螺旋卸船机水平螺旋与溜筒输送过程仿真︱港口装卸机械

螺旋卸船机是一种高效环保的散货码头作业设备，其输送方式主要借助螺旋输送，即利用无挠性牵引构件实现散货的连续输送，可作业各种粉状、粒状及小块状物料 [1]。对于螺旋输送的工作性能及颗粒运动，国内外学者已经通过离散元仿真方法进行了深入研究。Shimizu 等[2] 首先通过离散元法模拟螺旋输送机，分析各种螺旋输送机模型的力矩、功耗等，并与理论公式进行了对比分析。Cleary 等[3] 以螺杆转速，填充水平，倾斜度为性能参数，用离散元法预测了螺旋输送机的性能，分析了颗粒速度，质量流量，能耗，功耗方面的变化。LatoPezoa 等[4] 通过离散元仿真结合聚类分析等数值分析方法评估了3 种设计变量对螺旋输送机颗粒混合性能的影响。余书豪等[5] 研究了螺距、供料方式、螺旋叶片等性能参数对螺旋输送机性能的影响，并建立响应面模型进行优化设计，但对于诸如具体卸船设备的研究还较为缺乏。

本文在前期工作基础上[7-15]，通过离散元仿真实验，分析螺旋卸船机水平输送段及转接溜筒过程中的颗粒流运动状态，进而提出对设备结构及生产操作条件的改进意见，研究方法与结果可对相关领域的设备性能优化提供一定借鉴。

1 离散元仿真建模

以某电厂常用煤物料为研究对象，将其简化为直径50mm 的球颗粒，颗粒间接触模型使用 Hertz-Mindlin 无滑移接触模型，如图1 所示。

对颗粒进行受力分析，采用牛顿第二定律建立颗粒运动方程，对运动方程积分，不断更新颗粒的位置[6]，即有

式中：mi、Ii 为颗粒i 的质量和转动惯量，vi、ωi 为颗粒i 的平动速度和转动速度，ni 为与颗粒i 接触的颗粒数，Fijc 为颗粒i 与j 之间的接触力，Fig 为颗粒i 所受重力， Fif 为颗粒受流体的作用力，Mit 为切向碰撞力产生的力矩，Min 为法向碰撞产生的力矩，Mir 为滚动摩擦力矩。

通过文献[8] 及试验标定，确定仿真材料本征参数与接触参数，如表1、表2 所示。

仿真研究对象选取某额定生产率为900 t/h 的螺旋卸船机，其水平螺旋转速为145 rpm，螺旋叶片采用双头螺旋，螺距为400 mm，设计仿真实体结构如图2 所示。螺旋卸船机在正常工作中，水平螺旋会根据料堆位置进行一定幅度变化（变幅范围为-20°～ +20°）。

为分析水平螺旋位于不同位置时的物料输送状态及与转接过程中的物料通过性，选取水平螺旋倾角分别为-20°、0°、20°下的3 种特征位置，定义为A、B、C 等3 种输送模式。其中，输送模式A 为水平螺旋倾角-20°状态，输送模式B 为水平螺旋倾角 0°状态，输送模式C 为水平螺旋倾角 20°状态。为了观察物料流运动状态，在水平螺旋的中间输送段与溜筒承接处分别设置质量流量传感器Q1 和Q2，如图3 所示。

2 结果与分析

观察质量流量传感器，通过提取稳定输送状态下质量流量数据，分别得到水平输送段和溜筒承接处两个位置处的平均质量流量1 Q 与2 Q 。3 种输送模式下稳定输送状态下的质量流量如图4 ～图6 所示。

从表3 仿真结果分析可得，3 种模式下水平输送段和溜筒承接处两个位置处质量流量的相对偏差分别为0.48%、0.28%、0.08%，说明在3 种模式下的水平螺旋转溜筒处均未发生明显颗粒堵塞，颗粒通过性良好。此外，输送状态C 即水平螺旋上倾20°时，通过性达到最佳。

3 种模式下水平螺旋不同倾角下的稳定输送状态如图7 所示，其平均轴向速度见图8。从图中可知，输送模式A 即水平螺旋向下倾斜20°时，物料颗粒在输送管底部密集，个别颗粒有径向跳跃，颗粒间速度无明显差别；输送模式B 即水平螺旋处于水平时，部分颗粒出现明显径向跳跃；输送模式C 即水平螺旋向上倾斜20°时，物料分布于输送管整个断面，物料流整体有较大径向速度。

同时，图8 反映出3 种模式下的平均轴向速度存在一定差别。其中，输送模式C 下的水平螺旋物料轴向速度明显偏小，这是由于该模式下螺旋转速过快，明显大于标准转速，导致物料颗粒产生较大的垂直于输送方向的径向速度分量。螺旋叶片在进行水平输送的同时，对物料产生了搅拌干扰，以致输送效率的明显降低。

要达到理想的输送状态，保证颗粒流平稳移动，采用输送模式 C，在卸船机额定生产率下工作时，建议适当降低水平螺旋转速。

1）出口处颗粒运动速度

表4 列出了3 种输送模式下溜筒出口处测得的颗粒平均速度，由此得知3 种输送状态下溜管出口处颗粒运动速度和方向无明显变化，稳定在10 m/s 左右。

2）溜筒内颗粒运动轨迹

3 种输送模式下溜筒内颗粒流运动轨迹如图9 所示。图中标识为颗粒流与溜筒内壁发生集中接触的区域，输送模式A 下颗粒流运动平滑，较为集中，无明显撞击分散；输送模式B 及C 下，颗粒流首次冲击位置改向圆弧之下，颗粒流与内壁发生剧烈冲撞，导致溜筒中段区域物料颗粒较为分散，颗粒运动方向紊乱，加剧下部的碰撞摩擦，因此建议适当增大溜筒入口处圆弧尺寸。

3）溜筒内壁磨损分析

在长期作业下，高速颗粒流会对溜筒内壁造成一定磨损。为分析得出不同模式下溜筒发生磨损的关键位置，本次研究中提取了溜筒内壁切向累计接触能量，用以表征各部位的相对磨损量，即通过计算几何模型三角形网格上累积的力和接触来计算得出几何体某部位的相对磨损量。

图10 所示为3 种输送模式下颗粒稳定流动至 14 s时溜筒各部位的相对磨损量。可以观察到溜筒磨损区域与颗粒流冲击区域一致；3 种输送模式下溜筒中下部的磨损区域基本相同，溜筒入口处的磨损区域略有不同，但因该区域颗粒速度有限，其总体磨损量较小。

分析得出：对于几处易磨损位置，可在溜筒中间直管全内壁，下部斜管左侧壁，左导管右侧壁，右导管左侧壁增加耐磨层，从而抵抗泻料过程中的磨损。

3 结论

1）水平螺旋各变幅位置处，水平螺旋转溜筒处物料通过性良好，不会发生积料堵塞现象。

2）水平螺旋转速满足生产率要求，但在C 模式下，螺旋转速过快，造成显著径向跳跃，可适当降低水平螺旋的转动速度以提高输送效率。

3）增大溜筒入口位置的圆弧尺寸可在B、C 输送模式下使溜筒中的颗粒流更加平滑，减少碰撞；3 种模式下溜筒出口处的颗粒速度大小与方向基本一致。

4）建议在溜筒中间直管全内壁，下部斜管左侧壁，左导管右侧壁，右导管左侧壁分别进行耐磨处理，以减缓溜筒内壁的磨损。

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