U型渠掘進襯砌一體機螺旋輸送設計與仿真

孫春光，周遠才，王忠元

（湖北楚峰水電工程有限公司，湖北 荊州 434020）

U型渠掘進襯砌一體機螺旋輸送設計與仿真

孫春光，周遠才，王忠元

（湖北楚峰水電工程有限公司，湖北 荊州 434020）

以U型渠掘進襯砌一體機的施工土壤性質為條件，設計了螺旋輸送機的葉片直徑，通過經(jīng)驗公式確定了螺旋輸土機構的轉速。分析了螺旋輸送機的物料運動學簡圖，得出螺旋輸送機的最佳螺距。探討了螺旋輸送裝置的傾角影響因素，最后確定最佳傾角為11°。計算了螺旋輸送機構的驅動功率。利用EDEM離散元軟件，模擬了螺旋輸送裝置工作過程，對螺旋輸送裝置的設計提供了建議。

U型渠掘進襯砌一體機；螺旋輸送；設計；離散元；仿真

U型溝渠因其諸多優(yōu)點在農田水利灌溉中大量運用，目前U型溝渠的施工有預制施工和現(xiàn)澆施工兩種，都是依靠人力施工，這兩種施工方式浪費了大量的人力、物力。響應農業(yè)部農業(yè)科技化的號召，設計了一種U型溝渠掘進——襯砌一體機（以下簡稱一體機）。溝渠成型的質量與挖掘后產(chǎn)生的碎土的輸送有直接關系。文章對一體機輸土機構進行了設計，并對螺旋輸送機進行分析與仿真。

1 工作原理

U型渠掘進襯砌一體機的輸土機構是由開溝葉片、螺旋輸土機構、傾斜傳送帶、水平傳送帶構成的，如圖1所示。開溝葉片在切碎土壤的同時將土壤運輸?shù)铰菪斔蜋C的工作區(qū)域，將土壤進一步向后輸送，經(jīng)過T型布置的傾斜、水平傳送帶最后將土壤運輸?shù)綔锨蓚取Ｂ菪斔蜋C的設計對于U型渠掘進襯砌一體機的施工非常重要，合理的設計不僅能夠加大輸土機構的輸送效率，同樣能夠節(jié)約能量消耗。

圖1 輸土機構簡圖

2 螺旋輸送機設計

（1）螺旋葉片直徑的計算。輸送物料為泥土，螺旋輸送時具體參數(shù)如表1所示。

表1 物料綜合特性系數(shù)

螺旋葉片直徑為：

式中：D為螺旋葉片直徑（m）；K為物料綜合系數(shù)；Q為輸送量（t/h）；C為傾角系數(shù)；γ為物料容量（t/m3）；φ為填充系數(shù)。

已知輸送量Q為50.4t/h，物料容量γ為2t/m3，查表可知，取填充系數(shù)φ為0.15，查相關文獻可得到物料綜合系數(shù)K為0.0795，傾角系數(shù)C為0.94。故螺旋葉片直徑D為632mm，由于進料口的直徑為600mm，則取螺旋葉片直徑D為560mm。

（2）螺旋軸轉速的計算。在合適轉速范圍內，螺旋輸送機的輸送效率隨著轉速的增加而增加，但增加到一定值后（超過最高臨界轉速），過高的轉速對于一體機的土壤輸送只能起到攪拌作用，而不能提高輸送效率，所以這部分增加的轉速是浪費一體機能量的，同樣轉速過高也會使泥土離心附在管壁與葉片間隙處，導致輸土機構的堵塞所以還需要對轉速n進行一定的限定，不能超過某一極限值。

螺旋軸轉速的經(jīng)驗公式

可求得：n≤141

根據(jù)工作需求，螺旋輸送機與絞土葉片同軸，則取轉速n=130r/min，滿足極限轉速的要求。

（3）傾斜角度的確定。螺旋輸送機的傾角對輸送效率有非常大的影響，一般的規(guī)律為傾斜角度越大，輸送能力越低，主要是因為傾角影響了螺旋輸送機的許多參數(shù)，主要有填充系數(shù)，傾角越大，填充系數(shù)越小。所以在一體機選用的螺旋輸送機時應該盡量要小角度，由于一體機施工工藝要求，保證碎土能夠成功輸送到傾斜傳送帶的工作區(qū)域，同樣考慮到螺旋輸送機傾角大，傾斜傳送帶的傾角能夠適當減小，所以綜合考慮后，螺旋輸送機的傾斜角度取11°。

（4）螺距的計算。根據(jù)螺旋輸送機螺距設計經(jīng)驗公式，許用螺距為：

此外，還要保證各點的軸向速度均大于圓周速度V1≤V2

由此可得

因此在2r=D（在螺旋外徑處），可將上式寫成

對于標準輸送機，通常螺距S=（0.8～1）D；當傾斜布置或輸送物料流動性較差時，S≤0.8D。因為，螺旋軸的傾斜角度為11°，所以取螺距S=0.35D=200mm。

（5）驅動功率的計算。螺旋輸送機的驅動功率，是用于克服在物料輸送過程中的各種阻力所消耗的能量，主要包括以下5個部分：①使被運物料提升高度所需的能量；②被運物料對筒壁和葉片的摩擦所引起的能量消耗；③物料內部間的相互摩擦引起的能量消耗；④物料沿螺旋軸運動造成在止推軸承處的摩擦引起的能量消耗；⑤中間軸承和末端軸承處的摩擦引起的能量消耗。

