螺旋葉片對於垂直螺旋（xuán）提升（shēng）機功能影響的探討
螺旋垂（chuí）直提升機是螺旋輸送機中常見的一種。傳統的設計方法主要依靠經驗公式設計，導致很難對螺旋輸送機的性能有很大程度地提升，而其在製藥、港口（kǒu）、農業、水泥、食品等行（háng）業應用廣泛，因（yīn）此有必要對螺（luó）旋輸送機的設計與製造方法進行研究。隨著計算機仿真技術的發展，越來越多的試驗應用於虛擬樣（yàng）機的模擬中，這種處（chù）理不僅可以減少成本，提高效率，而且 能夠使設計者從（cóng）產品的作用機理入（rù）手，解決在實際的 試驗中很難觀察物料（liào）輸送（sòng）中細觀甚至（zhì）微觀特征[1-2]。螺 旋輸送機性能的模擬研究，早是由 Shimizu 等[3]發表 離散元法對螺旋輸送機中顆（kē）粒流的（de）研究（jiū），並將研究結（jié） 果與先前的經驗方程進行了對比分析。Cleary[4]研究了 顆粒形狀對喂料（liào）口進入的（de）物料下降形式和輸送機的輸送（sòng）特性的影響。Owen 等[5] 詳細研究了操作（zuò）條（tiáo）件，如 填充率、傾（qīng）角和（hé）螺旋轉速等對螺旋輸送機性能的影（yǐng） 響，但其未對螺旋葉（yè）片的形狀進行詳細討論。而這一課題在國內（nèi）尚未有（yǒu）詳細的研究。本文中將對螺旋葉片進行研（yán）究，並結合其（qí）他操作條件（jiàn），預測螺旋輸（shū）送機的性能。
1 螺旋垂直（zhí）提升機（jī）理與離散元理論
1．1 螺旋（xuán）垂直提升機的輸送機理 螺旋垂直提升機的結構簡（jiǎn）圖（tú）如圖 1 所（suǒ）示。其組成 部分與水平螺旋輸送機基本相同，包括電動機、減（jiǎn）速（sù） 器、機座、上軸承座、出料口、殼體、螺旋葉片、進料口、 下軸承座等。物料顆粒由下進料口進入螺旋與（yǔ）殼體形成的區域內，電動機帶（dài）動螺旋旋轉，受到離心力、摩擦 力、重力（lì）等作用。先，物料顆粒依（yī）靠自（zì）身的慣性，開 始沿螺旋麵（miàn）滑動（dòng），並逐漸加速；其次，當受到的離心力（lì） 大於螺旋麵摩擦（cā）力時，顆粒向槽（cáo）壁（bì）移動；顆粒與 槽壁之間的接觸壓力逐漸增加，故槽壁對顆粒的摩擦力逐漸增加。由於受到摩擦（cā）力的作用，因此靠（kào）近槽壁 的物（wù）料減速（sù），物料與螺旋間產生相對運動，使物料顆 粒向上運動。物料顆粒從出料口流出。
1．電動（dòng）機，2.減速器，3.機座，4.上軸承座，5.出料口， 6.螺旋葉片，7.殼體，8.進料口，9.下軸承座
圖 1 螺旋垂直提升機的結構簡圖
1．2 離散（sàn）元理論
離散單元法[6]是由 Cundall 教授在 1971 年提出的一種顆粒（lì）離散體物料分析方（fāng）法，其基本（běn）思想是把不連 續體分離為剛（gāng）性元素的集合，使各個剛性元素滿足運 動方程，用時步迭代的方法求解各剛性元素的運動方 程，繼而求得不連續體的整體運動形態。在應用離散 單元法進（jìn）行數（shù）值模擬過程中，把物料中的每個顆粒單 獨作為一個粒子單元建立數學模型，並給定粒子單元 的尺寸和物（wù）理性質，各個（gè）粒子之間存在接觸與分離兩 種關係。EDEM 是（shì）基於離散（sàn）單（dān）元法模擬和分析顆粒係 統（tǒng）過程（chéng）處理（lǐ）和生（shēng）產操作的 CAE 軟件。EDEM 的分析（xī）能 夠獲得大量新（xīn）的（de）有價值數據，包括粒子與壁麵相作用 的內在行為，粒子的分布、速度和位置，粒子之間（jiān）形（xíng）成 的力鏈結構等。
2、螺旋垂直提升機模型（xíng）描（miáo）述（shù）
螺旋葉片對螺旋輸送機整機（jī）性能的影響是（shì）研究的 。為了便於（yú）分析研究，選取 Robert 等在實驗中采用的單頭標準螺距的螺旋輸送機，采用傾（qīng）角 90°，即垂 直（zhí）螺旋（xuán）輸送機，模（mó）型參數[8]見表 1。輸送的物料采用幹燥（zào） 的小米，其形狀（zhuàng）近球形，因此不考（kǎo）慮（lǜ）顆粒形狀對輸送性 能的影響。而輸送管和螺旋葉片采用鋼製作，它們的材 料常數，如剪切模量、泊鬆比等參數見表 2。 表 1 螺旋輸送機模型參數軸徑 螺距（jù） 螺旋厚度 螺（luó）旋（xuán）高度 圓筒內徑38 13 1 114 80
