螺旋卸船機(jī)水平螺旋中物料運(yùn)動(dòng)仿真分析

姚 強(qiáng)

中國電建集團(tuán)武漢重工裝備有限公司

1 引言

卸船機(jī)按照卸料方式的不同，分為門座式卸船機(jī)、抓斗式卸船機(jī)和懸鏈斗卸船機(jī)等[1]。在煤炭運(yùn)輸領(lǐng)域，卸船機(jī)的應(yīng)用，提高了卸煤效率，但是在煤料抓取過程中，會(huì)產(chǎn)生煤塵，造成環(huán)境的污染。為實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，螺旋卸船機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。螺旋卸船機(jī)在運(yùn)輸煤料過程中一直處于全封閉狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生煤料的泄漏，而且可以對(duì)煤料進(jìn)行連續(xù)性抽取，提高了卸船機(jī)的工作效率[2]。研究工作參數(shù)對(duì)螺旋卸船機(jī)中物料運(yùn)動(dòng)的影響，通過優(yōu)化工作參數(shù)來進(jìn)一步提高螺旋卸船機(jī)的工作效率具有重要的意義。

2 仿真分析方案

2.1 物料仿真參數(shù)

離散單元法是一種在散裝物料上具有顯著優(yōu)勢(shì)的數(shù)值分析方法，它能獲得許多不能實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，從而對(duì)螺旋卸船機(jī)中物料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究[3]。螺旋卸船機(jī)的輸料管道主要包括垂直螺旋以及水平螺旋，水平螺旋中各段螺旋通過吊軸承連接。為提高螺旋卸船機(jī)的工作效率，減少能源損耗，通過仿真研究水平螺旋轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量及水平螺旋傾斜角度對(duì)水平螺旋中物料運(yùn)動(dòng)的影響，來優(yōu)化螺旋卸船機(jī)的工作參數(shù)[4]。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 物料仿真參數(shù)

2.2 仿真狀態(tài)描述

圖1為3個(gè)吊軸承處物料運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果，均有物料聚集的現(xiàn)象。在模型的第二吊軸承附近區(qū)域等距離插入數(shù)據(jù)采集塊，見圖1(b)，提取物料進(jìn)出吊軸承的運(yùn)動(dòng)情況。

圖2為物料在吊軸承區(qū)域角速度的變化?？芍锪显谶M(jìn)吊軸承前角速度變化不大，在吊軸承出口處角速度明顯變大，即物料在吊軸承處旋轉(zhuǎn)速度變大。因?yàn)樗铰菪诘踺S承處沒有葉片，顆粒向前運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力變小，主要靠顆粒與顆粒間碰撞，物料會(huì)在吊軸承處聚集，導(dǎo)致物料的自轉(zhuǎn)速度會(huì)變大，增加了能量的損耗。

圖2 吊軸承區(qū)域角速度變化

圖3為3個(gè)吊軸承處進(jìn)、出料質(zhì)量流對(duì)比。可知，物料在3個(gè)吊軸承之間的螺旋段質(zhì)量流衰減更多，即在物料長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程中，質(zhì)量流損耗主要發(fā)生在螺旋運(yùn)輸段，吊軸承段的損耗為次要因素。在水平螺旋管進(jìn)料口、出料口及中間位置建立數(shù)據(jù)采集塊，提取物料在這3個(gè)位置的質(zhì)量流，結(jié)果見圖4?？芍?，物料運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，水平螺旋出料口質(zhì)量流比水平螺旋進(jìn)料口質(zhì)量流減少了約20 kg/s，因?yàn)槲锪显谒铰菪羞\(yùn)動(dòng)時(shí)，物料與管道、螺旋葉片和物料間會(huì)有碰撞及摩擦力，會(huì)導(dǎo)致物料在水平螺旋運(yùn)輸過程中產(chǎn)生能量損失，使水平螺旋輸送物料的能力減少。

