螺旋卸船机垂直输送机理及试验研究.pdf.doc

螺旋卸船机垂直输送机理及试验研究.pdf.doc 密 级 分类号 学校代码 U D C 10497 学 位 论 文 螺旋卸船机垂直输送机理及试验研究 题 目 Conveying Mechanical Analysis and Experiment of 英 文 Vertical Upgrading of Screw Unloader 题 目 梅磊 研究生姓名 胡吉全 研究员 姓名 职称 学位 指导教师 单位名称 物流工程学院 邮编 430063 李勇智 学位 教授 姓名 职称 副指导教师 物流工程学院 单位名称 邮编 430063 学科专业名称 物流技术与装备 博士 申请学位级别 论文答辩日期 论文提交日期 2014.05 2014.03 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予 日期 评阅人 答辩委员会主席 2014年 5月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签 名: 日 期: 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生(签名): 导师(签名): 日期: 武汉理工大学博士学位论文 摘要 随着世界船舶运输业散装化的飞速发展，螺旋卸船机作为一种性能优良的 连续型散货卸船机械，以其环保、节能等综合优势受到广大港口的青睐。螺旋 卸船机的垂直输送机理研究是该领域的核心问题，目前正受到相关学者的高度 关注和重视。本文以螺旋卸船机的垂直输送为对象，分别采用散体力学理论模 型分析、接触力学离散元理论的仿真方法、样机试验方法，对其垂直输送 机理进行了全面深入的研究，其主要工作和取得的创新性研究成果如下: (1)应用散体力学、连续介质力学及颗粒群理论，建立了垂直螺旋卸船机 内物料颗粒群稳定运动的散体力学模型，创新性地对螺旋槽内物料颗粒群的转 速作出了沿径向变化的假设。通过对物料的运动分析，确立了物料的运动特征 参数。研究确定了输送机纵向截面的物料自由表面类型及其判别、求解的方法 与物料颗粒群对输送管壁及螺旋面的压力分布规律，建立了物料的运动特征参 数、生产率与螺旋轴驱动功率的计算模型并给出数值计算方法。应用垂直输送 机理分析模型，对输送机相关设计参数与性能参数的变化规律进行了描述，为 垂直螺旋输送机主要参数的确定提供了科学的理论支撑。 (2)应用离散元理论及 EDEM软件，对物料的相关物性参数、物料的垂 直螺旋输送过程、物料在输送机底部的进料过程及其在滚动间隔式中间支撑处 的运动过程进行了系统的仿真。对不同充填率及不同螺旋转速下垂直螺旋底部 的取料、垂直输送及物料在中间支撑处的运动过程进行了离散元仿真分析，获 取了垂直螺旋输送性能参数的变化特性、取料装置供料能力随自转转速及集料 螺旋转速的变化关系，验证了物料在滚动间隔式中间支撑处的通过性，并给出 了滚动间隔式中间支撑的设计准则。 (3)以 L型螺旋卸船机的取料及垂直输送机头作为试验研究的平台，对螺 旋卸船机垂直输送机理及相关的取料过程、物料中间支撑通过性进行了试验研 究。研究开发了螺旋卸船机垂直输送及取料机理试验台，制定了相关性能测试 的试验;对输送机进料能力、输送性能参数随螺旋转速及充填率的变化关 系、取料性能参数随取料螺旋转速及料堆高度的变化关系进行了试验研究，验 证了物料在中间支撑处的通过性及理论模型和仿真模型的一致性。试验研究结 果揭示了输送机进料口极限进料量的规律，获取了垂直输送及取料过程的相关 变化曲线，验证了理论模型的正确性和仿真模型精度的局限性。 I 武汉理工大学博士学位论文 本文提出的螺旋卸船机垂直输送机理的研究方法和结论，为新型螺旋卸船 机的开发提供了理论支撑和设计准则，为不同特性散体物料的螺旋输送研究提 供了新的思路。 关键词:垂直输送机理;散体力学;中间支撑;取料回转;离散元仿真 II 武汉理工大学博士学位论文 Abstract With the rapid development of the world shipping in bulk, as good continuous bulk unloader machine screw ship unloader is to the broad masses of the port's favor with the comprehensive advantages of its environmental protection and energy conservation. Study on the vertical conveying mechanism of screw ship unloader is a key problem in the field, and is highly payed attention to by the related scholars. In this paper, the vertical transport of screw ship unloader is the object, the vertical conveying mechanism are studied thoroughly with the simulation method, the model theory of granular material mechanics, contact mechanics analysis method of theory of discrete element and Test method for prototype. The main work and innovations of the research are as follows: 1. Applying discrete mechanics, continuum mechanics and particle swarm theory, establishing the granular mechanics model of vertical screw ship unloader material particles in steady motion, innovatively making hypothesis of change on speed of material particles spiral groove along the radial. Through the analysis of material motion, the motion parameters of materials are established. Research determines the type of the free surface longitudinal section material and discrimination of conveyor,solving method and distribution of surface pressure caused by material particles on the pipe wall spiral, establishing the calculation model of productivity and spiral movement characteristic parameter, material shaft driving power and giving the numerical calculation method. Analysis of model application of vertical conveying mechanism, variation law of conveyor design parameters and performance parameters were described, providing scientific theory to support for the main parameters of vertical screw conveyor. 2. With application of discrete element theory and EDEM software, the vertical screw related physical parameters of material, the material conveying process, the material in the feeding process and the movement process of conveyor bottom in the rolling interval type middle support is getting system simulation. Material analysis of discrete element simulation is done to different filling ratio and different speed of the screw down vertical screw at the bottom of the vertical transport and motion process III 武汉理工大学博士学位论文 in the middle support, getting the changing characteristics of performance and the changing relation between ability of vertical screw conveyor feeder for feeding capacity and the rotation speed of material collection screw, verifying the possibility of passing through the rolling interval middle support, and design guidelines are given to the rolling interval intermediate support. 3. Taking L type screw unloader and vertical conveyor as an experimental research platform, the experimental study was carried out on the screw ship unloader vertical conveying mechanism and related material reclaiming process, the possibility of passing through intermediate support. Developing the screw ship unloader vertical conveying and feeding mechanism test-bed, the test scheme of relevant performance test is done; The conveyor feeding ability, and filling rate performance parameters, variation of transmission capacity, material performance parameters with the feeding screw speed and stockpile relation highly was investigated, verifying the consistency of material passing through the middle of the support both in the theoretical model and the simulation model. Experimental results reveal the law about conveyor feed port limit of feed rate, obtain the relevant change curves of vertical transport and reclaiming process, verify the correctness of the theoretical model of the limitations of the accuracy of simulation models. This paper suggests research methods and conclusions about conveying mechanism of screw ship unloader, providing the theory support and the design criteria for developing the new screw ship unloader, providing a new idea for the study of spiral transport different characteristic of the granular material. Key words: Vertical Conveying Mechanism; Granular Mechanics; Intermediate Support; Reclaimer Slewing; Discrete Element Simulation IV 武汉理工大学博士学位论文 目录 第1章绪论............................................. 1 1.1研究背景......................................................1 1.2螺旋卸船机机理研究现状........................................2 1.2.1垂直螺旋卸船机输送机理研究................................2 1.2.2螺旋卸船机输送效率、选型及螺旋叶片优化研究................4 1.2.3垂直螺旋卸船机输送过程仿真研究............................6 1.3螺旋卸船机的发展及存在问题....................................7 1.3.1国外螺旋卸船机发展现状....................................7 1.3.2 