物（wù）料特性參數 參數名（míng）稱 剪切模量/Pa 泊鬆比 密度/(kg•m-3) 恢複係數 靜摩擦係（xì）數 滾（gǔn）動摩擦（cā）係數 基本顆粒半徑/mm 小米 13×10 0.3 700 0.1 0.7 0.01 1.25
鋼（gāng） 1.1×10 0.3 7850 0.3 0.5 0.01 -
3、試驗
3．1、設計
影響垂直螺旋輸送機性能的操作變（biàn）量有螺旋轉 速、進口（kǒu）速度、填充係數、螺旋葉片的形狀、顆粒的形狀等。試驗選取進口速度為 10 m/s，由文獻[5]可知，填充係數對平均顆粒速度（dù）、平均（jun1）顆粒軸向速（sù）度（dù）、平均顆粒周向速度的影響很小，而本文中主要分析近軸處的（de） 平均（jun1）顆粒周向速度、近壁處的平均顆粒軸向速度，因 此可選填充係數取做一個固定參（cān）數，即填充係數為 50%，忽略顆粒形狀對輸（shū）送性能的影響，因此試驗（yàn）選 取了螺旋轉速、螺旋葉片作為操作參數，來展開詳細 的試驗設計（jì）。 根據（jù）文獻[5]的分析，選取螺旋轉（zhuǎn）速參數分別（bié）為600、900、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r/min；螺旋 葉片母線的形狀分別為直線型、折線型、曲線型，其形 狀簡圖如圖 2 所示，由排列（liè）組合知識可知，需要進行21 次（cì）試驗（yàn）。
3 種螺旋葉片的母線形狀
3.2 實施
根據試驗設計， 在三維（wéi）建模軟件 Autodesk Inventor 中（zhōng）分別對3種不同形狀螺旋葉片建（jiàn）立幾何模型，並建立螺旋軸和圓筒（tǒng）壁的幾何模型，完成裝配後 以通用格式 step 文件導出，並啟（qǐ）動 EDEM 軟件，在前 處理器中設置接觸類型、重力參數、材料（liào）常數、顆粒尺寸，以三角形網格形式將幾何體導入 EDEM 中，並設 置（zhì）相應各項的特性參數，如材料、轉速，並添加顆粒工 廠盤，尺寸是 26.4 mm2，設置顆粒工廠，添加顆粒數、 顆粒尺寸呈正態分布，進口速度沿軸向10 m/s。進入仿真處理器，設置固定時間（jiān）步長為瑞利時間步長的 20%，網格尺寸為（wéi）小粒（lì）徑的2倍。為了（le）保證仿（fǎng）真效（xiào） 率，幾何體以網格顯示，關閉求解報告和自動更新（xīn）按 鈕，開始（shǐ）求解。求解完成後，進（jìn）入後處理器，對仿真結 果進行分析，導出感興趣的數據，並通過數據分析軟 件 Origin Pro 8.0 進行作圖。
3．3 垂直（zhí）螺（luó）旋輸送機中顆粒的分布
3 種不同螺旋葉片下螺旋輸（shū）送機中顆粒的分布情況如（rú）圖 3 所示（shì），其（qí）中，小顆粒對應前灰（huī）色，大顆粒（lì）對應深灰色圖（tú） 3a—c，分別是直線型母線的螺旋（xuán）葉片（piàn）的顆粒輸送情況。由圖（tú）可以看出，大顆（kē）粒大多分布在自由 麵的表（biǎo）層，而小顆粒大多分布在螺旋麵的底層，且大、 小顆粒（lì）之（zhī）間有明顯（xiǎn）的粒徑分離（lí），這是由於顆粒之間的 剪應力作用的結果，而顆粒之間的相互接觸（chù），在考慮 接（jiē）觸變形、顆粒濃度（dù）較高、顆粒表麵的（de）摩擦係數適（shì）當 的情況下，顆粒之間形成穩定的接觸力鏈，即此時的（de） 顆粒流稱為彈（dàn）性流。物料顆粒形成（chéng）一（yī）定均勻深度的流（liú） 化床，且自由麵的傾（qīng）角接近於螺旋麵（miàn）傾角。
