂常用煤材料为研究对象，简化为直径50mm 球粒，颗粒间接触模型， Hertz-Mindlin 无滑移接触模型，如图1 所示。

对颗粒进行应力分析，利用牛顿第二定律建立颗粒运动方程，不断更新颗粒位置[6]

式中：mi、Ii 为颗粒i 的质量和旋转惯量，vi、ωi 为颗粒i 平动速度和转速，ni 为与颗粒i 接触的颗粒数，Fijc 为颗粒i 与j 接触，Fig 为颗粒i 受重力，Fif 作为颗粒受流体的作用力，Mit 切向碰撞力产生的扭矩，Min 法向碰撞产生的力矩，Mir 是滚动摩擦力矩。

图1 HM 无滑移接触模型

1.2 仿真参数

模拟材料的本征参数和接触参数通过文献[8] 和试验校准确定，如表1和表2 所示。

1.3 水平螺旋输送和滑动模型

模拟研究对象选择900 t/h 螺旋卸船机水平螺旋转速为145 rpm，螺旋叶片采用双头螺旋，螺距400 mm，模拟实体结构的设计如图2 所示。螺旋卸船机在正常工作中，水平螺旋会根据堆放位置发生一定程度的变化(范围为-20°～ 20°）。

为了分析不同位置水平螺旋的物料输送状态和转移过程中的物料通过性，分别选择水平螺旋倾角-20°、0°、20°以下 的特征位置定义为A、B、C 等3种输送模式。其中，输送模式A 为水平螺旋倾角-20°状态，输送模式B 为水平螺旋倾角 0°状态，输送模式C 为水平螺旋倾角 20°状态。为量流量传感器分别设置在水平螺旋的中间输送段和滑筒轴承处，以观察物料的流动状态Q1 和Q2，如图3 所示。

1. 进料口 2. 水平输料管3. 水平螺旋 4. 转料口 5. 溜筒 6. 导料板 7. 出料口

图2

图3

2 结果与分析

2.1 通过性分析水平螺旋和滑轮转接

观察质量流量传感器，下的质量流量数据，观察质量流量传感器，分别获得水平输送段和滑筒承接处的平均质量流量1 Q 与2 Q 。3 稳定输送状态下的质量流量如图4 ~图6 所示。

从表3 模拟结果分析可以看出，质量流量的相对偏差分别为3 模式下水平输送段和滑筒承接处0.48%、0.28%、0.08%说明3 模式下的水平螺旋转滑筒没有明显的颗粒堵塞，颗粒通过性好。此外，输送状态C 即水平螺旋向上倾斜20°通过性达到最佳。

图4 模式A 稳定时间流量

图5 模式B 稳定时间流量

图6 模式C 稳定时段流量

2.2 水平螺旋输送状态分析

3 不同倾角下水平螺旋的稳定输送状态如图7 所示，平均轴向速度如图8所示。从图中可以看出，输送模式A 即水平螺旋向下倾斜20°输送管底部物料颗粒密集，个别颗粒径向跳跃，颗粒间速度无明显差异；输送模式B 即水平螺旋水平时，部分颗粒径向跳跃明显；输送模式C 即水平螺旋向上倾斜20°物料分布在输送管的整个截面上，物料流径向速度较大。

同时，图8 反映了3 模式下的平均轴向速度。其中，输送模式C 下水平螺旋材料的轴向速度明显较小，这是由于该模式下的螺旋速度过快，明显大于标准速度，导致垂直于输送方向的径向速度重量较大。螺旋叶片水平输送，搅拌干扰材料，显著降低输送效率。

要达到理想的输送状态，保证颗粒流平稳移动，采用输送模式 C，在卸船机额定生产率下工作时，建议适当降低水平螺旋转速。

图7 水平螺旋输送颗粒的流动状态

图8 水平螺旋输送轴向输送速度

2.3 滑筒内的颗粒运动

1）出口处颗粒运动速度

表4 列出了3 输送模式下滑管出口测量的颗粒平均速度，得知3 输送状态下滑管出口的颗粒运动速度和方向没有明显变化，稳定在10 m/s 左右。

2）滑筒内颗粒的运动轨迹

3 滑筒内颗粒流的运动轨迹如图9 所示。图中标记为颗粒流与滑筒内壁集中接触的区域。A 颗粒流运动平稳，集中，无明显冲击分散；输送模式B 及C 下，颗粒流的第一冲击位置改为弧，颗粒流与内壁发生剧烈碰撞，导致滑筒中段物料颗粒分散，颗粒运动方向紊乱，加剧下部碰撞摩擦。因此，建议在滑筒入口处适当增加弧形尺寸。

图9

3）滑筒内壁磨损分析

在长期运行下，高速颗粒流会对滑筒内壁造成一定的磨损。为了分析不同模式下滑筒磨损的关键位置，本研究提取了滑筒内壁切向的累积接触能，以表示各部位的相对磨损，即通过计算几何模型三角形网格上累积的力和接触来计算几何体某部位的相对磨损。

图10 显示3 颗粒在输送模式下稳定流动至 14 s滑轮各部分的相对磨损量。可观察到滑轮磨损区域与颗粒流冲击区域一致；3 输送模式下滑轮中下磨损区域基本相同，滑轮入口磨损区域略有不同，但由于颗粒速度有限，整体磨损量较小。

分析得出结论：对于几个易磨损位置，可直接管理滑轮中间的整个内壁、下斜管左壁、左导管右壁、右导管左壁，以抵抗腹泻过程中的磨损。

10 滑筒内壁切向累积接触能量图

3 结论

1）水平螺旋各变幅位置，水平螺旋转滑筒处物料通过性好，无积料堵塞。

2）水平螺旋转速满足生产率要求，但在C 模式下，螺旋转速过快，导致径向跳跃明显，可适当降低水平螺旋转速，提高输送效率。

3）可以增加滑筒入口位置的弧形尺寸B、C 输送模式使滑筒中的颗粒流更加光滑，减少碰撞；3 滑筒出口的颗粒速度与方向基本相同。

4）建议将整个内壁直管全内壁，下斜管左壁，左导管右壁，右导管左壁分别耐磨，以减缓滑筒内壁的磨损。

参考文献

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