L型螺旋卸船机 ............................................9 1.3.3存在的主要问题...........................................10 1.4论文的研究意义与内容安排.....................................12 1.4.1论文的研究目的与意义.....................................12 1.4.2论文主要研究内容.........................................13 第2章螺旋卸船机垂直输送机理的理论模 型 ................15 2.1散粒体物料的物理及力学特性...................................15 2.1.1螺旋所输送散粒体介质的物理特性...........................15 2.1.2连续介质假定.............................................17 2.1.3散粒体的应力状态.........................................18 2.1.4散粒体的极限平衡状态.....................................21 2.2垂直螺旋输送物料运动分析.....................................22 2.2.1螺旋面上物料的运动假定...................................23 2.2.2螺旋面上物料的运动分析...................................24 2.3螺旋面上颗粒群的自由表面边界.................................26 2.3.1自由表面曲线的微分方程...................................26 2.3.2第一类自由表面曲线的判别与求解...........................27 2.3.3第二类自由表面曲线的判别与求解...........................29 2.3.4第三类自由表面曲线的判别与求解...........................30 V 武汉理工大学博士学位论文 2.3.5第四类自由表面曲线的判别与求解...........................31 2.3.6自由表面曲线的判别与数值计算.............................33 2.4螺旋面上颗粒群边界的压力分布.................................34 2.4.1物料在螺旋管壁的压力分布.................................34 2.4.2物料在螺旋叶面上压力.....................................38 2.4.3螺旋面上颗粒群边界的压力分布曲线.........................39 2.5物料运动特征参数的求解.......................................40 2.5.1螺旋管壁上力对螺旋轴的力矩...............................40 2.5.2螺旋叶面上力对螺旋轴的力矩...............................42 2.5.3物料运动临界转速求解.....................................46 2.5.4物料运动特征参数求解.....................................48 2.6垂直螺旋卸船机性能参数计算...................................50 2.6.1垂直螺旋卸船机生产率计算.................................50 2.6.2垂直螺旋卸船机功率计算...................................53 2.7理论模型的数值求解...........................................53 2.8理论模型的应用...............................................54 2.9本章小结.....................................................59 第3章螺旋卸船机垂直输送过程仿真分 析 ..................60 3.1离散单元法基本理论...........................................60 3.1.1离散单元法简介...........................................60 3.1.2接触力学模型.............................................61 3.1.3颗粒接触模型简化.........................................64 3.1.4散粒体介质颗粒接触力力链.................................66 3.2物料特性参数获取.............................................68 3.2.1堆积角及其实验测量.......................................68 3.2.2离散元中材料物性参数.....................................71 3.2.3 EDEM仿真参数设置 ........................................72 3.2.4物料特性的EDEM仿真......................................74 3.3物料垂直输送过程的EDEM仿真分析..............................77 3.3.1 EDEM仿真模型 ............................................77 VI 武汉理工大学博士学位论文 3.3.2物料垂直输送的仿真参数与方案.............................78 3.3.3物料转速假定仿真验证.....................................78 3.3.4不同充填率下垂直输送过程的仿真分析.......................79 3.3.5不同转速下垂直输送过程的仿真分析.........................82 3.4输送机底部取料过程的EDEM仿真................................83 3.4.1 EDEM仿真模型 ............................................84 3.4.2底部取料过程仿真方案.....................................84 3.4.3底部进料过程的仿真分析...................................85 3.5物料通过垂直螺旋中间支撑的EDEM仿真..........................88 3.5.1垂直螺旋中间支撑结构.....................................88 3.5.2垂直螺旋中间支撑物料通过性仿真模型.......................89 3.5.3垂直螺旋中间支撑处的物料通过性分析.......................91 3.5.4垂直螺旋中间支撑处物料通过能耗分析.......................94 3.5.5滚动间隔式中间支撑结构设计准则...........................95 3.6本章小结.....................................................98 第4章螺旋卸船机垂直输送试验研究......................99 4.1螺旋卸船机垂直输送试验台研制.................................99 4.1.1 L型螺旋卸船机试验样机 ...................................99 4.1.2垂直输送及取料机理试验台................................101 4.1.3试验台主要性能参数及功能................................104 4.2螺旋卸船机垂直输送试验方案..................................110 4.2.1试验目的................................................110 4.2.2试验方案设计............................................110 4.2.3试验内容................................................112 4.2.4测试数据处理............................................113 4.3试验测试结果与分析..........................................115 4.3.1垂直输送机底部进料能力分析..............................117 4.3.2垂直输送测试结果分析....................................118 4.3.3取料装置测试结果分析....................................124 4.3.4中间支撑物料通过性试验验证..............................127 VII 武汉理工大学博士学位论文 4.4试验对理论模型和仿真模型的检验..............................127 4.4.1测试值与理论值、仿真结果对比分析........................128 4.4.2误差分析................................................131 4.5本章小结....................................................132 第5章结论与展望..................................... 133 5.1全文总结....................................................133 5.2主要创新点..................................................134 5.3进一步研究工作展望..........................................135 参考文献............................................... 136 致 谢............................................... 143 攻读博士学位期间取得的研究成果.........................144 VIII 武汉理工大学博士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 随着世界船舶运输业集装化和散装化的飞速发展，大宗散货船舶接卸技术 已成为散货专业码头的核心技术，因而散货卸船技术与装备的研究已成为物料 搬运技术领域中一项重要的研究分支[1-3] 。 目前国内外散货卸船机主要有两大 类型:间歇式抓斗卸船机与连续式卸船 机。我国80%以上干散货的卸船作业由 间歇动作的抓斗卸船机完成，抓斗卸船 机虽然技术成熟、工作可靠，物料与船 型适应性强，但在卸船效率、能耗、粉 尘污染等方面的缺陷限制了抓斗卸船 机的发展。我国在岸边抓斗桥式卸船机 的研制领域处于世界领先地位，在全球 港口抓斗起重机市场占有较大的份额。 图1-1桥式抓斗卸船机 图1-1所示为正在码头作业的桥式抓斗卸船机。 连续式卸船机在取料能力与卸船机效率、机头动作灵活、封闭输送等方面 的优越性使连续卸船技术成为船舶接卸主流技术。连续式卸船机的种类较多， 有螺旋卸船机、链斗卸船机、斗轮卸船 机、悬链斗卸船机、夹皮带卸船机、波 纹挡边带式卸船机、埋刮板卸船机、气 力卸船机等[4-5] 。 连续式卸船机的应用实践表明:螺 旋卸船机由于卸船效率较高、对物料与 船型适应性强、返回分支、结构轻、动 作灵巧、封闭输送无污染等优点，在 连续卸船机的市场占有份额较高，是一 图1-2螺旋卸船机 种性能优良的连续型散货卸船机械[6]。随着散货卸船技术向高效、节能、环保发 1 武汉理工大学博士学位论文 展的趋势，螺旋卸船机在散货卸船应用上将越加广泛。图1-2所示为螺旋卸船机。 在螺旋卸船机设计生产领域，目前长期由国外公司垄断世界螺旋卸船机市 场的绝对份额，国内引进的螺旋卸船机也都是以引进、吸收为主，没有自主创 新性。因而研制先进的高效节能环保的螺旋卸船设备，打破国外的技术封锁， 填补我国在螺旋卸船技术领域的空白，已成为我国散货卸船技术领域急需解决 的重大研究课题。垂直输送机理作为螺旋卸船机的关键技术，对其进行深入的 理论与试验研究，成为研制与推广高效节能环保卸船机的急需解决的首要问题。 1.2 螺旋卸船机机理研究现状 国内外研究学者对螺旋卸船机进行了较多的研究，主要集中于对垂直螺旋 输送机理、垂直螺旋卸船机输送效率、选型及螺旋叶片优化、垂直螺旋输送过 程仿真分析等。 1.2.1垂直螺旋卸船机输送机理研究 国外对垂直螺旋输送机理研究开展较早，先后出现了三种不同的研究理论: 单质点理论、流体力学理论、颗粒群理论。 1.2.1.1单质点理论 采用单质点描述垂直螺旋卸船机输送机理的理论首先由 Emhremidis、 Vierling、Sinha等学者[7]提出，其核心思想是将螺旋面上的物料简化为单一质点， 给予临界转速 nk的定义，对该质点的运动与受力进行分析。该质点受到重力沿 螺旋面方向的分力、垂直于螺旋面的重力分力所产生的摩擦力、物料因高速旋 转而产生的离心力作用于螺旋管壁所产生的摩擦力的相互作用达到动态平衡。 根据三种力系的平衡条件，建立物料处于稳定输送状态时的受力平衡方程，提 出求解物料临界转速的解析方法，进而确定垂直螺旋输送段的输送量与功率的 计算公式。 对于充填率低、螺旋转速较小时的螺旋卸船机，采用单质点方法进行描述 和研究，并用于螺旋卸船机的设计较符合实际，有一定的参考价值[8-9] 。