圖 3d—f 等 3 組分別是折線型母線的螺（luó）旋葉片的 顆粒輸送情況（kuàng）。顆粒（lì）分布情形與直線型類似，但不同 的是大、小顆粒之間的分離更加明顯，物料顆粒形成 了更加均勻深（shēn）度的流化床，自由（yóu）麵的傾角更接（jiē）近於螺 旋麵的傾角。圖 3g—i 等 3 組分別是曲（qǔ）線型母（mǔ）線的螺 旋葉片的顆粒（lì）輸送情況，顆（kē）粒分布同樣類（lèi）似於上述的 兩種（zhǒng）情形，但大、小顆粒之間分離明顯，剪切力影（yǐng）響 ，物料（liào）顆粒形成的流化床更加均勻，自由麵幾乎（hū） 與螺旋（xuán）麵平行，輸送效果。 圖 3 3 種螺（luó）旋葉片（piàn）下的顆粒（lì）分布情況依據顆粒的直徑進行（háng）著色
3．4 顆粒的輸（shū）送（sòng）速度
由於每個顆粒（lì）的粒徑、速度、位置均不同[9]，為了（le） 便於研究，考（kǎo）慮（lǜ）得到一些規律性的結論，采（cǎi）用統計平 均的方式對試驗（yàn）結果進（jìn）行分析（xī）。
3．4．1 平均顆（kē）粒速度
通過離散元模擬，得出了在（zài）不同轉速下的 3 種不同螺旋葉片（piàn）形（xíng）狀對（duì）平均顆粒速度的變（biàn）化趨（qū）勢，如（rú）圖4所示，對於直（zhí）線型母線螺旋葉片，顆粒的輸（shū）送速度從所示（shì），對於直線型母線螺（luó）旋葉片，顆粒的輸送速度從保持線性減小，整體的輸送速（sù）度變化幅度為 0.01 m/s， 輸（shū）送平穩，且1400 r/min 輸送速度大。對於折線型 母線（xiàn）螺旋葉片，顆粒輸送速度在 1 000、1 600 r/min ，為 0.07 m/s，在 1 800 r/min 有增（zēng）大趨勢，因此，從（cóng）趨 勢中（zhōng）不能很（hěn）好地得出螺旋轉速與平均顆粒速度之間的 關係。對於曲線（xiàn）型母線螺旋葉片，顆粒輸送變化範圍（wéi） 小，輸送為平穩。在 600~1 800 r/min 範圍內（nèi），平均顆 粒速度保持在 0.055 m/s 左右（yòu），輸送效果。
圖 4 不（bú）同螺旋葉片下的平均顆粒速度
3．4．2 平均軸向（xiàng）速度和平均周向速度
通過（guò）離散元模擬，得出了在不同轉速下的 3 種 不同螺旋葉片形狀對平均軸向速度變化趨勢，如圖 5 所示。 考（kǎo）察近軸處 12.75 mm 以內圓（yuán）柱的平（píng）均軸向速 度，在螺旋（xuán）轉速小於 1 600 r/min 時，隨著轉速的增加， 對於直線型、折線型的（de）螺旋葉片，其平均軸向速度成 增大的趨勢，但曲線型的螺旋葉片，其平（píng）均軸（zhóu）向速度 沒有明顯的變化趨勢，且其軸（zhóu）向輸送速度遠小於直 線型、折線型母線的（de）螺旋葉片對應的平均軸向速度； 但（dàn）當螺旋轉（zhuǎn）速大於（yú） 1 600 r/min 後時，曲線型母線（xiàn）的 螺旋葉片對應的平均軸向速度超（chāo）過了直線型、折線型（xíng）母線的螺旋（xuán）葉片的平均軸向速度，且直線型母線 的（de）螺旋葉片的平均軸向速度有所減小，因此，在考慮 較大（dà）螺旋轉（zhuǎn）速下，曲線（xiàn）型（xíng）母線的螺旋葉片具（jù）有的輸送效（xiào）果，能夠減小（xiǎo）一定輸送量中的輸送功耗，提 高輸送效率。
圖 5 平（píng）均顆粒軸向速（sù）度
通過離散元模擬，得出在不同（tóng）轉速下的 3 種不同螺 旋葉片（piàn）形狀對平均周向速度的變化（huà）趨勢，如圖 6 所示。
圖（tú） 6 考察近壁麵處圓環內的平均軸向速度，由圖 可（kě）以明顯看（kàn）出，曲線型、折線型母線的螺（luó）旋葉（yè）片對應 的平均周向速度（dù）遠遠小於直線型母線（xiàn）的螺旋葉片（piàn）對（duì） 應的（de）平（píng）均周向速度，且曲線型母線的（de）螺旋（xuán）葉片對應的（de） 平均周向速度小，降低了由顆粒渦旋引起的能量耗（hào） 散，增加了能耗的利用率。
綜上，曲線型母線的螺旋葉片對應的顆粒流是由 螺旋運動引起的顆（kē）粒軸向上升和周向旋轉的運動疊 加的結果。
3.5 耗能分析
3.5.1 功率消耗
