D形截面螺旋輸送機輸送顆粒物料的實驗研究

劉春飛，李艷潔，王 玉

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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D形截面螺旋輸送機輸送顆粒物料的實驗研究

劉春飛，李艷潔，王 玉

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

在可控轉(zhuǎn)速的情況下運輸粉末或者顆粒等松散物料時，因其機構(gòu)簡單，螺旋輸送機被廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)等多種背景下的短距離提升或水平運輸物料。為此，采用實驗方法，針對改進后的D形截面筒的輸送機進行輸送顆粒物料的研究，結(jié)果表明：輸送的質(zhì)量流速率隨著輸送轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨輸送角度的增大而降低。另外，螺距和顆粒物料的粒徑也對質(zhì)量流速率有影響：大螺距的輸送質(zhì)量流速率較大，且隨著輸送傾斜角度的增大，螺距對質(zhì)量流速率的影響減小；大顆粒的質(zhì)量流速率大于小顆粒，且隨著輸送傾斜角度增加差距增大。

螺旋輸送機；顆粒；質(zhì)量流速率

0 引言

螺旋輸送機是一種比較常見的輸送設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦業(yè)等各種領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，螺旋輸送機輸送糧食必須保證有極小的破碎增加率，且存在的問題是葉片磨損較大、過載及對糧食有過大的破碎率。由于糧食業(yè)務(wù)的要求，螺旋輸送機輸送谷物的破碎增加率應(yīng)小于0.3%[1]，所以糧食在運輸工程中破碎是螺旋輸送機存在的一個主要問題。螺旋輸送機用于中短距離的物料傳送，可以實現(xiàn)對傳送物料的準(zhǔn)確控制，可以在傳送的過程中實現(xiàn)不同物料的混合運輸[2]，還可以對物料實現(xiàn)垂直不間斷的運輸?shù)取τ诼菪斔蜋C本身，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但在其內(nèi)部被輸送的顆粒物料的運動卻非常復(fù)雜。在輸送物料過程中，物料運動受螺旋葉片的推動，其運動并不是簡單地沿軸線作直線運動，而是一個復(fù)雜的空間運動，物料在螺旋輸送機內(nèi)部不同位置的速度都不同，有很大差距[3]；而其結(jié)構(gòu)設(shè)計與輸送物料的物性參數(shù)有復(fù)雜密切的關(guān)系。螺旋輸送機可以應(yīng)用于惡劣的工作條件和工況復(fù)雜的情況下，也可以應(yīng)用到一些精度高的場合。螺旋輸送機在輸送的過程有時還要伴隨著攪拌混合等功能，所以螺旋輸送機的種類有很多，結(jié)構(gòu)差異大，再加上其本身的設(shè)計參數(shù)較多，且各參數(shù)之間相互聯(lián)系和相互影響，使得設(shè)計和選擇工作復(fù)雜、難度大[4]。目前的螺旋輸送機一般采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，參數(shù)選取依靠經(jīng)驗，效率低，功耗大，性能差[5]。

目前，國內(nèi)對螺旋輸送機的研究大多數(shù)是理論及數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)及參數(shù)優(yōu)化等方面；傳送的物料主要是粉末、粒狀物料等，也有對輸送機的軸和螺距做過研究[3-10]，所涉及的外筒均為圓形截面，未見有在輸送機的外筒形狀上進行研究。國外學(xué)者對螺旋輸送機的數(shù)值仿真研究很多[11-17]，也有部分與實驗研究進行對比分析[18-19]，但未見關(guān)于顆粒在被輸送時的夾碎及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進研究。在本文實驗研究中，筆者改進了傳統(tǒng)的圓形截面外筒為D形截面，通過測得不同工況下的顆粒物料輸出質(zhì)量曲線并計算質(zhì)量流速率，利用質(zhì)量流速率衡量輸送機的效率，分析了轉(zhuǎn)速、傾斜角度、螺距和顆粒粒徑與質(zhì)量流速率之間的關(guān)系。

1 實驗裝置和方法

本文的實驗研究中，最初采用的是對圓形外筒螺旋輸送機進行實驗，發(fā)現(xiàn)有顆粒在外筒與進料斗的焊縫與葉片外緣處，被不斷推進的葉片排擠到一個封閉的小空間內(nèi)而無處可逃(如圖1所示深色顆粒)，最終導(dǎo)致螺旋葉片軸停轉(zhuǎn)，或者顆粒被夾碎。這種現(xiàn)象會影響傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還對物料造成損壞。為了消除這種現(xiàn)象，改進了外筒形狀，采用如圖2所示的D形截面的外筒。這種截面形狀的外筒增加了外筒頂部與葉片邊緣的間距，因此顆粒在輸送時不會被完全夾住，不會出現(xiàn)顆粒被夾碎或葉片軸停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