但当螺 旋转速较大、充填率较高时，单质点理论因忽略物料在螺旋纵向截面内的分布 特性、物料颗粒内部之间的相互作用力、物料在管壁与螺旋面上的压力分布特 2 武汉理工大学博士学位论文 性，与物料在螺旋卸船机内的实际分布及受力状态不符，采用单质点方法进行 计算就导致与实际结果相差较大，已不适用于高充填率高转速垂直螺旋卸船机 的设计。 1.2.1.2流体力学理论 在对高充填率的的垂直螺旋卸船机输送机理进行研究时，研究者发现单质 点理论所做假设与物料在螺旋卸船机内的运动状态严重不符，运用单质点理论 计算的结果于实际卸船机测试结果误差较大，故 Nilsson和 Rademacher等学者 [10]提出将流体力学理论引入来分析高充填率下螺旋卸船机输送机理的方法，即 流体力学法。其核心思想是把散粒物料抽象为理想流体，从而给予理想流体特 征对在垂直螺旋输送过程中整体物料颗粒群的流动规律进行分析，建立各种情 况下的物料自由表面曲线方程、压力分布函数及力矩平衡方程，并求出相应的 解析解。 然而在实际的垂直螺旋输送过程中，散粒物料的运动状态与理想流体的流 动形态存在较大差别。因为理想流体假设其粘度为零，即运动中理想流体内部 各层分子之间切应力为零，如同散体物料没有内摩擦力，且理想流体的密度在 流动过程中始终保持不变，其各层处的速度散度也为零。但散体物料在螺旋输 送中时，物料因随螺旋高速旋转所产生的离心力对输送管内壁形成压力，及自 身重力对螺旋叶面的压力，因压力受到输送管壁与螺旋叶面的摩擦力作用，以 及散体物料内部形成的挤压应力和摩擦力[11]，这些作用力按流体力学理论即为 理想流体的粘性应力。若将螺旋输送中的散体物料视作理想流体，则由于理想 流体的前提假设，在理论上将其粘性力视作为零，但散体物料能实现螺旋输送 的本质在于上述多种压力及因压力导致的摩擦力来提供物料垂直输送的动力。 因而流体力学法所做假设及研究过程与实际的垂直螺旋输送过程严重不符，导 致流体力学法在实际的螺旋卸船机的分析设计中未能得到较好的应用。 1.2.1.3颗粒群理论 因为单质点法和流体力学法在实际使用中均存在一定的局限性，针对这种 缺陷，研究学者对上述两种理论进行了修正与拓展。HansGabler与 Bottcher等 学者进而提出了颗粒群法。颗粒群法是将散体物料视作为颗粒群，并以颗粒群 为研究对象对垂直螺旋输送机理进行研究[12] ，并指出当垂直螺旋的充填率及螺 旋转速不同时，在过螺旋轴心的纵向截面内物料的分布特性不同，定义了物料 3 武汉理工大学博士学位论文 在稳定输送过程中形成四种不同的自由表面(即物料自由边界)类型，建立了 物料自由表明曲线方程及判定条件，和物料在纵向平面内的应力分布函数与力 矩平衡方程。 有别于单质点理论，颗粒群理论考虑了物料颗粒在过螺旋轴心的纵向截面 内的分布特性，并且认为由于物料旋转产生的离心力和物料自身重力产生了物 料与螺旋管壁之间的侧压力。而且颗粒群理论考虑了颗粒之间的内摩擦力的影 响，这是与流体力学法有区别的[13] 。 考虑螺旋转速和充填率两个因数，物料在螺旋轴、螺旋叶面、螺旋管内壁 之间形成的自由表面形状可划分为四类。从充填率 , , 0.5和, , 0.5两种类别对 垂直螺旋卸船机稳定输送时的物料自由表面形态进行分析划分[14] ，单个螺距内 的物料自由表面可分为四种类型:第一类自由表面，物料的外部约束边界为螺 旋轴、螺旋叶面上表面与螺旋管内壁;第二类自由表面，物料的外部约束边界 为螺旋叶面上表面与螺旋管内壁;第三类自由表面，物料的外部约束边界为螺 旋轴、螺旋叶面上表面与下表面、螺旋管内壁;第四类自由表面，物料的外部 约束边界为螺旋叶面上表面与下表面、螺旋管内壁。 应用颗粒群法，对应于不同的充填系数,，螺距h，螺旋旋转角速度,，螺 旋轴直径 R0，螺旋管壁直径 R，可对物料输送时形成的自由表面状态进行判定， 建立自由表面曲线方程，根据受力平衡求得物料的应力分布函数、物料的输送 角及螺旋轴向输送速度、物料输送阻力矩，从而计算螺旋卸船机的生产率与驱 动功率等性能参数。 1.2.2螺旋卸船机输送效率、选型及螺旋叶片优化研究 鉴于螺旋卸船机结构简单，且可以做到连续封闭输送，因此在散粒体物料 的输送作业中有着广泛的运用，国内学者对于垂直螺旋卸船机也有较多的研究。 螺旋卸船机的输送效率是评价螺旋卸船机性能的重要参数，根据设计手册 计算公式计算所得螺旋轴所需驱动功率值与实测值误差较大，因此有许多学者 对垂直螺旋输送效率进行了相关的研究。庞美荣和王春维[15] 等学者以实例数据 和垂直螺旋输送机理的理论分析为基础，推导了一个用于计算垂直螺旋卸船机 输送效率的经验公式，为工程螺旋卸船机的效率计算提供了一种简便的方法。 武汉交通科技大学李勇智和蒋琼珠[16] 等学者研究了高填充率下垂直螺旋卸船机 中散体物料的运动特性，依据散体力学基本原理建立了散体物料对螺旋管壁， 4 武汉理工大学博士学位论文 螺旋轴，螺旋叶片压力的数学模型，并以此为依据得出垂直螺旋卸船机的功率 和生产率的理论计算方法。孟文俊与王晓竑[17]等学者采用 k-ε湍流双方程 模型对螺旋卸船机内物料的运动密度进行了理论研究，并利用 FLUENT流体工 程仿真软件对垂直螺旋卸船机内的散体运动密度进行了仿真，通过计算机仿真 研究螺旋卸船机的输送效率。 螺旋卸船机的工作原理相较于其他工程机械来说比较复杂，许多学者对如 何合理的进行垂直螺旋卸船机的选型这一问题进行了研究。李勇智[18] 等学者在 对垂直螺旋卸船机中物料的运动与受力进行了分析，并通过辅助变量的引入， 导出了物料垂直输送速度与螺旋线速度的隐函数关系，并以此为依据提出了按 输送效率最高为设计原则的垂直螺旋卸船机的设计选型方法。李英、许诺、刘 光蓉[19]等学者在垂直螺旋卸船机设计的基础上，以 Visual C++ 6.0为平台， 实现了水平螺旋卸船机的计算机设计选型。韩其迎[20] 等人通过对螺旋卸船机实 际使用经验的总结，指出了使用摆线针轮减速机替换圆柱齿轮减速机，以保证 螺旋卸船机传动更平稳;采用变螺距技术提高螺旋卸船机的输送能力等设计改 进意见。赵立新和丁筱玲[21] 等学者从设计计算、螺旋卸船机及配套驱动装置的 选用和螺旋卸船机的安装与调整等方面对垂直螺旋卸船机的设计选型方法进行 了研究。 螺旋叶片是螺旋卸船机的重要组成部分，其结构尺寸是螺旋卸船机性能的 主要影响因素。赵红霞，刘建寿，李志荣和常松芝[22] 学者从螺旋叶片结构尺寸 出发，利用单质法推导了螺旋叶片结构对于螺旋卸船机输送效率的影响，并进 行了螺旋叶片结构尺寸的优化研究。在螺旋卸船机工作过程中，经常发生物料 破损的情况，为解决这一问题，任加莉[23] 等学者对螺旋叶片的设计方法进行了 研究。宋诚生和董玉德[24] 等学者，提出了以许用挠曲率作为螺旋叶片的刚度条 件，并以此为依据进行了一定绕曲率下螺旋叶片寿命的预测方法，从螺旋叶片 的寿命的角度提出了螺旋叶片的优化设计方案。 现阶段，国内学者及相关研究设计单位在新型螺旋卸船机的研制方面也有 所建树。为替代垂直螺旋输送与水平螺旋输送组合的螺旋卸船机，研制了大倾 角螺旋卸船机，使得制造成本和操作控制难度降低，大幅提高了工作效率[25] 。 变螺距螺旋卸船机采用变螺距螺旋轴[26] 料填充率，从而保证了输送段的物料填充率，优化了螺旋卸船机的取料与输送 ，使得螺旋卸船机喂料口处有较高的物 过程。 5 武汉理工大学博士学位论文 1.2.3垂直螺旋卸船机输送过程仿真研究 国外对螺旋卸船机输送过程的研究从十九世纪六十年代到现在，研究内容 及方法的诸多研究成果见于文献中。主要集中于对螺旋卸船机输送中物料的流 动状态进行理论及计算机仿真研究。 处于稳定输送时，螺旋卸船机内物料流动状态的研究是一大方向。Bates[27] 等学者将各种螺旋与物料进行组合，研究了不同组合下螺旋卸船机内物料的流 动状态。Yu和 Arnold[28] 等学者提出了基于螺距特征表征物料均匀流态的理论模 型，为研究螺旋卸船机内物料的流动状态研究提供了一种方法。 Roberts和 等学者先后提出了描述物料均匀沉降的理论模型，用于预测给定螺旋卸 Willis[29] 船机料斗中物料的流态。Roberts和 利用基于料斗中散货沉降特性 Manjunath[30] 的方法对螺旋给料机的性能进行了分析。 随着离散元理论的创立与发展，运用离散元理论对螺旋卸船机进行仿真研 究成为国外的研究热点。 Shimizu和 等学者首次将离散元法引入螺旋卸船机的分析研究， Cundall[31] 对螺旋卸船机内的颗粒流进行离散元法建模和仿真，探究了水平和垂直螺旋卸 船机的性能并将其与前人的工作进行了比较。 Cleary[32]利用离散元法研究了物料从 45?倾角螺旋卸船机的料斗向下 沉降 的模式。Cleary[33] 随之利用离散元法进一步研究了颗粒形状对沉降模式和螺旋 卸船机输送特性的影响。McBride和 Cleary[34]则利用离散元法对在螺旋管旋转 而螺旋叶片固定的螺旋卸船机进行了研究。 对于螺旋卸船机相关结构部件对输送性能的影响也有较多的研究。 Fernandez，Cleary和 利用离散元法研究了不同类型螺旋铰刀(如螺 McBride[35] 旋叶片外径变化，螺旋轴轴径变化，螺旋螺距变化)对总质量流量、质量流量 沿螺旋的分布、物料沉降模式、功耗和螺旋磨料磨损的影响，为螺旋铰刀的设 计提供了理论依据。Marinelli[36] 则研究了螺旋给料机与其进料箱的最优匹配问 题。 随着离散元理论研究的发展，出现了周期性边界条件这一理论建模创新， 并随之运用到螺旋卸船机的仿真研究中。 对于长距离输送的螺旋卸船机研究方面，Owen[37] 等学者在利用离散元法建 模时引入周期性边界条件，研究了长距离螺旋卸船机的性能。Owen和 Cleary[38] 6 武汉理工大学博士学位论文 随之推进了这项研究。 对于单螺距螺旋卸船机在不同工况下输送过程的研究方面， Owen和 Cleary[39] 利用离散元法设定周期性边界条件，对其工作过程进行仿真，研究了 工作条件(如螺旋转速，体积充填率和螺旋倾角)的改变对螺旋卸船机工作性 能(如颗粒输送速度，质量流量，能耗)的影响。发现水平和垂直螺旋卸船机 输送物料时的预测质量流量与实验测量值吻合较好，但当倾角为 30?和 60?时，离散 元法预测值在定性趋势上正确但适度低估了质量流量的大小(相对实验值分别 小了 16%和 24%)。 对于螺旋卸船机所输送物料的颗粒形状、颗粒与颗粒及颗粒与颗粒边界间 摩擦系数对输送性能影响的研究方面，Owen和 Cleary[40]等学者利用离散元法 探究了颗粒形状，颗粒之间和颗粒边界之间摩擦的改变对上述预测值与实验值 之间差异的影响，并发现颗粒形状和摩擦属性对螺旋卸船机的性能(如颗粒输 送速度，质量流量)影响甚微。 1.3 螺旋卸船机的发展及存在问题 1.3.1国外螺旋卸船机发展现状 垂直螺旋卸船机主要应用于港口卸料、仓储装卸等现代化物流产业。国外 对垂直螺旋卸船机的应用较为广泛，I BAU HAMBURG设计研发的螺旋卸船机 如图 1-3所示。该卸船机卸料时，喂料器进行强制吸料，散体经两节垂直螺旋 卸船机输送到水平螺旋卸船机，经第 二节水平螺旋卸船机将散体输送到 卸料终端，其卸料能力可达 400t/h[41] 。国内对这种多功能螺旋卸 船机还不具备研发能力，主要受制于 喂料头的取料效率和垂直螺旋卸船 机的输送效率。因此，研制高效的垂 直螺旋卸船机是发展港口多功能螺 旋卸船机的关键所在。 图 1-3 I BAU HAMBURG螺旋卸船机 7 武汉理工大学博士学位论文 在世界范围内，芬兰 Cargotec公司的标志性产品 Siwertell螺旋卸船机 (图 1-4所示)长期垄断世界螺旋卸船机市场的绝对份额。 Siwertell螺旋卸船机的核心技术 主要是反转倾斜翼板取料技术和垂 直螺旋的中间支承技术。反转倾斜翼 板取料技术是以倾斜翼板与垂直螺 旋反向旋转取料，可保证垂直螺旋较 高的充填率，外螺旋或刮板可松散物 料以保证进料口处物料充足，易于达 到船舱各个角落，但对物料的流动性 依赖性高，卸船机平均效率较低。垂 直螺旋的中间支承技术采用与上下输 图 1-4 Siwertell螺旋卸船机 送螺旋连成一体的支撑螺旋，支撑螺旋上镶有一排硬质合金柱体，与外部轴瓦 形成滑动支撑，输送螺旋连续，物料通过性好。但对垂直螺旋轴、支撑螺旋及 支撑轴瓦的制造安装有极高的要求，当螺旋轴因外载荷或制造安装导致结构同 轴度误差时，引起螺旋轴局部结构受力极大，磨损极其严重，甚至卡死，进而 导致垂直卸船机能耗较高[42] 。 Siwertell 5000S系列机械移动式卸船机的一个显著特点是其能耗比气力式 卸船机低得多，仅为气力卸船机的 25%。其次，在卸船作业过程中，Siwertell 连续式卸船机的平均生产效率，可达到额定生产效率的 75%左右，比其他同类 产品要高得多，更比气力式水泥卸船机高 40%以上，可有效缩短卸船作业时间， 从而为水泥经营者节省大量运行费用。 国内相关厂商如杭州奥拓公司、无锡三合重工、上海亿辉公司、江苏广能 重工尝试螺旋卸船机的开发，均以引进、吸收、消化为主，技术创新不足，缺 乏自主知识产权。 国外螺旋卸船机领域的技术发展现状表明:螺旋卸船机仍有较大的技术创 新空间。通过对目前工程应用较多的倾斜翼板反向旋转物料进料过程的研究表 明，此种取料方式在一定条件下限制了螺旋卸船机生产率的大幅提升，且清仓 效果不好。目前对工程应用中的垂直螺旋连续式中间支承的研究也表明，此种 中间支撑结构因采用滑动支撑，在受到外载荷作用或制造安装导致的螺旋轴同 心度误差时，将产生极大的支反力，加剧螺旋轴及轴瓦等部件的磨损，甚至导 致螺旋轴卡死，在一定条件下导致螺旋卸船机能耗的大幅增加。 8 武汉理工大学博士学位论文 1.3.2 L型螺旋卸船机 通过对国外螺旋卸船机领域的技术发展现状及存在的问题分析，武汉理工 大学李勇智等人在取料方式、螺旋支撑方式及转料方式等方面进行了全面的技 术创新，提出了 L型螺旋卸船机，其构造如图 1-5所示。 图 1-5 L型螺旋卸船 机 L型螺旋卸船机主要由水平取料螺旋、取料螺旋旋转机构、垂直输送螺旋、 垂直支撑臂、水平输送螺旋、水平支撑臂、俯仰驱动杆、摇架、人字架、转台、 俯仰机构、平衡梁、倒料转筒、回转机构、门架机构、行走机构等部件组成。 L型螺旋卸船机工作过程为:水平取料螺旋在回转中对料堆进行连续取料 并输送到垂直螺旋输送管内进行垂直输送，物料经转料口进入水平输送螺旋管 内实现对物料水平输送，经卸料导筒到皮带输送机。与传统螺旋卸船机相比，L 型螺旋卸船机在以下方面进行了创新: (1)立铣式螺旋取料 立铣式螺旋取料装置采用可绕垂直螺旋中心回转的水平集料螺旋，水平螺 旋外管部分裸露，垂直输送螺旋下部半裸露。水平集料螺旋变螺距，回转驱动 机构设有力矩限制装置。立铣式螺旋取料装置的工作过程为:水平螺旋供料机 侧向敞口面对料堆回转，物料在供料机内轴向输送，压入垂直输送机下部敞口 处，垂直输送螺旋将物料提升。 