功耗的獲取（qǔ）是通過離（lí）散元仿真中具有一定速度 的單個顆粒對旋（xuán）轉螺旋麵的作用力的疊加。圖 7 是 3 種不（bú）同母線的螺旋葉片對應單位時間（jiān）內（nèi）的能量耗散 情況。
由圖可知（zhī），在螺（luó）旋轉速為 600～1 200 r/min 的範 圍內，折線（xiàn）型的螺旋葉片對應的能耗直線型 螺旋葉片能耗小，但 3 種螺旋（xuán）葉片對應的能（néng）耗相 差不大；在螺（luó）旋轉速為 1 200～1 600 r/min 的範（fàn）圍 內，曲線型的螺旋葉片能耗小，在 1 400 r/min 時， 能耗相對直線（xiàn）型、折線（xiàn）型的螺旋葉片的能耗小，在 轉速（sù）大於 1 600 r/min 時（shí），曲線型的螺旋葉片的節能（néng）效 果不太明顯，因此，在（zài）中、高速螺旋輸送中（zhōng），選用曲線 型母線的螺旋葉片是的。
3.5.2 能量耗散
能量耗散的原理是在一個固定的仿真周期內所 有顆粒之間、顆粒與壁麵之（zhī）間碰撞消耗能量的綜合。 不考慮（lǜ）顆粒與壁麵磨損引（yǐn）起的（de）能量耗散，從能量守恒 的角（jiǎo）度理解，總（zǒng）能量耗（hào）散等於總的提供能（néng）量，且在單 位時間內的能量消耗可以理解為功耗。離散（sàn）元仿真提 供對輸送（sòng）中總能量的消耗進行檢測的手（shǒu）段，由於顆粒 輸送（sòng）消能耗量與能量裝置需要提供的有效能量是相 等的，因此，分析總能（néng）耗的大小就可以預測係統對螺 旋輸送機需要提（tí）供（gòng）多少能量。
圖（tú）8 為能（néng）量耗（hào）散（sàn）圖。如圖所示，對於直線型母線 的螺旋葉片（piàn），其對應的能耗折線型母線的螺旋 葉（yè）片與曲線型母線的螺旋（xuán）葉片相差不大，都遠（yuǎn）遠小於直線型所消耗的能量，因此，采用曲線型、折線型母線 的螺旋葉（yè）片（piàn）可以（yǐ）有效降低對係統（tǒng）總（zǒng）能量的消耗，達到 節能的目的（de），有（yǒu）效地減少成本，提高效益。
3.6 質量（liàng）流（liú）量
為了研究螺旋垂直提升機中的顆粒輸送的流動（dòng） 特性（xìng） ，需要定量地測量顆粒（lì）在（zài）輸送過程中的平均（jun1）質 量流量，它是通過記錄在單位時間內經過一個垂直於螺旋軸線的固定截麵的顆粒數得出的。圖 9 為平 均（jun1）質量流量圖，3 種不同母線的螺旋葉片對應的平 均質量流量（liàng）在不同螺旋轉速下的變化趨勢，對於直（zhí） 線（xiàn）型母線的螺（luó）旋葉片，其對（duì）應的平均質（zhì）量流（liú）量在螺 旋（xuán）轉速 600、1000、1 400 r/min 是逐漸增大，這與文 獻[5]基本吻（wěn）合。對於折線型母（mǔ）線的螺旋葉片，其（qí）隨轉 速增（zēng）大的變化（huà）趨勢不具有明顯的函數關係，且在（zài）轉 速值1 600 r/min 時，平均質量流量小。對於曲線型 母線的螺旋葉片，其隨轉速增大的變化幅度小，在 600～1 800 r/min 的範圍內，平均質（zhì）量流量保持在某一 定值的左右（yòu），說明其單位時間的輸送量隨轉速的變化 很小，具有的輸送（sòng）效果。
4 結論
1）闡述（shù）螺旋垂直提（tí）升機的原理與離散元理論，考察 3 種母線形狀的螺旋（xuán）葉片，借（jiè）助顆粒仿真軟件（jiàn） EDEM 進行數值試驗，對顆粒速（sù）度、功率消耗、能（néng）量耗 散（sàn）、質量流量等性能指標進行了模擬。
2）與傳統（tǒng）直線型相（xiàng）比，彎曲型母線的螺旋葉片在 近軸處的旋轉速度減（jiǎn）小了 73.87%、近（jìn）壁（bì）處的軸向速 度（dù）在高（gāo）轉（zhuǎn）速時（shí）增大了 12.34%。
3）彎曲型母線的螺旋葉片減小了由額（é）外（wài）顆粒流 引起的能（néng）量耗散，且在試驗的轉速範圍內（nèi）平均質量流 量基本趨於常數，其輸送效果。
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