本實驗中采用的是一種傾角可連續(xù)調(diào)節(jié)的螺旋輸送機，通過調(diào)整輸送機連桿滑槽上固定外筒的螺桿與連桿滑槽固定端的距離，并用螺母固定在連桿滑槽內(nèi)位置，來確定輸送軸與水平的夾角，即輸送傾斜角度。輸送對象為總質(zhì)量4.5kg的亞克力球形顆粒，利用松下FP0型號的PLC和步進電機驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號給步進電機實現(xiàn)螺旋葉片軸的定速轉(zhuǎn)動。實驗過程的被輸出顆粒累積質(zhì)量數(shù)據(jù)由北京龍翔天力測控有限公司的量程為5kg、LTH-XB型號的稱重式壓力傳感器和型號LT-CR90/8UN的數(shù)據(jù)記錄儀來采集并記錄。實驗裝置如圖3所示。

圖1 圓柱外筒夾顆粒示意圖

圖2 改進后的D形截面外筒螺旋輸送機

圖3 實驗裝置

本文實驗中，需要人工在進料斗連續(xù)添加顆粒物料，并保持物料在進料斗內(nèi)堆積高度始終維持在10cm左右，以確保螺旋輸送機在穩(wěn)定輸送時為滿載輸送。本文研究的所有工況參數(shù)列于表1，每組工況至少重復(fù)3次，以便質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均化處理，消除偶然性誤差。被輸出的顆粒物料質(zhì)量采集頻率設(shè)置為每秒1次，每次實驗的數(shù)據(jù)采集從零質(zhì)量開始直至總質(zhì)量達到4.5kg為止。

表1 實驗工況參數(shù)

2 實驗結(jié)果和討論

本文通過測量被輸出顆粒的質(zhì)量累積數(shù)據(jù)，計算每秒時間間隔內(nèi)的質(zhì)量，即質(zhì)量流速率，并以此作為定量研究螺旋輸送機輸送效率的指標(biāo)。質(zhì)量流速率是指在單位時間通過一個垂直于螺旋軸并位于螺旋軸上的平面的顆粒質(zhì)量[12,15]，則

(1)

2.1 傾斜角度分析

取螺距60mm的葉片軸，在轉(zhuǎn)速50r/min時，輸送10mm粒徑不同傾斜角度的累積質(zhì)量結(jié)果的對比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：在0°時僅用了60s時間就完成了全部顆粒的輸送；當(dāng)時間到達80s左右時，15°和30°也都已輸送完全部顆粒，只有45°傾角時運輸持續(xù)了160s才結(jié)束。由圖4(a)可見：隨著傾斜角度增加，輸送相同質(zhì)量顆粒物料的時間加長。這是因為在實驗中所選用的螺旋輸送機的外筒為D形截面(見圖2)，葉片外緣距離外筒頂壁的距離為11mm，顆粒直徑分別為5mm和10mm，所以在傾斜角度增加時，顆粒回流的現(xiàn)象就會變得比較明顯，輸出全部4.5kg所需的時間就變長。圖4(b)也明確地示出在螺旋輸送機滿載穩(wěn)定輸送的10～45s時間段內(nèi)，質(zhì)量流速率隨著傾斜角度的增加而降低，這一規(guī)律在圖4(c)中體現(xiàn)的更為明顯。圖4(c)中的每一角度對應(yīng)的質(zhì)量流速率的數(shù)值為圖4(b)中10～45s時間段內(nèi)，滿載穩(wěn)定輸送時的質(zhì)量流速率的平均值。這個研究結(jié)論與P.J. Owen[15]的仿真研究得到的質(zhì)量流速率與傾斜角度的關(guān)系相吻合，但是他采用的外筒為圓形截面。由此推斷，雖然采用的是D形截面外筒，會在大傾斜角度的時候有顆粒回流現(xiàn)象，導(dǎo)致輸送時間延長，但采用圓形外筒大傾斜角度輸送時同樣也會使輸送效率降低。本文采用的這種D形截面外筒的螺旋輸送機屬于半開式物料輸送，只適用于水平和小傾斜角度狀態(tài)下，并不適用于大傾斜角度的物料輸送。

圖4 傾斜角度對輸送質(zhì)量和質(zhì)量流速率的影響(顆粒直徑10mm、轉(zhuǎn)速50rpm、螺距60mm)

2.2 螺距分析

螺距的大小決定著螺旋的升角，也決定著物料運動的滑移面，所以螺距的取值直接影響物料的輸送過程。有研究結(jié)果表明[8]：螺旋輸送機的輸送效率隨著螺距與筒體內(nèi)徑的比值增加而增加；在筒體內(nèi)徑不變的情況下，輸送效率隨著螺距的增加而增加。

本實驗研究對比了顆粒直徑為10mm、轉(zhuǎn)速50r/min的工況下，傾斜角度分別為0°、15°、 30°的60mm和100mm螺距的傳送質(zhì)量與時間關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同傾斜角度下兩種螺距的輸送質(zhì)量曲線對比(顆粒直徑10mm、轉(zhuǎn)速50r/min)