立铣式螺旋取料装置的主要特点为:卸船效率高，卸船机常以额定卸船效 率工作，卸船能力的利用率高;卸船工艺先进，工作范围大，易于实现半自动 9 武汉理工大学博士学位论文 化作业;清舱量小;垂直螺旋常处于垂直状态工作，充填率高，降低垂直输送 能耗。 (2)滚动间隔式中间支撑 滚动间隔式中间轴承支座装置采用球面滚子轴承，内圈轴承座与外圈支座 用反向螺旋辐条连接，滚动轴承的固定方式保证螺旋轴具有轴向游隙保证轴承 仅受径向力，利用双平键和弧面齿传递扭矩，利用关节轴承和半轴向键传递轴 向力。 滚动间隔式中间支撑的特点为:滚动摩擦阻力小，可大为降低垂直螺旋卸 船机能耗;球面滚子轴承允许螺旋轴有一定的转角误差，降低对垂直螺旋轴的 制造精度要求;中间轴承的安装调整容易，可减小垂直螺旋与输送管的间隙， 保证垂直卸船机的输送性能;物料在中间轴承处可顺畅通过，卸船机在反向螺 旋辐条处的流量基本不受影响。 (3)同铰环状式转料 同铰环状式转料装置的主要结构特征为:垂直输送机向水平输送机的转料 采用以垂直臂上铰点与水平臂前铰点为圆心的环状滑移结构;水平输送机向回 转中心溜筒的转料采用以水平臂后铰点于固定支座铰点为圆心的环状滑移结 构。垂直向水平的转料装置中采用前端小螺旋用以耙集物料，垂直输送机顶端 采用一段反向螺旋。 同铰环状式转料装置的主要特点为:利用重力卸料使得;转料工作环节封 闭进行;适用于中置式桁架支撑结构的转接要求;垂直、水平输送机及支撑平 台布置紧凑。 1.3.3存在的主要问题 纵观垂直螺旋卸船机的研究及发展现状，目前在垂直螺旋输送机理研究方 面仍存在一些问题。如现有三种垂直输送机理与实际物料垂直输送过程中的运 动及受力状态存在差异。在垂直螺旋中间支撑结构上，目前工程中应用于垂直 螺旋轴的滑动连续式中间支撑方式在一定条件下会导致螺旋卸船机能耗的大幅 提升，且对零部件的制造安装工艺要求极高。滚动间隔式中间支撑的理论研究 表明能大幅降低输送机空载能耗，物料能顺利通过滚动间隔式中间支撑处的反 向螺旋辐条，但其实际效果还需经过计算机仿真及试验验证。 10 武汉理工大学博士学位论文 1.3.3.1垂直输送机理 (1)单质点理论 单质点理论将物料视作一个单独的运动质点，通过对此单质点在稳定输送 中的受力分析，定义其临界转速并求解。然而在进行受力分析时，单质点法未 考虑质点间的相互作用力(物料颗粒内的作用力)以及物料在过螺旋轴心的截 面内的分布特性，而随着螺旋转速增大，充填率变大时，物料间的作用力增大， 物料对螺旋叶面及螺旋管内壁的应力分布亦发生较大变化，这些变化导致与实 际输送过程产生较大的误差。因而在高螺旋转速、高充填率条件下的垂直螺旋 卸船机设计中已不能采用单质点法作为理论基础。 (2)流体力学理论 流体力学理论将散体物料视作为理想流体，一定程度上考虑了物料在螺旋 叶面上的分布特性，但却假定流体内部无粘性，未考虑散体物料与理想流体之 间的本质区别，与散体实际受力及运动状态不符而导致较大的计算误差，致使 没有得到广泛应用。 (3)颗粒群理论 作为现有对高充填率垂直螺旋卸船机进行研究的一种较成熟理论，颗粒群 理论以质量守恒定理为依据，与真实情况很接近。但其在旋转前后物料体积保 持不变的假设与实际情况不符。原因为实际计算时是以物料自然堆积状态下的 堆积密度作为螺旋计算时的物料容重，当物料进入螺旋管内时，因高速旋转导 致物料容重发生必然的改变。从质量守恒定理可知，物料容重的变化必引起体 积改变。颗粒群理论模型假定物料径向转速从螺旋轴处到螺旋管内壁处转速 [37] 不变，与物料实际运动状况不符，故该模型为简化力学模型。鉴于上述两点， 运用物料颗群法对垂直螺旋卸船机进行分析计算时也必然存在较大的误差。 1.3.3.2垂直螺旋中间支撑分析 芬兰的 Siwertell螺旋卸船机技术处于绝对领先地位，有较大的市场占有率， 但价格昂贵。垂直螺旋的中间支承技术是 Siwertell螺旋卸船机的核心技术。 Siwertell螺旋卸船机垂直螺旋中间支撑采用滑动连续式中间支撑形式，为现有 垂直螺旋输送中普遍采用的中间支撑形式。滑动连续式中间支撑形式与垂直螺 旋的形式相同，采用与上下输送螺旋连成一体的支撑螺旋，螺旋叶片保持连续， 支撑螺旋上镶有硬质合金柱体，与外部轴瓦形成滑动支撑，从而保证了垂直输 11 武汉理工大学博士学位论文 送螺旋连续，物料通过性好，物料输送连续流畅。但其缺点是这种支撑形式决 定了螺旋叶片、中间支撑处的外部轴瓦内壁及输送管内壁之间的同轴度等制造 精度要求极高，且三者之间间隙受到严格限制。此种设计对垂直螺旋轴、中间 支撑螺旋及支撑轴瓦等部件的制造与安装提出了极高的精度要求，对输送螺旋 及支撑螺旋的受力带来严重影响，在实际使用中轴瓦与支撑螺旋磨损也较大， 既增加了整机的功率损耗，也因部件过度磨损而导致零件使用寿命缩短。 1.4 论文的研究意义与内容安排 1.4.1论文的研究目的与意义 随着散货卸船机向高效、节能、环保发展的趋势，螺旋卸船机作为一种性 能优良的连续型散货卸船机械，未来将会广泛应用在散货卸船领域，对其进行 研究开发将会产生较大的经济效益与社会价值。 本文针对垂直螺旋卸船机在垂直输送机理及垂直螺旋中间支撑结构进行研 究改进，并通过离散元仿真及试验方法对垂直输送底部进料、垂直输送及中间 支撑处物料运动过程进行研究。 通过对垂直螺旋输送机理的理论建模与分析，探索垂直螺旋卸船机内物料 颗粒群的相关运动规律，包括确立物料运动特征参数、确定物料的自由表面、 确定物料边界的压力分布规律，获取垂直螺旋输送机性能参数的计算模型。通 过分析输送机的输送量及阻力随螺旋转速、物料充填率、螺旋直径及螺距等因 素的变化规律，为垂直螺旋输送机主要参数的确定提供完备可靠的设计方法。 通过对物料的相关物性参数及垂直螺旋输送过程进行仿真，获取被卸物料 特性参数、垂直螺旋输送性能参数的变化特性、取料装置供料能力随自转转速 及集料螺旋转速的变化关系等，验证物料在滚动间隔式中间支撑处的通过性， 寻求滚动间隔式中间支撑结构的设计准则。揭示和模拟物料在垂直螺旋输送机 取料、垂直输送、中间支撑处的运动状态和规律，为垂直螺旋输送机设计与改 进提供依据。 通过对螺旋卸船机垂直输送机理及相关的取料过程、物料中间支撑通过性 进行试验研究，揭示输送机进料口极限进料量的规律，获取垂直输送及取料过程 的相关变化曲线，验证理论模型的正确性，为输送机的实际工程应用提供参考。 经实验检验的垂直螺旋输送机理的理论与方法，为同处于重力场和离心力 12 武汉理工大学博士学位论文 场的物料颗粒群的力学特性分析作出范例，在散体力学、连续介质力学、散货 装卸机械设计理论等领域具有重要的理论意义及学术价值。 1.4.2论文主要研究内容 论文主要研究内容安排如下: 第 1 章绪论。介绍螺旋卸船机研究背景，对螺旋卸船机国内外研究现状、 发展趋势及存在的问题进行分析。对垂直螺旋卸船机的理论研究现状进行重点 介绍。对单质点法、流体力学法、颗粒群运动法三种垂直螺旋输送研究方法的 优缺点进行分析。 第 2 章螺旋卸船机垂直输送机理的理论模型。应用散体力学、连续介质力 学及颗粒群理论对多头垂直螺旋输送机理进行理论建模与分析，建立垂直螺旋 卸船机内物料颗粒群稳定运动的散体力学模型。对螺旋槽内物料颗粒群的转速 作出假定，在进行物料运动分析基础上，确立物料运动特征参数、物料自由表 面类型及其判别、求解的方法、压力分布规律;建立物料运动特征参数、生产 率与螺旋轴驱动功率的计算模型并研究了其数值计算方法。应用输送机理分析 模型，对输送机的尺寸参数与性能参数的变化规律进行描述，为垂直螺旋输送 机主要参数的确定提供完备的设计方法。 第 3 章螺旋卸船机垂直输送过程离散元仿真分析。应用离散元理论及 EDEM软件，对物料的相关物性参数、物料的垂直螺旋输送过程、物料在输送 机底部的进料过程及在滚动间隔式中间支撑处的运动过程进行仿真。对不同充 填率及不同螺旋转速下垂直螺旋底部取料、垂直输送及物料在中间支撑处的运 动过程进行离散元仿真分析，获取垂直螺旋输送性能参数的变化特性、取料装 置供料能力随自转转速及集料螺旋转速的变化规律，对物料在滚动间隔式中间 支撑处的通过性进行仿真验证，探寻滚动间隔式中间支撑的设计准则。 第 4章螺旋卸船机垂直输送试验研究。以 L型螺 旋卸船机的取料及垂直 输送机头作为试验研究平台，对螺旋卸船机垂直输送机理及相关的取料过程、 物料中间支撑通过性进行试验研究。以垂直输送及取料机理试验台为基础，确 定试验台的测试参数、可调参数及变化范围、导出参数及推导方法;根据试验 目的制定试验方案和组合;对输送机进料能力、输送性能参数随螺旋转速及充 填率的变化关系、取料性能参数随取料螺旋转速及料堆高度的变化规律进行试 验研究;试验验证物料在中间支撑处的通过性;以试验数据为基准，对理论模 13 武汉理工大学博士学位论文 型和仿真模型进行检验。 第 5 章总结与展望。对全文的研究内容和主要创新点进行总结，并展望论 文的进一步研究工作。 论文整体研究框图如图 1-6所示。 理 散体力学、连续介质力学及颗粒群理论研究 论 建 模 多头垂直螺旋输送机理的理论建模与分析 及 数 值 求 输送机设计参数计算建模及数值求解 解 螺旋卸船机垂直 物料特性实验及 EDEM虚 输送段三维建模 拟标定，获取物料特性参数 仿 真 垂直输送 垂直输 垂直输 分 中间支撑 送底部 送离散 处物料通 取料仿 元仿真 析 过性仿真 真分析 分析 分析 螺旋卸船机垂直 输送试验台研制 试 验 螺旋卸船机 垂直输送试验 分 析 螺旋卸船机垂直 输送试验结果分析 图 1-6论文内容结构框图 14 武汉理工大学博士学位论文 第 2 章螺旋卸船机垂直输送机理的理论模 型 物料颗粒群在垂直螺旋输送机内经历了复杂的运动过程，呈现出复杂的受 力状态。要描述输送机的输送量及阻力随螺旋转速、物料充填率、螺旋直径及 螺距等因素的变化规律，必须对螺旋叶片内颗粒群的形体、运动规律和压力分 布规律进行深入的分析。本章试图以散体力学、连续介质力学及颗粒群理论为 基础对垂直螺旋输送机理进行理论分析，建立物料颗粒群的散体力学分析模型， 为垂直螺旋输送机的设计提供理论依据。 2.1 散粒体物料的物理及力学特性 散粒物料是螺旋卸船机垂直输送机理分析的研究对象，对其物理及力学特 性进行定义、测定及作出相关的假定，是垂直输送机理分析的基础。 2.1.1螺旋所输送散粒体介质的物理特性 2.1.1.1堆积密度与孔隙率 散粒体物料在堆积状态下单位体积所占的质量称为散粒体的堆积密度。堆 积密度可以用下式表示: , 0 , G0 , g1 (2-1-1) V1 式中:, 0——堆积密度; G0——容器及散货总质量， kg; g1——容器质量， kg; V1——容器容积， m 3 螺旋所输送散粒体介质可用常规方法确定。 。 通常情况下，散粒体物料的颗粒与颗粒之间存在着一定的间隙，这种间隙 称为空隙。由于空隙的存在，散粒体物料在堆积状态下单位体积的质量比理想 情况下单位体积物料所占的体积要小[43] 。 15 武汉理工大学博士学位论文 孔隙率 n可用下式表 示: V0 n , V1 ，V0 (2-1-2) 式中: n——孔隙率; V0——孔隙体积; V1——固体体积。 在垂直螺旋输送过程中，由于螺旋转速较高，颗粒之间的空隙较小，孔隙 率取值可近似为 1~1.1。 2.1.1.2粒度及粒度组成 粒度，物料颗粒按其颗粒尺寸大小的数量分布称之为散粒物料的粒度及粒 度组成，颗粒的粒度用线尺寸表示。 散粒体的粒度组成是指散粒体按大小不同颗粒的分布情况占总体质量的百 分比。在计算粒度组成时，按照粒度的最大尺寸计算。 对于颗粒尺寸小于 0.1mm的物料，一般采用沉降法分析粒度组成。不同大 小的颗粒在液体或气体中具有不同的沉降速度，利用这一原理可以对散粒体的 颗粒组成进行分析。 而对于粒度尺寸大于 0.1mm的散粒体，一般采用筛分法分析粒度组成。进 行筛分时，让散粒体物料通过一系列尺寸不同的标准筛孔，通过留在各层筛孔 之上的物料质量来分析散粒体物料的粒度组成。图 2-1为筛分法确定散粒体物 料粒度组成的示意图[44]。 图 2-1筛分法示意图 螺旋卸船机的常见被卸物料如原煤、水泥、谷物、化肥，可认为是均匀分布 的颗粒群，机理研究中由粒度及粒度组成所引起的误差可由试验进行修正。 16 武汉理工大学博士学位论文 2.1.1.3堆积角 散粒体物料在水平面上自然堆积成锥形时，能够保持的稳定时，自由表面 与水平面之间的最大角度称为堆积角[45] 。堆积角是评价散粒体物料流动性的重 要参数。堆积角越小，散粒体物料的流动性越好，散粒体物料的物理特性就越 接近液体;堆积角越大，散粒体物料的流动性越差，散粒体物料的物理特性就 越接近固体。图 2-2为堆积角示意图，图中 α表示堆积角。 图 2-2堆积角示意图 物料的堆积角与颗粒之间的内摩擦特性密切相关，可通过测定物料堆积角 来计算物料内摩擦系数。 2.1.1.4磨损性与磨磋性 散粒体物料是许多工程机械的作用对象，在作业过程中，散粒体物料与工 程机械的工作机构作用时难免会产生摩擦。当散粒体物料与接触材料之间的摩 擦达到一定程度时，接触材料会发生磨损破坏。散粒体物料对固体接触材料在 运动过程中的磨损性质，称为散粒体物料的磨损性，一般用固体接触材料的相 对磨损量来标定。一般根据颗粒的硬度将散货的磨损性分为十个等级[46] 。 散粒体物料颗粒具有不同的形状，其中可能含有一些有尖锐棱边的颗粒， 这种物料对接触表面固体材料的运动破坏称为散粒体物料的磨磋性。磨磋性与 磨损性并不相同，比如煤作为一种有自润滑特性的散粒体物料，其磨损性很低， 但是一些带棱边的煤块在对接触材料高速冲击时，也有可能造成接触材料的破 坏。这种破坏，并不是有磨损性造成的，而是由磨磋性造成的。 物料的磨损性与磨磋性对垂直螺旋叶片的工作寿命有重要的影响。 2.1.2连续介质假定 对于螺旋卸船机常见的散粒体砂石、原煤、水泥、谷物、小麦、矿石，散粒 17 武汉理工大学博士学位论文 体是指由大量不同形状、不同大小的固体颗粒所组成的机械混合物，通常为一 些松散的物料堆。物料的力学特性上与固体与液体存在较大差别，对采用数学 方法分析研究带来不便。为了解决这一问题，在经典的散粒体学理论中，把散 粒体假定为由无数连续分布且各向性同的颗粒所组成的连续介质。 连续介质假定是经典散体力学的基本假定之一，由于散粒体的颗粒与孔隙 相较于容器或工程机械工作机构的尺寸来说非常微小，因此在宏观上将散粒体 视为连续介质在理论分析上具有一定的可信度，对物料的垂直输送过程较为符 合实际状态，同时也能满足工程实际的计算精度。 在连续介质假定之下，散粒体内部颗粒与颗粒之间的接触力，可以视为整 体连续介质的内应力进行计算与研究。当容器较小或者散粒体颗粒较大时，连 续介质假定可能会导致计算结果的不精确，但是连续解释假定为散粒体的破坏 与滑移形式研究打下了基础。 2.1.3散粒体的应力状态 在连续介质假定的前提下，可将螺旋面上散粒体内部颗粒之间的相互作用 视为内应力进行研究。 