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，會產(chǎn)生煤塵，造成環(huán)境的污染。為實現(xiàn)綠色發(fā)展，螺旋卸船機(jī)應(yīng)運而生。螺旋卸船機(jī)在運輸煤料過程中一直處于全封閉狀態(tài)，不會產(chǎn)生煤料的泄漏，而且可以對煤料進(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)對螺旋卸船機(jī)中物料運動的影響，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)勢的數(shù)值分析方法，它能獲得許多不能實際測量的數(shù)據(jù)，從而對螺旋卸船機(jī)中物料進(jìn)行運動學(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水平螺旋中物料運動的影響，來優(yōu)化螺旋卸船機(jī)的工作參數(shù)[4]。實驗參數(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個吊軸承處物料運動的仿真結(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)出吊軸承的運動情況。

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。因為水平螺旋在吊軸承處沒有葉片，顆粒向前運動的驅(qū)動力變小，主要靠顆粒與顆粒間碰撞，物料會在吊軸承處聚集，導(dǎo)致物料的自轉(zhuǎn)速度會變大，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個吊軸承處進(jìn)、出料質(zhì)量流對比?？芍?，物料在3個吊軸承之間的螺旋段質(zhì)量流衰減更多，即在物料長距離運輸過程中，質(zhì)量流損耗主要發(fā)生在螺旋運輸段，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個位置的質(zhì)量流，結(jié)果見圖4?？芍?，物料運動穩(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，因為物料在水平螺旋中運動時，物料與管道、螺旋葉片和物料間會有碰撞及摩擦力，會導(dǎo)致物料在水平螺旋運輸過程中產(chǎn)生能量損失，使水平螺旋輸送物料的能力減少。

圖3 3個吊軸承處質(zhì)量流對比

圖4 水平螺旋物料質(zhì)量流對比

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 轉(zhuǎn)速對物料運動的影響

圖5為不同轉(zhuǎn)速下出料口處物料質(zhì)量流隨時間變化曲線。由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，物料到達(dá)出料口所需的時間減小，能更早的達(dá)到運動穩(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)定的運動狀態(tài)后流過水平螺旋的質(zhì)量流減少率。可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，質(zhì)量流的減少率變少，即單位時間內(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，質(zhì)量流減少率減小了29%，減小率下降明顯，因此增大轉(zhuǎn)速對水平螺旋處于下俯狀態(tài)時物料運動的影響更大。

表2 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量流減小率

2.3.2 進(jìn)料量對物料運動的影響

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

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 傾斜角對物料運動的影響

圖7為水平螺旋處于不同下俯角度時出口處質(zhì)量流隨時間變化曲線?？芍?，當(dāng)水平螺旋下俯角度增加時，物料到達(dá)水平螺旋出口所需的時間更長，即物料在水平螺旋管道中的運動速度更慢，達(dá)到穩(wěn)定的運動狀態(tài)所需的時間更多，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，傾斜角增加時質(zhì)量流量減少率增加，即物料在水平螺旋管道運動過程中會積聚的更多，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動狀態(tài)，分析了不同工作參數(shù)對水平螺旋中物料運動的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)物料會在吊軸承處發(fā)生聚集現(xiàn)象且物料的角速度會明顯變大，物料在水平螺旋管道運動過程中，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動速度變大，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，對水平螺旋中物料的運動影響較小。

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