不同傾角兩種螺距的質(zhì)量差如圖6所示，平均質(zhì)量流速率如圖7所示。

圖6 不同傾斜角度兩種螺距輸送的質(zhì)量差

圖7 平均質(zhì)量流速率(顆粒直徑10mm、轉(zhuǎn)速50r/min)

2.3 轉(zhuǎn)速分析

螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速對螺旋輸送機的傳送能力影響比較大,但轉(zhuǎn)速卻不能過高；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定限制時，物料就會因為較大的離心力而產(chǎn)生垂直運輸方向的跳躍，以至于無法沿軸向被輸送[4]。至于轉(zhuǎn)速的上限，因輸送物料的性質(zhì)而異，并未有一個固定值。

圖8(a)為不同轉(zhuǎn)速的傳送累積質(zhì)量與時間關(guān)系，圖8(b)為平均質(zhì)量流速率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。由圖8(b)可以看出：螺旋輸送機在滿載穩(wěn)定工作時，平均質(zhì)量流速率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。本文研究的轉(zhuǎn)速屬于較低轉(zhuǎn)速，因而并未出現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下的質(zhì)量流速率下降的現(xiàn)象。

2.4 顆粒粒徑的影響

陳汝超[20]的研究結(jié)果表明：螺旋輸送機在輸送粒徑不同的物料時，隨著顆粒平均粒徑的增大輸送速率也增大。本文分別使用總質(zhì)量同為4.5kg的兩種粒徑完成運輸實驗，比較了不同粒徑的質(zhì)量累積曲線和質(zhì)量流速率，如圖9所示。

在圖9(a)可以看出：水平時的輸出質(zhì)量所用時間為30°時所用的時間的1/2，說明水平輸送的效率是最高的。由圖9(b)中可以看出：螺旋輸送機在滿載穩(wěn)定工作時，兩種粒徑顆粒的質(zhì)量流速率均隨著傾斜角度的增大而下降；雖然傾斜角度不同，但是大顆粒的平均質(zhì)量流速率始終大于小顆粒；傾斜角度增大，兩種顆粒的運輸效率差距也增大。

圖8 轉(zhuǎn)速對螺旋輸送機的影響

圖9 顆粒粒徑與傾斜角度的影響規(guī)律

2.5 混合顆粒

為了直觀觀察兩種粒徑顆粒在螺旋輸送機內(nèi)被輸送過程中的混和情況，本文將5mm和10mm兩種粒徑的顆粒交替地裝入進料斗，從而定性地判斷不同粒徑顆粒的混合狀態(tài)。圖10表示出了不同時刻兩種顆粒的混合情況。由圖10可看出：進料口處的物料流速不一樣，凹進一側(cè)出現(xiàn)明顯的顆粒滯留現(xiàn)象，同時兩種不同粒徑的顆粒在輸送機外筒內(nèi)的混合度隨著向前持續(xù)流動而增加。

圖10 混合顆粒的運輸過程圖

3 結(jié)論

1)質(zhì)量流速率隨著輸送傾斜角度的增大而降低，顆粒的回流現(xiàn)象隨著傾斜角度的增大而越發(fā)明顯，因此該種螺旋輸送機只適用水平或小傾斜角度輸送。

2)大螺距的輸送質(zhì)量流速率大于小螺距，但隨著輸送角傾斜角度的增加兩種螺距的質(zhì)量流速率差別減小。

3)螺旋輸送機的效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。

4)顆粒的質(zhì)量流速率大于小顆粒，但是隨著輸送傾斜角度的增加，差別減小。

5)顆粒在進料斗內(nèi)的喂入速度不同，凹進一側(cè)出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，且顆粒在被輸送過程中混合度增加，深入的定量研究有待后續(xù)研究。

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Experimental Study on Particles Conveying in Screw Conveyor of D-shape Cross Section

Liu Chunfei, Li Yanjie, Wang Yu

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Screw conveyors are used to transport powder or particle and other bulk materials under controllable speed. Because of the simple structure of screw conveyor they are widely used in forestry, agricultural and other fields to elevate and/or convey materials over short or medium distance. In this paper, we studied the particles conveying process with the improved screw conveyors of D-shape cross-section tube by the experiment, and we found that the mass flow rates increased with the increase of rotation rate, and decreased with the increase of inclination angle. In addition, the screw pitch and particle size also affected the mass flow rate. The mass flow rate of the large screw pitch was larger than small screw pitch, and difference of them decreased with the increase of the inclination angle; mass flow rate of big particle was larger than small particle, and the difference between two sizes of particles increased with the increase of inclination angle.

screw conveyors； particle； mass flow rate

2016-06-07

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(2016ZCQ08)；國家自然科學(xué)基金項目(11202031)

劉春飛(1991-)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，(E-mail )liuchunfei@bjfu.edu.cn。

S229+.2

A

1003-188X(2017)08-0141-06