对受力颗粒体的任一点在某些特定截面的应力状态进行分析。建立柱面坐 标系研究管内某点A r,,,z处物料颗粒的应力状态。为此用截面法取出一个包 ， ， 含 A点的微单元(图 2-3)，由于物料之间的相互作用，单元体上有 ,r,,,,,z,,rz,,z,,,,r六个应力分量。在以下分析中约定当逆截面外法线方向的 正应力为正，反之为负;当截面外法线顺坐标轴正向时剪应力以指向坐标轴正 标轴反向为正[47] 向为正，反之为负;当截面外法线与坐标轴正向相反时，则剪应力分量指向坐 。 18 武汉理工大学博士学位论文 y z , r dz ,, , , , ， d,1 ,,1 , r, ,,,r r ,,r ， d,1 2 ,,1 m, r , , r z dr , r, ， ,, r, dr ,r ,, , y ,, r , r ， dr d, ,r x x a b z ,, n n ， dz , ,z ,, n , n ， dz ,,1 ,, ,z , ,z ， d,1 , ,,1 ,, , , , ， d, 1 , , ,, 1 , ,z , n , n y x c 图 2-3物料单元的应力分析 但是，若将散粒体的平衡视为空间应力问题，太过于复杂，因此在经典散 粒力学理论中，一般将散粒体的平衡问题转化为为平面应力问题。如图 2-4所 示，在散粒体内部取一个楔形单元进行研究[45]。 19 武汉理工大学博士学位论文 图 2-4楔形单元示意图 其平衡条件如下: ,, cos, ，, yx sin, ,, cos, ，, sin, , x (2-1-3) , , sin, ，, xy cos, ,, sin, ,, cos, , y , 解出上式可得: 1 1 , , 1 , x ，, y ， , x ,, y cos2, ， , xy ，, yx ， ， ， ， (2-1-4) sin 2, ，， 2 2 2 1 1 , , 1 , x ,, y sin 2, ， , yx ,, xy , , xy ，, yx (2-1-5) ，cos2, ， ， ， ， ， 2 2 2 将解出的力对图 1-6(b)中圈出的角取矩可得: 2 , ,, y sin , ，, x cos , ， 2, xy sin, cos, (2-1-6) 2 1 , 1 , x ，, y ， , x ,, y cos2, ，, xy sin 2, ， ， ， ， 2 2 式(2-1-4)与式(2-1-6)相等，可以得到: , xy ,, yx 因此式(2-1-3)可以写成: 1 , , 1， , x ，, y ， , x ,, y cos2, ，, xy sin 2, ， ， ， 2 2 , , 1 , x ,, y sin 2, ,, xy cos2, ， ， 2 将上两式分别平方后相加，整理得 20 武汉理工大学博士学位论文 2 2 x ，, y , ,, x ,, y , , ,, , 2 2 ，, , ，, (2-1-7) , , xy , , 2 2 , , , , 莫尔应力圆(图 2-5)提供有效的几何分析方法，由此圆方程计算对应于任 意一个设定,角的,和,值。用莫尔应力圆法可以直观的展现散粒体内应力与楔 形单元楔角之间的关系。 , , C 2a1 a1 2 , , 2 ,1 ，, 2 2 ,1 图 2-5莫尔应力圆示意图 2.1.4散粒体的极限平衡状态 散粒体的破坏与固体材料有很大的不同，根据经典散体力学原理，当散粒 体物料某一平面上的切应力到达某一数值之后，散粒体将会发生剪切破坏，这 个数值与压应力大小有关。通过大量的实验，1776年库伦总结出了散粒体剪切 破坏的基本规律[46]:当散粒体某一平面上的剪应力,与正应力,的比值超过某 一数值时，散粒体将会沿着这个平面发生剪切破坏，用极限平衡方程式表示为: , =, tan, (2-1-8) 式中，,为物料内摩擦角， tan,的值即为物料的内摩擦系数。 由于散粒体内一般存在一定的粘结力，也即在正应力, =0的情况下，散粒 体也能承受较小的剪切力，称为初始剪切应力, 0 [47]。考虑初始剪切应力的影响， 极限平衡方程为: , ,,0 ，, tan, (2-1-9) 图 2-6为两种极限平衡剪切曲线的示意图: 21 武汉理工大学博士学位论文 , , ，,，tg, tg, ,,, 0 , , ， , , , , , (b) (a) 图 2-6极限平衡剪切曲线示意图 如图 2-7散粒体极限平衡状态莫尔圆示意图所示，在，,,,，坐标系中通过一 条 IYF直线表示散粒体的极限平衡条件。散粒体内任一点的应力状态可由莫尔 应力圆表示。当散粒体内任一点的莫尔圆在 IYF下方时，散粒体处于静止状态; 当散粒体内某一点的莫尔应力圆与 IYF相切时，散粒体处于临界平衡状态，此 平衡条件称为莫尔—库伦定律。 IYF , S C ,2 A B 0 , , 3 ,1 ,2 , P ,`,1,2 S` IYF 图 2-7散粒体极限平衡状态莫尔圆示意图 用横向剪切试验或三轴剪力仪所测定物料内摩擦角、用垂直堆积高度所测 定的初始剪应力是反映物料内摩擦特性和物料粘性的主要参数。 2.2 垂直螺旋输送物料运动分析 垂直螺旋卸船机在进行物料输送时，当螺旋叶片以转速,s带动输送管内的 物料颗粒群旋转时，物料颗粒群被加速而转动，在由旋转所产生的离心惯性力 作用下，物料逐步向螺旋管壁及螺旋叶面移动，并与之紧贴，加上物料自身所 受重力，从而对螺旋管壁和螺旋叶面产生压力，进而引起螺旋管壁和螺旋叶面 22 武汉理工大学博士学位论文 作用的摩擦力，该摩擦力阻止物料随螺旋叶片一起旋转，且摩擦力随螺旋转速 的增大而增大。当摩擦力超过某个定值时，将使得物料与螺旋之间产生相对运 动，物料具有垂直向上的运动分量，从而实现物料的垂直输送。 2.2.1螺旋面上物料的运动假定 以颗粒群为研究对象对垂直螺旋输送机理进行研究，要完成对螺旋面上物 料的运动分析，必须作出必要的运动假定。以往对颗粒群的相关分析，假定物 料在螺旋径向上转速相同，物料转速不以所处半径而发生变化，并在此基础上 建立了相应的计算模型，这种方法模型简洁，求解方便，但与物料的实际状态 有一定误差。 由试验观测到:物料输送过程中物料的角速度沿径向是有改变的，其变化 趋势是随 r的增大而减小。由于物料在螺旋叶片上的相对运动是由外管壁的摩 擦所引起并由外至里逐层传递的，径向相邻颗粒沿接触面有微小滑动，而靠近 外管壁的物料的转速略低于靠近螺旋轴物料的转速。 由于物料转速的变化，处于外侧的物料的径向速度小于内侧物料的径向速 度，但是外侧物料的轴向速度却大于内侧物料的轴向速度。这也与试验观察的 结果相吻合。 因此，本文在对垂直螺旋输送管内的物料进行运动分析时，将散粒物料视 为理想粘性散粒物料[47] ，并对给定充填率条件下的垂直螺旋输送段内处于稳定 输送的物料颗粒群的运动做出以下假定: (1)物料颗粒群在螺旋直径方向上无运动分量，物料颗粒群仅在各自半径 所形成的圆柱面内运动; (2)物料转速径向发生变化，沿即位于螺旋面上任意半径处的径向相邻物 料颗粒群发生相对滑移，处于极限平衡状态; (3)物料转速沿径向的变化规律为:在由螺旋轴到螺旋管壁之间物料转速 由大变小线性变化。 设物料转速为,，螺旋转速为,s，物料在螺旋面上任意处半径为 r，螺旋 叶片半径为2 2 R，螺旋轴半径为 R0，假定物料转速, r=,s (c1r ，c2R)，c1、c2为常数。将边界条件 r , R0时, ,,s;r , R时, 与螺旋转速变化关系为 2 2 ,,R带 , r=,s 入 (c1r ，c2R)， 23 武汉理工大学博士学位论文 k ,1, ,s ,,R ， 1 令: ,s p p ,1,,不变 则: p=,，,=,s ,R 令: kw , ,s R0 R , kR 解得: , R , k w2 , k 2kR c1 , k 2 R0 , k 2w , R , R0 1, kR , (2-2-1) , 2 2 , kw kR(k , c2 , ) , 1, kR , 则物料转速,为: , , ,s 1r (c1r ， c2R) (2-2-2) 由上述公式可知，螺旋转速,s、螺旋轴半径 R0与螺旋叶片半径 R 为设计给 定参数，kw、kR为中间变量，其值只与物料运动特征参数有关，c1、c2可通过 公式(2-2-1)求得。由公式(2-2-2)可知，当物料转速 ,R确定，则物料沿螺 旋面任意半径处的转速,即可确定。 2.2.2螺旋面上物料的运动分析 当螺旋轴转速 ,s , ns时，物料颗粒群在离心惯性力作用下与螺旋管壁紧 贴，加上物料自身所受重力，从而对螺旋管内壁和螺旋叶面产生压力，进而引 起摩擦力增大，使得物料的旋转速度小于螺旋叶片的旋转速度，即物料与螺旋 之间产生相对运动，物料即获得向上的运动分量，从而实现物料的向上运动， 进行垂直输送[48-49] 。 24 武汉理工大学博士学位论文 图 2-8物料速度分析图 对垂直螺旋卸船机工作中物料颗粒群进行运动分析都是基于螺旋转速 ,s , ns。取半径 r处的微物料元沿螺旋面展开进行运动分析，基于相对运动理 论，由图 2-8物料速度分析图可知该微物料元的绝对运动是由两种运动合成: ?牵连运动为绕螺旋轴旋转的回转运动;?相对运动为物料在螺旋展开线方向 上与螺旋叶面之间的相对运动。将物料的绝对速度进行运动分解为物料的圆周 速度vB与垂直速度vZ [1]，物料运动的螺旋升角为, [50-51]。 对图 2-8所示进行运动分析，则物料沿垂直螺旋轴轴向输送线速度为: H , ，,s ,,， 2H, v tan vz 2,r ,，vs , ， , ,，,sr ,,r， B 式中:H——螺旋螺距; ,——物料转速。 物料轴向速度vz为: vz , (,s ,,) 2H, (2-2-3) , ,s(1, 1r (c1r ， c2R)) 2H, 物料径向速度vB为: (2-2-4) 1 vB , ,r , ,sr (c1r ， c2R) r , 物料上升角度满足的函数关系式为: 25 武汉理工大学博士学位论文 ,s(1, 1r (c1r ， c 2R)) H 1， c R2) 1r (c rH 1, tan, , v 2, , z (2-2-5) , ,sr 1r (c1r ， c 2R) 1r (c r1， c R2) v 2, B r 由上述运动分析可知，物料轴向速度vz、物料径向速度vB及物料上升角度 ,等物料运动参数均由,R确定，表明,R是反映物料运动的重要参数，本文定义 ,R为物料运动的特征参数。 2.3 螺旋面上颗粒群的自由表面边界 对高充填率的螺旋卸船机而言，物料颗粒群在螺旋纵向截面内的分布特性 是影响螺旋输送的一个重要因素。明确螺旋面上颗粒群的自由表面边界，是研 究颗粒群介质力学特性的前提。 在垂直螺旋输送过程中，物料颗粒群受到因高速旋转而产生惯性离心力、 重力、摩擦力及压力的作用下，不仅处于动态平衡状态而且相邻物料之间在某 些方面存在着微小的相对滑动而使散粒体处于极限平衡状态[52-54] ，因而逐渐形 成一定形状的与空气相邻的自由边界。 2.3.1自由表面曲线的微分方程 研究在纵向截面内法线为 r向平面内的应力情况。如图 2-9所示，取与自由 表面相邻的物料微单元进行受力分析，因在不同螺旋直径方向上的相邻物料存 在微小的相对滑移，则物料在与径向垂直的平面内沿圆周方向达到极限平衡状 态，并由自由边界上物料在, ,,平面内的应力状态与极限剪应力曲线相似的摩 尔应力圆确定[55-57] 。 图 2-9微单元物料极限应力状态分析 26 武汉理工大学博士学位论文 取自由表面处三角形微块，列出平衡条件可得表面曲线方程: 2 ,,s 2 ( 1c，r 2c z , f1( r), (2-3-1) 2gc1 )+R , , , z , 1,sin, , r , (2-3-2) cos 式中:,——物料垂直压力与径向压力之间的侧压力系数; 2 f——物料内摩擦系数; ,——物料内摩擦角，tg, , f; 积分常数C取决于充填率,与物料转速,，可由充填率的定义确定。 2 ,,h(R , R0 ) , 2,rdrdz (2-3-3) ,, , 2 式中:,——螺旋轴轴向剖面内单侧螺旋叶片上的物料充填区域。 对应于不同的物料充填率,与转速,，可形成如图 2-10所示的 4类自由表 面边界在在纵向截面内的截线。 Z Z Z Z R2 R2 h2 h2 Z=f(r) h h Z=f(r) h h Z=f(r) Z=f(r) h1 h 1 r R1 R r R r 0 R R R r 0 R 0 R R1 0 0 R 0 (a) 0 (C) 0 (b) (d) 图 2-10物料自由表面曲线 图中 h为螺旋半个螺距(即 h , H / 2，本文中为双头螺旋)，h1为曲线在螺 旋轴上的截距， h2为曲线在管壁上的截距， R为螺旋半径， R0为螺旋轴半径， R1和 R2分别为曲线在下上螺旋面上的截距。 2.3.2第一类自由表面曲线的判别与求解 。 第一类自由表面曲线如图 2-10(a)所示，其积分常数记为C01 由充填率公式(2-3-3)，得: 27 武汉理工大学博士学位论文 ,, 2 s (c1r ，c2R)2 ，C 2gc1 R R 2 ，,, ， 2 2 s (c r ， 2ccrR ，c 2R 2)，C ,dr 1 1 2 2 ,,2,rdrdz , , , dz , , 2,r ，2gc1 , 0 ， 2,rdr , R0 R0 得常数C01 为: 2 3 3 2 C01 , ,h , ,, c1 (R ) , 2,, 2 , R ) , ,, c2 2R(R c2 2 2 s s 0 s ， R0 R (2-3-4) 4g 3g(R 2 , R02) 2gc1 2 则第一类自由表面曲线方程为: 2 z , f1(r) , ,2,gcs1 (c1r ， c2R)2 +C01 2 2 3 3 2 z , f1(r) , ,2,gcs1 (c1r ， c2R+) ,h , ,, 2c1 (R ), 2,, , R0 ) , ,,s c2R(R 2 2 2 2 s s ， R0 c2 R 4g 3g(R2 , R02) 2gc1 2 (2-3-5) 则其反函数为: 2 3 3 2 (Z ,, ， ,, ， 2,,s2c2R(R , R0 1 ) ， ,,s 2gcc1 (R2 ， R ) r ,,1，z， , 1 2 s 2 h 0 ,,s R c1 4g 3g(R2 , R02) 2gc1 1 2 c c22R2) , c (2-3-6) 曲线 z , f1，r，在螺旋轴和螺旋管壁上的截距分别为: 3 2 2 (c1R0 ，c2R)2 +,h, ,, 2c1 (R2 ， R02), 2,,s2c2R(R, 3 R0) , ,,s h1 , ， ， , ,, s s c22R2 f R 1 0 3g(R2 , R02) 2gc1 4g 2gc1 (2-3-7) 2 3 3 2 2 (c1R，c2R)2 +,h, ,, c1 (R2 ， R ) , 2,,s2c2R(R , R0) , ,,s h2 , ， ， , ,, 2 s s c22R2 f R 1 0 2gc1 4g 3g(R2 , R02) 2gc1 (2-3-8) 第一种自由表面曲线的判定条件为: ,0 , h1 , h (2-3-9) , 0 , h2 , h , 28 武汉理工大学博士学位论文 2.3.3第二类自由表面曲线的判别与求解 第二类自由表面曲线如图 2-10(b)所示，其积分常数记为。