從另外的角度，也可以這樣分：物料與筒壁間摩擦消耗的功率；物料與螺旋葉片間摩擦消耗的功率；軸承處摩擦消耗的功率；提升物料及物料間相互運動消耗的功率。土壤具體性質如表2所示。

表2 物料參數(shù)表

這樣，螺旋輸送機的驅動功率，就由機構運動過程中所產(chǎn)生的阻力來決定。阻力主要由以下6個部分組成：①物料與筒壁之間的摩擦阻力；②物料對葉片的摩擦阻力；③物料傾斜向上輸送時的阻力；④物料懸掛軸承下的堆積阻力；⑤物料被攪拌所產(chǎn)生的阻力；⑥軸承的摩擦阻力。

在計算功率的時候，為簡便起見，可以總結螺旋輸送機功率為以下主要部分，即總的軸功率Pw應包括物料運行需要功率P'，空載運轉所需功率P''，以及由于傾斜引起的附加功率P'''等三個部分。

所以螺旋輸送機總的軸功率：

式中：Pw為螺旋輸送機的驅動功率，kW；Q為輸送量，t/h；L為輸送距離，m；H為傾斜高度，m，H=Lsinβ；D為螺旋葉片直徑，m；M為物料運行阻力系數(shù)；

將上述以求得的參數(shù)代入式中，并考慮螺旋輸送機的工況，取功能儲備系數(shù)ξ=1.6，則計算得螺旋輸送機的驅動功率

P3=Pξ=1.51kW

3 螺旋輸送機模擬仿真

利用離散元軟件EDEM對一體機的螺旋輸土工作過程進行了模擬仿真，模型簡圖如圖2所示。物料選用圓形顆粒，直徑1～2.5mm（正態(tài)分布），泊松比0.35，剪切模量1.7e+07pa.密度1800kg/m3，物料間摩擦系數(shù)為0.58，物料與邊界間摩擦系數(shù)為0.25，輸送傾斜角度可以在軟件中通過改變物料重力加速度方向得到。

圖2 模型結構簡圖

如圖3所示，對于一體機中螺旋輸送機，粒子在絞龍前端面形成堆積，到達頂端后，大多數(shù)粒子從堆積面上坍塌，少量粒子落在絞龍軸之后，有少部分粒徑較小的物料（藍色物料）高度集中在一起并與絞龍的前端面接觸，而粒徑較大的物料（紅色）則集中在堆積面的外側部位。這表明由于絞龍葉片表面的剪切作用，不同尺寸的物料開始出現(xiàn)了一定程度的分層。有較小的顆粒從葉片與筒內壁的間隙中掉落，所以筒壁與葉片間間隙需要合理控制。

圖3 物料分布圖

圖4中根據(jù)物料速度不用進行著色，速度較慢的物料為藍色，速度較快的物料為紅色，觀察圖4（a）發(fā)現(xiàn)與葉片表面接觸的物料速度大。與螺旋軸接觸的物料速度較快而遠離螺旋軸的物料速度較小。

圖4 物料速度分布圖

圖5 物料軸向速度分布圖

圖5根據(jù)物料軸向速度方向（即物料的有效輸送方向）進行作色，軸向速度較快的為紅色。觀察發(fā)現(xiàn)，軸向速度的分布規(guī)律與總速度分布規(guī)律完全相反，其原因在于物料的圓周速度較大。

綜上所述可以得出結論，與葉片接觸的物料輸送能力較強，相反遠離葉片表面的物料輸送能力較弱；與螺旋軸接觸的物料輸送能力較弱，靠近筒壁的物料輸送能力較強；可以通過降低物料的圓周運動來達到提升物料輸送效率的目的。

4 結語

對U型渠掘進襯砌一體機的輸土方案及裝置進行了設計，并重點對螺旋輸送裝置進行了參數(shù)及結構的設計分析。目前輸送裝置在一體機中應用情況良好。

［1］魏溪.淺談U型渠道砼襯砌施工［J］.甘肅科技，2013，29（8）：116－118.

［2］蔣瓊珠.連續(xù)運輸機［M］.北京：人民交通出版社，1986.

［3］王國強，郝萬軍，王繼新，等.離散元法及其在EDEM上的實踐［M］.西安：西北工業(yè)出版社，2010.

Design and Simulation of U-shape Canal Excavating Lining Machine Screw Conveyor

SUN Chun-guang，ZHOU Yuan-cai，WANG Zhong-yuan
（ChuFeng Hydropower Engineering Co.，LTD.，Jingzhou，Hubei 434020，China）

Taking u-shape canal soil properties of the lining of the machine construction as condition，the paper designs a blade diameter of screw conveyor，and determines screw lose soil mechanism by the empirical formula of speed.The paper analyzes the screw conveyor materials kinematic diagram，concludes the best pitch screw conveyor，discusses the dip angle of the spiral conveyer influencing factors，finally determines the optimum tilt Angle of 11°as well as calculates the driving power of a screw conveying mechanism.Using EDEM discrete element software，the paper simulates the working process of the screw conveyer and provides advice to the design of screw conveyer.

all-in-one u-shape canal excavating liningscrew conveyor；design；discrete element；the simulation

TV223.4

A

2095-980X（2017）01-0075-02

2016-12-10

孫春光（1950-），湖北荊州人，工程師，主要從事水利工程及機械工作。