螺旋溜槽的設(shè)計(jì)參數(shù)敏感度分析及整體建模

魏陽(yáng)陽(yáng),魏亮亮

（1.采埃孚一拖（洛陽(yáng)）車橋有限公司,河南洛陽(yáng) 471003;2.航天精工股份有限公司,天津300300）

1 引言

傳統(tǒng)煤倉(cāng)中的煤從運(yùn)輸設(shè)備到倉(cāng)口，自由落入倉(cāng)底，會(huì)造成煤的破碎，塊煤率不高。螺旋溜槽便是對(duì)此類問題的有效解決方案。旋轉(zhuǎn)溜槽的工作原理是通過螺旋溜槽的導(dǎo)向作用，將煤炭入倉(cāng)過程中的自由落體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩俾菪\(yùn)動(dòng)，降低煤流運(yùn)行速度，減緩煤炭入倉(cāng)過程中的相互沖擊，防止塊煤破碎，減輕粒度損失，從而提高塊煤率。由于在煤流的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，完全靠煤的重力下滑，無人操作，無機(jī)械故障，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，效果好，故被廣泛使用在塊煤倉(cāng)中。

2 參數(shù)敏感度分析

外螺旋線傾角α、底板傾角φ、外螺旋線直徑D、動(dòng)摩擦系數(shù)f是螺旋溜槽設(shè)計(jì)時(shí)的四個(gè)主要參數(shù)。對(duì)外螺旋線上的點(diǎn)受力分析，可計(jì)算出煤流在標(biāo)準(zhǔn)段上平均速度。

則根據(jù)幾何關(guān)系，可以求出底板的最大傾斜角：

最大傾斜方向與該點(diǎn)切線方向的夾角

可以得出煤流在螺旋溜槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程[2]，其中Q為運(yùn)量，g為重力加速度：

其中向心力：當(dāng)煤流在標(biāo)準(zhǔn)段上達(dá)到勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，α=0。則對(duì)上式簡(jiǎn)化為：

可以導(dǎo)出勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)候的速度公式：

在Matlab中作敏感度分析，結(jié)果顯示：

外螺旋線直徑在4～18m變化，外螺旋線傾角在25°～40°變化時(shí)，直徑對(duì)速度影響成二次曲線。為防止速度過大，溜槽直徑不可過大。當(dāng)煤倉(cāng)直徑為30m左右時(shí)，可以內(nèi)外倉(cāng)組合進(jìn)行布置[3]。

動(dòng)摩擦系數(shù)f較小的時(shí)候，對(duì)速度影響較敏感，隨著f的增大，對(duì)速度的影響敏感性下降。所以，煤質(zhì)的動(dòng)摩擦系數(shù)是很重要的。底板傾角對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段速度影響為線性函數(shù)，只要保證最大傾斜角γ比動(dòng)摩擦角大5～10°即可，這樣能保證標(biāo)準(zhǔn)段速度不至于過大，并能保證在溜槽底部，煤流順利滑落，避免煤流排隊(duì)現(xiàn)象。

外螺旋線傾角對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段速度的影響比底板傾角敏感，所以需要先確定外螺旋線傾角，后確定底板傾角。一般外螺旋傾角在直溜槽傾角大3～5°。

四個(gè)參數(shù)的選取順序?yàn)椋捍_定螺旋溜槽的直徑D，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試動(dòng)摩擦系數(shù)f，確定外螺旋線傾角α，最后確定底板傾角φ。

從而確定的設(shè)計(jì)參數(shù)為：溜槽外直徑D為6m，外螺旋角α為31°，螺旋底板傾角φ為24°，動(dòng)摩擦系數(shù)f為0.35，溜槽寬度B為4m，溜槽導(dǎo)入段寬度為7m，溜槽側(cè)壁高度為5.5m，導(dǎo)入段側(cè)壁高度為9m，運(yùn)量Q為33t/h，旋向?yàn)樽笮?/p>

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

外螺旋溜槽一般分為三部分：導(dǎo)入段、非標(biāo)準(zhǔn)螺旋段及標(biāo)準(zhǔn)螺旋段[4]。導(dǎo)入段在運(yùn)煤設(shè)備和非標(biāo)準(zhǔn)螺旋段之間起著過渡和緩沖作用,它將來煤歸攏并使之以一定的流量平穩(wěn)運(yùn)行到非標(biāo)準(zhǔn)螺旋段;非標(biāo)準(zhǔn)螺旋段在螺旋溜槽中起至關(guān)重要的作用,該段通過截面和角度的變化控制煤流的速度和方向,使之以設(shè)計(jì)的速度平穩(wěn)地進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)段;在標(biāo)準(zhǔn)螺旋段,煤流在各種力的共同作用下達(dá)到平衡,即在運(yùn)行方向無加速度,橫向無擺動(dòng),以恒定的速度平穩(wěn)運(yùn)行,該段的長(zhǎng)度可根據(jù)煤倉(cāng)高度而定。

將底板傾角從0°變?yōu)?4°，外螺旋線傾角從50°變?yōu)?1°。這樣設(shè)計(jì)的好處是十套溜槽可共用一套標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)螺旋段。至此，十套螺旋溜槽彼此不同的就只有導(dǎo)入段了。

利用Pro/E的螺旋線方程建立模型，螺旋溜槽標(biāo)準(zhǔn)段外螺旋線直徑6m，螺旋線傾角31°，每節(jié)轉(zhuǎn)過的角度為30°。

標(biāo)準(zhǔn)段外螺旋線方程為：

標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)螺旋線方程為：

根據(jù)側(cè)板高度，確定側(cè)板曲線方程為：

設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)段螺旋線方程分為5段，每一段轉(zhuǎn)過18°。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)段外螺旋線，需要滿足的邊界約束條件為：傾角從50°到31°，需要用5段非標(biāo)準(zhǔn)段來進(jìn)行過渡，通過采用z軸不同的上升值來控制各個(gè)段的傾角實(shí)現(xiàn)。其分段螺旋線方程為：

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)螺旋線，需要滿足的邊界約束條件為：傾角從31°到50°，底板傾角從24°到0°及底板寬度從4m到7m的平緩過渡。可得非標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)螺旋線方程為：

4 結(jié)論

通過對(duì)螺旋溜槽設(shè)計(jì)參數(shù)的Matlab分析和Pro/E建模，可以得出以下結(jié)論：

①設(shè)計(jì)時(shí)，四個(gè)參數(shù)的選取先后順序?yàn)椋郝菪锊鄣闹睆紻，動(dòng)摩擦系數(shù)f，外螺旋線傾角α，底板傾角φ，為螺旋溜槽標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)提供了方法。

②利用Pro/E軟件確定螺旋線方程，精確建模，縮短了設(shè)計(jì)周期。