由边界C01 为: 条件 z , 0代入 z , f2，r，可得常数C02 1 r,R 2 C02 , , ,2,gcs1 (c1R1 ， c2R) 2 (2-3-10) 由充填率公式(2-3-3)，得: ,, 2 s (c1r ，c2R)2 ，C 2gc1 R R 2 ，,, ， 2 2 2 s 2 ， 2c1c2rR ，c2 ) ，C ,dr ,,2,rdrdz , , 2,rdr , dz , , 2,r , R (c1r ，2gc1 , 0 ， R1 R1 2 2 2 2 3 3 , ,h(R , R0 ) , ,,c 1 (R ) , 2,, c2R(R , R1 ) , ,, 2 s s s , C 02 ， R1 2 2 c2 R 4g R , R12 3g(R 2 , R12) 2gc1 2 2 2 (2-3-11) 由(2-3-10)与(2-3-11)整理得: 2 2 3 c1 (R c2R(R ,h(R , R0 2) , ,, ) , 2,, 2 , R13 ) ， ,, 2 s s s (c1 R1 ， R1 2 2 2 2 4g R 3g(R ) 2gc1 , R1 , R1 2 2 2 2 ， 2c1c2R1R) , 0 上式数理求解较麻烦，通过数值方式求解 R1。 由图 2-10(b)知函数 z , f2，r，在(R0~R)区间段内单调递增，故将 为自变量，设函数: R1作 2 2 3 3 ,h(R , R0 2c1 (R2 ， R12), 2,,s2 , R1 ) , ,,s c2R(R ) ， ,,s F2 ，R1， , 2 2 2 2 4g R , R1 3g(R , R1 ) 2gc1 (c12R12 ， 2c1c2R1R) , 0 2 则函数 F2 R在(R0~R ， ， : 1 )区间段内单调递增。采用半分法计算 R1 R1 , a ， b (2-3-12) 2 则第二类自由表面曲线方程为: 2 2 ,,2gcs 1 (c1r ， c2R)2 , ,2,gcs1 (c1R1 ， c2R) 2 f r z , ， ， , (2-3-13) 2 其反函数方程为: 29 武汉理工大学博士学位论文 2 2gc1 ， ， ,,s , c 2 2 r ,,1，z， , 1 Z ， (c1R 1， c R2 ) , R (2-3-14) , 2 ,,s c1 2gc1 c ， ， 1 第二类自由表面曲线方程在螺旋管壁上的截距为: 2 2 ,,2gcs 1 (c1R ， c2R)2 , ,2,gcs1 (c1R1 ， c2R) 2 f R (2-3-15) h2 , ， ， , 2 出现第二类自由表面曲线的判定条件为: ,h1 , 0 , ,0 , h2 , h (2-3-16) , R , R1 , R , 0 2.3.4第三类自由表面曲线的判别与求解 第三类自由表面的曲线形式如图 2-10(c)所示。将边界条件 z r,R , h代入 2 : z , f3，r，可求得常数C03 2 C03 , h, ,2,gcs1 (c1R 2， c R2 ) 2 (2-3-17) 由充填率公式(2-2-3)，得: R R h 2 2 2 ， ， dz , 2,r ,h , ,, 2 s 2 2 2,rdrdz , 2,rdr 2 ， 2c1c2rR ，c2 ) ,C ,dr ,, , , , R 2gc1 (c1r , R0 ,,s2 ， ， R0 (c1r ，c2R)2 ，C 2gc1 R 2 2 ,r ,,s (c1 2 2 2 2 r R , ,h(R2 , R0 ) , ， 2c1c2rR ，c2 )dr , ,C(R2, R0 , gc1 R0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 c1(R2 c2R (R2 c2 ) , ,,, ) , 2,,, ) , ,,, ) 4 3 s s s R (R2 ) , ,h(R2 , R0 ) , ,C(R2 , R0 , R0 , R0 4g 3g 2gc1 2 2 2 2 2 2 4 3 2 2 2 3 3 2 , R0 R c1(R2 c2R(R2 c2 , h ,(1 , ,)h(R, R0 ) , ,, ), 2,, , R0 ) , ,, 2 s s s C 03 ， R0 2 2 (2-3-18) 2 R R02 2 4g 2gc1 , 3g(R22 , R02) 2 2 由(2-3-17)与(2-3-18)整理得: 2 2 2 2 3 2 R ,,s ,(1 , ,)h(R , R02 ) , ,,c 1(R2 ) , 2,, c2R(R2 , R03 ) , ,,c 2 s 2 s s 2gc1 (c1R2 ，c2R)2 ， R0 , 0 2 2 2 2 2 2 , R0 , R0 4g 1 2gcR2 3g(R2 ) 2 设: 30 武汉理工大学博士学位论文 2 2 2 , R0 ) , ,,s (1,,)h(R c1 F3，R2， , ,, 2 2 s 1 ), ， R(R R22 , R 4g 2c1 (R2 2 2 3 0 c2R(R2 , 2,,s , R0) , ,,s c2 R ， R0 ) 2 2 2 3g(R2 , R0 ) 3 2 2 2 4g 2gc1 2 同第二类自由表面曲线中一样采用二分法，编程求得到: R2 , a ，b (2-3-19) 2 则第三类自由表面曲线的方程式为: 2 ,,s ,,s 2 2 1 (c1r ， c2R) +h, 2gc1 (c1R2 ， c2R) 2gcf r z , ， ， , (2-3-20) 3 2 其反函数为: 2 2gc1 ， ， , c2 Z , h， ,,s (c1R2 ， c2R) , 2 r ,,3，z， , 1 R (2-3-21) , 2 ,,s c1 2gc1 c1 ， ， 第三类自由表面曲线在螺旋轴上的截距为: 2 ,,s ,,s 2 2 f R 1 (c1R0 ， c2R) +h, 2gc1 (c1R2 ， c2R) 2gc(2-3-22) 3 0 2 h1 , ， ， , 出现第三类自由表面曲线的判定条件为: ,0 , h1 , h , ,0 , h2 , h (2-3-23) , R , R2 , R , 0 2.3.5第四类自由表面曲线的判别与求解 第四类自由表面的曲线形式如图 2-10(d)所示，边界条件有: z r,R , 0; 1 r,R z , h代入方程 z , f4，r，2 得: , ,,s C04 , , 2gc1 (c1R1 ， c2R)2 , 2 , (2-3-24) , 2 C , h, ,2,gcs1 (c1R2 ， c2R) 2 04 ,, , 得 R1和 R2的关系 式为: 31 武汉理工大学博士学位论文 其反函数为: 2 ， ， ,,s 2gc1 , c 2 r ,,4，z， , 1 Z ， (c1R1 ， c2R) (2-3-29) , , 2 c1 R ,,s 2gc1 1 ， ， 2 c 或: 2 ， ， Z , h， ,,s (c1R2 ， c2R) 2gc1 , c 2 r ,,4，z， , 1 , , 2 c1 R ,,s 2gc1 1 ， ， 2 c 第四类自由表面曲线与螺旋轴的截距为: 2 2 ,,2gcs 1 (c1R0 ， c2R)2 , ,2,gcs1 (c1R1 ， c2R) 2 f R (2-3-30) 4 0 h1 , ， ， , 或: 2 ,,s ,,s 2 2 f R 2gc1 (c1R0 ， c2R) +h, 2gc1 (c1R2 ， c2R) 4 0 2 h1 , ， ， , 第四类自由表面曲线与螺旋轴的截距为: 2 2 ,,2gcs 1 (c1R ， c2R)2 , ,2,gcs1 (c1R1 ， c2R) 2 h2 , f R， ， , (2-3-31) 4 或: 2 ,,s ,,s 2 2 1 (c1R ， c2R) +h, 2gc1 (c1R2 ， c2R) f R 2gch2 , ， ， , 4 2 出现第四类自由表面曲线的判定条件为: ,h1 , 0 , h , h 2 , , R , R1 , R (2-3-32) , 0 , R , R2 , R , 0 , , R R2 , 1 2.3.6自由表面曲线的判别与数值计算 在给定螺旋半径 R、螺旋轴半径 R0、螺距 H、充填率,、螺 旋转速,s、 , g f 物料密度、重力加速度、内摩擦系数，可通过四种自由表面方程分别进 行求解，根据截距判定条件对自由表面类型进行判定。自由表面数值计算与判 33 武汉理工大学博士学位论文 别框图如图 2-11所 示。 R，,s，R0，H， 输入 ,， g， f， p (修正值)， f1， 第二种自由 第三种自由 第四种自由表面 第一种自由 f2，, NO NO NO 表面截距按 表面截距按 截距按式(2-3-26)， 表面截距按 式(2-3-7)与 式(2-3-12) 式(2-3-19) (2-3-27)，(2-3-30)， ( 2-3-8)求 与(2-3-15) 与(2-3-22) ， 求 (2-3-31) h1,R2;按 h1,h2,R1,R2;按 求h2,R1;按 求h1,h2 ;按 式 式(2-3-16) 式(2-3-23) 式(2-3-32) 进行(2-3-9 )进 判 行 进行判定 进行判定 定 判定 Yes Yes Yes Yes 自由表面类型 ni 图 2-11自由表面判别流程图 2.4 螺旋面上颗粒群边界的压力分布 物料在螺旋输送管内稳定输送，形成自由表面状态后，物料因高速旋转而 产生的离心力、及所受重力，在螺旋轴、上下螺旋面、螺旋管内壁形成压力， 大量垂直螺旋卸船机实践表明，物料对螺旋轴的压力及上螺旋面的压力相对其 他两部分而言较小，为简化模型，一般忽略该部分压力[58-60] 。物料在管壁的压 力与摩擦力、物料在下螺旋面的压力与摩擦力、构成动态平衡力系，从而确定 了物料的运动和阻力。为求得螺旋输送机的输送能力及驱动力矩，须对物料在 螺旋管及螺旋叶面上的边界压力分布进行建模分析与求解。 2.4.1物料在螺旋管壁的压力分布 对于第一类自由表面(如图 2-10a所示)，结合第一类自由表面的曲线方程 (2-3-6)及图 2-12所示，处于该类自由表面状态时，物料对螺旋管的压力由离 心力导致，且分为0 , z , h1与 h1 , z , h2两部分。 34 武汉理工大学博士学位论文 Z Z h2 h2 Z , f (r) Z , f (r) d z h h d z h1 h1 Z R0 R0 R Z R 0 0 r r r d r r d r 图 2-12第一类自由表面微单元体 (1)当 h1 , z , h2时，如图 2-12( a)所示，在该区间内取一微物料元， 其离心力为: 2 , zRd,dz , R ,drdzrd,r, (2-4-1) , r 3 式中: , ——物料堆积重度或容重) ( kg / m 则物料离心力对螺旋管壁压力关于 z的函数为: , z , , R r,s 2 (c1r ， c2R)dr , r R 2 2 即: ,c,s ,c ,s 3 3 2 2 1 2 , z , , r )， , r (2-4-2) ) (R (R 3R 2 (2)当0 , z , h1时，如图 2-12(b)所示，取一微物料元，其离心力为: 2 R ,drdzrd,r, (2-4-3) , zRd,dz ,, R 0 则物料离心力对螺旋管壁压力关于 z的函数为: , z , , R r,s 2 (c1r ， c2R)dr , R R 0 2 即: , z , ,c1,s )， ,c2,s 3 , R0 ) (2-4-4) (R 2 3R , R0 (R 2 2 3 2 对于第二类自由表面(如图 2-10b所示)，结合第二类自由表面的曲线方程 及如图 2-13所示，形成第二类自由表面时的物料对螺旋叶片、螺旋管有接触， 形成边界压力。处于该类自由表面状态时，物料对螺旋管的压力由离心力导致， 且只为0 , z , h2部分。 35 武汉理工大学博士学位论文 Z h2 h d z Z , f (r) R0 R1 R Z 0 r r d r 图 2-13第二类自由表面微单元体 则物料离心力为: 2 , zR d, d,z R ,d r d z r,d r (2-4-5) , r , 则物料离心力对螺旋管壁压力关于 z的函数为: , z , , R r,s 2 (c1r ， c2R)dr , r R 2 2 即: ,c,s ,c ,s 3 3 2 2 1 2 , z , , r )， , r (R (R ) (2-4-6) 3R 2 对于第三类自由表面(如图 2-10c所示)，结合第三类自由表面的曲线方程 及如图 2-14所示，形成第三类自由表面时的物料对螺旋轴、螺旋叶片、螺旋管 有接触，形成边界压力。大量垂直螺旋卸船机实践表明，物料对螺旋轴的压力 相对其他两部分而言较小，为简化模型，忽略该部分压力。处于该类自由表面 状态时，物料对螺旋管的压力由离心力导致，且分为0 , z , h1与h1 , z两部分。 R2 R2 Z Z Z , f (r) Z , f (r) d z h h d z h1 h1 Z R0 R0 R Z R 0 0 r r r r dr dr (a) (b) 图 2-14第三类自由表面微单元体 (1)当 h1 , z时，如图 2-14( a)所示，在该区间内取一微物料元，则物 36 武汉理工大学博士学位论文 料离心力对螺旋管壁压力关于 z的函数为: , z , , R r,s , r R (c1r ， c2R)dr 2 2 2 即: ,c,s ,c ,s 3 3 2 2 1 2 , z , , r )， , r (2-4-7) ) (R (R 3R 2 (2)当0 , z , h1时，如图 2-14(b)所示，在该区间内取一微物料元，则 物料离心力对螺旋管壁压力关于 z的函数为: , z , , R r,s , R R 0 (c1r ， c2R)dr 2 2 即: ,c,s )， ,c2,s 3 2 1 z , , R0 , (2-4-8) ) (R 2 3R , R0 (R 2 3 2 对于第四类自由表面(如图 2-10d所示)，结合第四类自由表面的曲线方程 及如图 2-15所示，形成第四类自由表面时的物料对螺旋叶片、螺旋管有接触， 形成边界压力。