圖3 3個(gè)吊軸承處質(zhì)量流對(duì)比

圖4 水平螺旋物料質(zhì)量流對(duì)比

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

圖5為不同轉(zhuǎn)速下出料口處物料質(zhì)量流隨時(shí)間變化曲線。由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，物料到達(dá)出料口所需的時(shí)間減小，能更早的達(dá)到運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，出口處質(zhì)量流增加了40～50 kg/s，可大幅提高水平螺旋的工作效率。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流變化曲線

表2為物料達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后流過水平螺旋的質(zhì)量流減少率?？芍S著轉(zhuǎn)速的增加，質(zhì)量流的減少率變少，即單位時(shí)間內(nèi)物料在水平螺旋管道中的集料更少，更有利于水平螺旋輸送物料。當(dāng)水平螺旋傾斜角度為25°時(shí)，質(zhì)量流減少率減小了29%，減小率下降明顯，因此增大轉(zhuǎn)速對(duì)水平螺旋處于下俯狀態(tài)時(shí)物料運(yùn)動(dòng)的影響更大。

表2 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流減小率

2.3.2 進(jìn)料量對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

圖6為進(jìn)料口不同的進(jìn)料量下水平螺旋出口處質(zhì)量流隨時(shí)間變化曲線。可知，在進(jìn)料口進(jìn)料量為167 kg/s和200 kg/s時(shí)，物料質(zhì)量流變化趨勢(shì)趨于一致，對(duì)出口處的質(zhì)量流影響很小，物料達(dá)到出口處的時(shí)間也一致，即進(jìn)料量的增加，并不會(huì)影響物料在水平螺旋中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

圖6 不同進(jìn)料下質(zhì)量流變化曲線

由表3可知，隨著進(jìn)料量的增加，物料的質(zhì)量流減少率增加，即增加進(jìn)料量會(huì)導(dǎo)致更多的物料在水平螺旋管道中聚集，影響水平螺旋的工作效率，因此在滿足設(shè)計(jì)要求后，應(yīng)盡量減小水平螺旋入口處的質(zhì)量流。

表3 不同進(jìn)料下質(zhì)量流減小率

2.3.3 傾斜角對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

圖7為水平螺旋處于不同下俯角度時(shí)出口處質(zhì)量流隨時(shí)間變化曲線?？芍?dāng)水平螺旋下俯角度增加時(shí)，物料到達(dá)水平螺旋出口所需的時(shí)間更長(zhǎng)，即物料在水平螺旋管道中的運(yùn)動(dòng)速度更慢，達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間更多，物料達(dá)到出口處的質(zhì)量流更小。

圖7 不同傾斜角下質(zhì)量流變化曲線

由表4可知，傾斜角增加時(shí)質(zhì)量流量減少率增加，即物料在水平螺旋管道運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)積聚的更多，使水平螺旋的工作效率降低。

表4 不同傾斜角下質(zhì)量流減小率

3 結(jié)語

通過離散單元法仿真模擬了散裝物料在水平螺旋中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析了不同工作參數(shù)對(duì)水平螺旋中物料運(yùn)動(dòng)的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)物料會(huì)在吊軸承處發(fā)生聚集現(xiàn)象且物料的角速度會(huì)明顯變大，物料在水平螺旋管道運(yùn)動(dòng)過程中，沿程損失為主要影響因素，吊軸承損失為次要影響因素。

(2)隨著水平螺旋轉(zhuǎn)速的增加、傾斜角的減小，物料在水平螺旋管道中運(yùn)動(dòng)速度變大，物料質(zhì)量流減少率變小，即物料在水平螺旋管道中聚集會(huì)減小，水平螺旋的工作效率增加；增加水平螺旋入口處的進(jìn)料量，對(duì)水平螺旋中物料的運(yùn)動(dòng)影響較小。

(3)當(dāng)水平螺旋處于下俯狀態(tài)時(shí)，增加水平螺旋的轉(zhuǎn)速會(huì)明顯提高水平螺旋的工作效率。