处于该类自由表面状态时，物料对螺旋管的压力由离心力导致， 且只为0 , z , h部分。 R2 Z d z Z , f (r) h Z R0 R R1 r 0 r d r 图 2-15第四类自由表面微单元体 则物料离心力为: , z , , R r,s , r R (c1r ， c2R)dr 2 2 2 即: ,c,s ,c ,s 3 3 2 2 1 2 , z , , r )， , r (2-4-9) ) (R (R 3R 2 37 武汉理工大学博士学位论文 2.4.2物料在螺旋叶面上压力 对于第一类自由表面(如图 2-10a所示)，结合第一类自由表面的曲线方程 及如图 2-12所示，取一微物料元，对其进行应力平衡分析。物料元处于应力平 衡状态，有: dr cosdr, cos, , 0 g, f1(r)dr *r *d, ，, nrd, cos, sin, ,, rd, n g, f1(r)，,ntg,,, n , 0 g, f1(r)， f1,ntg,,, n , 0 则物料对螺旋叶面的压应力, n 为: 2 ，,,s +C01， 2 ,g , (c1r ， c2R) , ,gf1(r,) , ， 2gc1 ， (2-4-10) , n , H , 1 f tg 1 1, f1 2,r 第二类自由表面状态时，物料对螺旋叶面的压应力与第一类类似。物料对 螺旋叶面的压应力, n为: 2 ,g ，，,,2,gcs1 (c1r ， +C02， 2 , c2R) ,gf2(r,) , ， (2-4-11) , n , H 1, f tg 1 1, f1 2,r H 。 式中:tg, , 2,r 对于第三类自由表明，如图 2-14所示，形成第三类自由表面时的物料对螺 旋叶面的边界压力分为 R0 , r , R2与 R2 , r , R两部分求解。 (1)当 R0 , r , R2时，物料在螺旋叶面上的压力分布为: 2 ，,,s +C03， 2 ,g , (c1r ， c2R) , ,gf3(r,) , ， 2gc1 ， (2-4-12) , n , H 1 , f tg 1 1, f1 2,r (2)当 R2 , r , R时，物料在螺旋叶面上的压力分布为: 38 武汉理工大学博士学位论文 ,gh , n , H (2-4-13) 1, f1 2,r 对于第四类自由表面，如图 2-15所示，形成第四类自由表面时的物料对螺 旋叶面的边界压力分为 R1 , r , R2与 R2 , r , R两部分求解。 (1)处于 R1 , r , R2区间的物料时，物料在螺旋叶面上的压力分布为: 2 ，,,s +C04， 2 ,g , (c1r ， c2R) , ,gf4(r,) , ， 2gc1 ， (2-4-14) , n , H , 1 f tg 1 1, f1 2,r (2)处于 R2 , r , R区间的物料时，物料在螺旋叶面上的压力分布为: ,gh , n , H (2-4-15) 1, f1 2,r 2.4.3螺旋面上颗粒群边界的压力分布曲线 在给定螺旋半径 Z Z R、螺旋轴半径 R0、 h2 h2 Z=f(r) h h , z (Z) , z (Z) 螺距 H、充填率,、螺 Z=f(r) h1 旋转速 ,s、物料密度 0 R0 R r R1 R r 0 R ,、重力加速度 0 , n(r) , n(r) g、内 (a) (b) 摩擦系数 f，物料与螺 Z Z 旋面及管壁的摩擦系 R2 R2 数 f1，在自由表面类 型 Z=f(r) h , z (Z) h , z (Z) Z=f(r) 判定后，可根据该自由 h1 R1 表面类型下，物料在螺 0 R0 r 0 R R r R 0 , n(r) 旋管壁及螺旋面上的 , n(r) 压力分布方程进行数 (C) (d) 图 2-16螺旋面上颗粒边界压力分布 值求解，可得到四种自 由表面状态下的压力 分布，如图 2-16所39 示。 武汉理工大学博士学位论文 2.5 物料运动特征参数的求解 在上节对四种自由表面状态下物料对螺旋管壁及螺旋叶面压力分布求解的 基础上，需建立相关力系对螺旋轴力矩的数学模型，并进行求解。力矩主要由 两部分组成:物料在螺旋管壁上的力对螺旋轴 ( H 2, z轴)的力矩 2 M R , d, f2, r(z)Rdz cos, * R、物料在螺旋叶面的力对螺旋轴( z轴)的力矩 , , 0 0 R R 2 2 Mn , 2,, nr dr ， 2,, nr tg,dr。通过周向平衡条件( M R , M N)，求得物, , R R 料运 0 0 动方程中的特征参数。 2.5.1螺旋管壁上力对螺旋轴的力矩 如同上节中求其对螺旋管壁压力分布，第一类自由表面状态下，物料颗粒 群因在螺旋管壁上压力引起的对 z轴的力矩亦分两部分求解。 (1)当处于 h1 , z , h2区间时，物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴 的力矩为: , r01(z)dz M R01 , 2, f2 cos, R 2, h2 h 1 2 2 h2 ， ，,c1,s )， ,c2,s 2 3 3 2 2 , 2, f2 cos, R , r , r (R (R ) dz , , , h 1 ， 3R 2 ， 2 2 2 2 h (,c1,s ， ,c2,s 2 ,c1,s ， ,c2,s 3 2 2 2 , 2, f2 cos, R )(h2 , h1), 2, f2 cos, R R R ( 2 ,h )dz 1 3R 2 3R r r 3 2 (2)当处于0 , z , h1区间时，物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴 的力矩为: M R 02 , 2, f2 cos, R 2, h 2 2 , ， ,r 01c (,z) dz ， ,c , s 1 s 3 3 2 2 1 2 1 , R0 ) ， , R0 (R (R ) dz , 3R , , 2, f2 cos, R 2, h 0 2 0 ， ， 2 ， ,c , ， ,c , s 2 3 2 2 3 1 s 2 , R0 , 2, f2 cos, R , R0 ) ， (R (R ) h1 , 3R , 2 2 ， ， 40 武汉理工大学博士学位论文 (3)故物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴的总力矩为: (1) M R , M R01 ， M R02 2 2 2 2 h (,c1,s ,c ,s ,c1,s ,c ,s 2 2 3 2 2 3 2 2 2 , 2, f2 cos, R ， )(h2 ,h1),2, f2 cos, R ， )dz ， R R ( r r ,h 3R 3R 2 1 2 2 2 ，,c1,s )， ,c2,s ， 2 3 2 (R (R ) h1 2, f2 cos, R , , R0 , R0 , 3R 2 ， ， 3 2 (2-5-1) 式中cos,函数表达式为: 1 1 1 cos, , , , , 2 2 1， tg ， H 1, c1 ， c2 ，2 ， H 1, 1r (c1r ， c2R) ,， 1 ， c2 1， ,,，2, R c, , 1， , 1r (c1r ， c2R), ,， ,2, , r , , ， ， 第二类自由表面状态时，物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴的力 矩为: M R(2) , 2, f2 cos, R2, h2, r 02(z)dz 0 2 2 h2 ，,c, ， ,c ,s s 2 2 3 3 1 2 , r ) ， , r (R (R ) dz , 3R , , 2, f2 cos, R2, 0 2 ， ， 2 2 2 2 h2 ，(,c1,s ， ,c ,s ,c,s ,c ,s 2 3 2 3 2 2 1 2 ( , 2, f2 cos, R ， )h2 , ， R R r r )dz , , , 0 2 3R 2 3R ， ， (2-5-2) 如同上节中求其对螺旋管壁压力分布，第三类自由表面状态下，物料颗粒 群因在螺旋管壁上压力引起的对 z轴的力矩亦分两部分求解。 (1)当处于 h1 , z , h区间时，物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴 的力矩为: M R01 , 2, f2 cos, R , r03(z)dz 2, h h 1 2 2 )， ,c2,s h，,c1,s ， 2 3 3 2 2 (R (R ) dz , 2, f2 cos, R , r , r , , , h 1 2 ， 3R ， 2 2 2 h 2 (,c1,s ， ,c2,s ,c1,s ， ,c2,s 3 2 2 2 , 2, f2 cos, R R R ,h ( )(h, h1), 2, f2 cos, R 2 )dz 1 3R 3R 2 r r 3 2 (2)当处于0 , z , h1区间时，物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴 41 武汉理工大学博士学位论文 的力矩为: M R02 , 2, f2 cos, R2, h 2 2 , r03(z)dz ， ，,c1,s ,c ,s 1 3 2 2 1 (R , R0) ， (R , R0 ) dz , 2, f2 cos, R2, h , , 0 0 3R 2 ， ， 3 2 2 2 , 2, f2 cos, R2 ,c ,s ， 3 2 2 (R , R0) ， , R0 ) h1 (R , ，,，,3c1R,s 2 ， 3 2 (3)故物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴的总力矩为: (3) , M R01 ， M R02 M R 2 2 2 h (,c1,s ， ,c2,s ,c1,s ， ,c2,s 2 3 2 2 2 , 2, f2 cos, R R R )(h, h1), 2, f2 cos, ,Rh ( 2 )dz ， 3R 3R 2 1 r r 3 2 3 ， ，,c1,s 2,s 2 )， ,c2 2 2, f2 cos, R (R , R0 (R , R0) h1 , , 2 2 ， ， 3 2 3R (2-5-3) 第四类自由表面状态时，物料颗粒群在螺旋管壁上压力引起的对 z轴的力 矩为: M R(4) , 2, f2 cos, R2, h, r04(z)dz 0 2 2 h ,c ,s ，,c1,s ， 3 3 2 2 2 (2-5-4) , r )， , r (R (R ) dz , 2, f2 cos, R2, , , 0 3R 2 ， ， 2 2 2 2 h ，(,c1,s ， ,c ,s ,c,s ,c ,s 2 3 3 2 2 1 2 R ( r r )dz , 2, f2 cos, R ， ， , R2)h ,, , 0 2 3R 2 3R ， ， 2.5.2螺旋叶面上力对螺旋轴的力矩 物料在螺旋叶面上的力分为物料对其的压力和因压力引起的摩擦力。故物 料在螺旋叶面上力对 z轴的力矩由压力和摩擦力导致的两个力矩构成。为使计 , 算简化，在求解力矩时螺旋升角，满足关系式为: H t g, , , ，R， R0， 处于第一类自由表面状态时，物料在螺旋叶面上引起的力对螺旋轴 z轴的 总力矩为: 42 武汉理工大学博士学位论文 R R (1) 2 2 , 2,, nrdr ， 2,, nr Mn tg,dr , , R R 0 0 又因 , n , f1, n R R 故: 2 (1) Mn , 2, f1, nrdr ， 2,, nr tg,dr , , R R 2 0 0 2 ,g ，，,,2,gcs1 (c1r ， ， 2 +C01 , c2R) ,gf1(r) ， 代入 , n , , , 1, f1 tg 1, f1tg, 因而，物料在螺旋叶面上引起的力对螺旋轴 z轴的总力矩为: 2 2 , ， , , +C ， , ，,,s s ，,,2 2 ,g (c1r ，c2R) ,g (c1r ，c2R) +C , , , , , , 01 , , R R 01 2gc1 2gc1 2 2 ， ， ， , , ， , , Mn(1) , 2, f dr ， 2, tg,dr r r 1 , , 1, f1tg, , 1, f1tg, , , , R0 R0 , , , , , , , , , , , , (2-5-5) H 式中: t g, , , ，R， R0，。 处于第二类自由表面状态时，物料在螺旋叶面上引起的力对螺旋轴 z轴的 总力矩为: R R (2) 2 2 , 2, f1, nrdr ， 2,, nr Mn tg,dr , , R R 0 0 2 ,g ，，,,2,gcs1 (c1r ， ， 2 +C02 , c2R) ,gf2(r) ， n , , 又因 1, f1 tg 1, f1tg, , , 故物料在螺旋叶面上引起的力对螺旋轴 z轴的总力矩为: 2 2 , ， , , +C ， , ，,,s s ，,,2 2 +C ,g (c1r ，c2R) ,g (c1r ，c2R) , , , , , , , , 02 R R 2gc1 02 2gc1 ， ， ， , , ， ,2 , 2 M n(2) , 2, f r dr ， 2, r tg,dr , 1 , 1, f1tg, 1, f1tg, , , , , R0 R0 , , , , , , , , , , , , (2-5-6) 43 武汉理工大学博士学位论文 H 式中: t g, , , ，R， R0，。 结合第三类自由表面状态下物料在螺旋叶面上压力的分布特点，物料颗粒 群因在螺旋叶面上力引起的对螺旋轴 z轴的力矩分两部分求解。 (1)当处于 R0 , r , R2区间时，物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴 R R 的力矩为: 2 2 , 2, f1, nrdr ， 2,, nr Mn1 tg,dr , , R R (2) 0 0 2 ,g ，，,,2,gcs1 (c1r ， ， 2 +C03 , c2R) ,gf3(r) ， n , , , , 又因 1, f1 tg 1, f1tg, 故物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴的力矩为: 2 , ， , , ， , ，,,s2 ， ,,s 2 ,g , (c1r ，c2R) +C ,g (c1r ，c2R) +C , , , , , , , R R 03 2gc1 ， Mn1(3) , 2, f1,, 2 2 2 ， , , ， , ， 2gc1 r dr ， 2, r tg,dr , , 03 1, f1tg, , , , R0 R0 , , , , , , , , 1, f1tg, , , , , (2)当处于 R2 , r , R区间时，物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴 的力矩为: ,gh , n , 1, f1tg, R R , ,gh , , ,gh , 2 2 (3) Mn2 , 2, f1, ,r dr ， 2, , ,r tg,dr , , ,1, f1tg, , ,1, f1tg, , R R 0 0 (3)物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴的总力矩为: 44 武汉理工大学博士学位论文 2 , ， , ,g ,， s ,,2 (c1r ， c2R) , +C03, , R ， 2gc1 2 M n(3) , M n1(3) ， M n2(3) , 2, f1,, ， , r dr , 1, f1tg, , R , , 0 , , , , 2 , ， , ， ,,s 2 (c1r ， c2R) ,g +C03, , , R , 2gc1 2 ， , , ， (2-5-7) ， 2, r tg,dr , 1, f1tg, , , R , , 0 , , , , R R , ,gh , , ,gh , 2 ， 2, f r dr ， 2, , r tg,dr 1 , , , , 2 1, f1tg, R , , R , 0 0 1, f1tg, , H , 式中: t g, , , ，R， R0，。 结合第四类自由表面状态下物料在螺旋叶面上压力的分布特点，物料颗粒 群因在螺旋叶面上力引起的对螺旋轴 z轴的力矩分两部分求解。 (1)当处于 R1 , r , R2区间时，物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴 的力矩为: R R 2 2 2 2 Mn1 , 2, f1, nrdr ， 2,, nr tg,dr , , R R (4) 1 1 2 ,g ，，,,2,gcs1 (c1r ， ， 2 +C04 , c2R) ,gf4(r) ， , n , , , 又因 1, f1 tg 1, f1tg, 故，物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴的力矩为: 2 , ， , , ， , ，,,s2 ， ,,s 2 ,g , (c1r ， c2R) ,g (c1r ，c2R) , +C04, , , + C04, , , R2 R2 ， 2gc1 ， 2gc1 M n1(4) , 2, f1,, 2 2 ， , , ， , dr ， 2, tg,dr r r , , 1, f1tg, , 2 , , R1 R1 , , , , , , , , , , , , 1, f1tg, (2)当处于 R2 , r , R区间时，物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴 的力矩为: R R (4) 2 2 Mn2 , 2, f1, nrdr ， 2,, nr tg,dr , , R R 2 2 45 武汉理工大学博士学位论文 ,gh n , 又因 , 1, f1tg, 故，物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴的力矩为: R R , , gh , 2 , , gh , 2 (4) M n 2 , 2, f1 , ,r dr ， 2, , ,r tg,dr , , ,1, f1tg, ,1, f1tg, , , R R 2 2 (3)物料颗粒群在螺旋叶面上力引起的对 z轴的总力矩为: 2 , ，,,s ， , 2 ,g , (c1r ， c2R) R , +C04 2 ， 2gc1 , ， ,2 , M n(4) , M n1(4) ， M n2(4) , 2, f dr ， r 1 , , , 1, f1tg, , R 1 , , , , , , 2 ， , , ，,,s 2 ,g (c1r ， c2R) +C04 , R , , , R R 2 2gc1 , ,gh , , ,gh , ， ， ,2 2 2 , 2, tg,dr ， 2, f1, tg,dr r ,r ,r dr ， 2, , , , , 1, f1tg, , , ,1, f1tg, , ,1, f1tg, , R R2 R2 1 , , , , , , (2-5-8) H 式中: t g, , , ，R， R0，。 2.5.3物料运动临界转速求解 在垂直螺旋输送管内，当螺旋转速,s较小时，管壁对物料的摩擦力尚不能 阻止物料随螺旋叶片以相同转速旋转。当输送管内物料充填率一定时，管壁对 物料的摩擦力随螺旋转速的增大而增大。当螺旋转速超过某一极限值时，物料 与螺旋产生相对运动趋势，物料开始具有螺旋轴向运动分量但尚未出现相对速 度时的螺旋转速即为临界转速 ns。 当螺旋转速小于临界转速 ns时，物料颗粒群随螺旋以相同转速回转，因旋 转引起的惯性离心力将物料与输送管内壁贴紧。此时管壁对物料颗粒群作用 的摩擦力引起的力矩 M R小于螺旋面上摩擦力对物料颗粒群的力矩 M N，物料颗 粒群沿螺旋叶片未能产生相对运动。随着螺旋转速的逐渐增大，力矩 M R及 M N 随之增大，但力矩 M R增长幅度大于力矩 M N增幅。当物料转速增大到临界转速 ns时，力矩 M R与 M N相等。当螺旋转速再增大时，力矩 M R大于力矩 M N，此 46 武汉理工大学博士学位论文 时物料开始沿螺旋叶片产生相对运动，物料颗粒群获得向上运动分量，物料实 现垂直输送。图 2-17为临界转速计算流程图。 f , 输入 ,， g， p (修正值)， R，R0，H， f， f 1， ,，给定初值,0，步长,a，精度 按式(2-2-3)计算2， E ,s , , , ,0 ，,a 第二种自由 第一种自由 第三种自由 第四种自由表面 表面截距按 表面截距按 表面截距按 截距按式(2-3-26)， NO NO NO 式(2-3-12) 式(2-3-19) (2-3-27)，(2-3-30)， 式(2-3-7)与 与(2-3-15) 与(2-3-22) ( 2-3-8)求 (2-3-31) ， 求 h1,h2 ;按求h2,R1;按 求h1,R2;按 h1,h2,R1,R2;按 式 (2-3-9 )进式(2-3-16) 式(2-3-23) 式(2-3-32) 进行 判 行 进行判定 进行判定 定 判定 Yes Yes Yes Yes 按式按式按式( 2-4-2)， 按式( 2-4-6)， ( ( 2-4-9)， 2-4-7)， (2-4-4)，(2-4-10)， ( 2-4- (2-4-8)，(2-4-12)， (,z,, n 的表达2- 4-,z,,n 的表达 求,z1,,z2,,n的 11 )，求 ( 2-14 )求 ,z,,n的表达式， 式，按( 2-5-表达式，按(2-5-1)， 式，按(2-5-2)， 4-13 )求 4)， 按(2-5-3)，(2-5-7) ( 2-5-( 2-5-5 ) 求 ( 2-5-6 )求 MR,M N MR,MN 求MR,M N MR,MN 8 )求 NO M R , M N , E YES 临界转速 ns 图 2-17临界转速计算流程图 47 武汉理工大学博士学位论文 2.5.4物料运动特征参数求解 在通过前面已经求得处于稳定输送时，各个自由表面状态下，物料对螺旋 管壁及螺旋叶面的阻力矩，即螺旋管壁上的力对 z轴的力矩 M R，螺旋叶面的力 对 z轴的力矩 M n。由物料在圆周方向的平衡方程( M R = M n)求得物料初始假 R 设条件 r ,时, ,,R中的特征值,R z 处于第一类自由表面状态时，因物料在螺旋管壁上压力引起的摩擦力对 。 轴(螺旋轴)的力矩 M R 为: (1) M R , M R01 ， M R02 2 2 2 h2 1,s ， ,c2,s ,c1,s ， ,c2,s (,c2 2 3 2 , 2, f2 cos, R R R ( 2 2 , h1), 2, f2 cos, R2, )(hh 2 3R )dz ， 3R r r 1 3 2 2 ，,c1,s 3 ， )， ,c2,s 2 2 2 2, f2 cos, R (R , R0 (R , R0 ) h1 , , 2 ， 3R ， 3 2 因物料在螺旋叶面上压力及由压力引起的摩擦力对 z轴(螺旋轴)的力矩 M R为: 2 , ， , , ， , ，,,s ，,,s 2 2 ,g (c1r ， c2R) ,g , , +C01, , , +C01, , , R R 2gc1 2 ， 2gc1 ， 2 2 , ， , , ， , dr ， 2, M n(1) , 2, f r r tg,dr (c1r ， c2R) , , 1, f1tg, , , , , 1 R R 0 , , , , 0 1, f1tg, , , , , , , , , 则根据周向平衡条件 M R , M N，得: 2 2 2 (,c1,s ， ,c2,s h2 ,c1,s ， ,c2,s 2 3 2 2 2, f2 cos, R R R ( )dz ， 2 )(h2 , h1), 2, f2 cos, R2, h 3R 3R 2 r r 1 3 2 2 2, f2 cos, R2 ， )， ,c2,s 2 3 2 (R (R ) h1 , R0 , R0 , ，,，,3c1R,s 2 ， 3 2 2 , ， , , ， , ,g ,，,, ,g ,， s ,,s 2 2 (c1r ， c2R) +C01, , +C01, , , , R R 2 ， 2gc1 1 ， 2gc， , 2 ， ,2 , 2, f1,, , r dr , 2, r tg,dr , , 1, f1tg, , , (c1r ， c2R) , R R , , , , 0 0 , , , 1, f1tg, , , , , , , 0 (2-5-9) 物料运动方程特征参数即为上式中,s的值，鉴于上式过于复杂，故通过计 48 武汉理工大学博士学位论文 算机数值计算对特征参数,R进行求解。 处于第二类自由表面状态时，与第一类自由表面状态时类似。其根据周向 平衡条件 M R , M N， 得: 2 2 h2 ，,c1,s ， ,c2,s (R3 , r3)， (R2 , r2) dz F2，,s， , 2, f2 cos, R2 , , , 0 ， 3R 2 ， 2 2 2 2 h ， ,c2,s ， ,c2,s ，(,c1,s 2 ,c1,s )dz，, 2 3 2 3 2 , 2, f2 cos, R , R R ( r r )h2 ,,0 3R 2 3R 2 ， ， 2 2 , ，,,s ， , , ，,,s ， , 2 2 ,g , (c1r ， c2R) ,g , (c1r ， c2R) , +C02, , , +C02, , R R ， 2gc1 ， 2gc1 ， ,2 2, ,, 2 , ， , , 2, f1, dr , tg,dr r r , , 1, f1tg, , , 1, f1tg, R0 R0 , , , , , , , , , , , , (2-5-10) 通过计算机数值计算对特征参数,R进行求解。 处于第三类自由表面状态时，与第一类自由表面状态时类似。其根据周向 平衡条件 M R , M N， 得: 2 2 2 2 ,c,s ,c ,s h ,c,s ,c ,s 1 2 1 2 ( F3，,s， , 2, f2 cos, R2( R3 ， R2)(h, h1), 2, f2 cos, R2 r3 ， r2)dz ， , h 1 3R 2 3R 2 2 2 ，,c1,s ,c ,s ， 2 3 2 2 2, f2 cos, R (R )， (R ) h1 , R0 , R0 , , 3R 2 ， ， 3 2 2 , ， , , ， , ， ， ,,s ,,s 2 2 ,g (c1r ， c2R) 1r ， c2R) ,g (c +C03, , +C03, , , , R , , R 2 2gc1 ， ,2 ， , 2 ， ， , , , 2, f r dr , 2, r tg,dr 2gc1 , , 1, f1tg, , , , 1 , 1, f1tg, R0 R0 , , , , , , , , , , , , (2-5-11) 通过计算机数值计算对特征参数,R进行求解。 处于第四类自由表面状态时，与第一类自由表面状态时类似。其根据周向 平衡条件 M R , M N， 得: 49 武汉理工大学博士学位论文 2 2 2 2 ， ,c1,s r 2)dz,， ,c2,s ,c1,s ,c2,s ( F4，,s， , ,2 f 2 cos, R2 ( R3 ， r3 ， R2)h,, , 3R 2 3R 2 ， ， h 2 2 , ， , ， , , ，,,s s ，,,0 2 2 ,g (c1r ， c2R) +C04 ,g , (c1r ， c2R) , , , R , R ? C04 , 2 2 2gc1 ， 2gc1 ， ， ,2 ， , , 2 , , r tg,dr r 1 ,, 2, f dr , , 2, 1, f1tg, , 1, f1tg, , , , , R 1 , , R , , 1 , , , , , , , , R R , ,gh , , ,gh , 2 r r tg,dr 1 , , , 2, f dr , , 2, ,1, f1tg, 2 R , R , 2 2 , (2-5-12) 1, f1tg, ,, , 通过计算机数值计算对特征参数,R进行求解。 2.6 垂直螺旋卸船机性能参数计算 求得物料输送中的自由表面曲线、压力分布函数、力矩方程组和运动特征 参数后，进行垂直螺旋卸船机生产率和螺旋轴的阻力矩及驱动功率的计算。 2.6.1垂直螺旋卸船机生产率计算 在求得各类自由表面曲线及物料轴向输送速度后，对垂直螺旋卸船机重要 性能参数，生产率进行求解。 处于第一类自由表面状态时，图 2-12所示为第一类自由表面状态下微物料 元分析图，对其在径向平面内进行微分分析，如图 2-18所示。 d r d, r 图 2-18微物料元径向微分图 则，处于单个螺旋轴、螺旋叶面及螺旋管内壁空间中物料的体积V为: 50 武汉理工大学博士学位论文 1，r，2,rdrdz fV ,, 0 2 ，,,s ， 2 , 2,rdr 2gc1 (c1r ， c2R) +C01 , , ， ， 则生产率Q为: 2 ，,,s ， 2 R 2,,r , (c1r ， c2R) 01 vzdr +C, Q ,, R ， 2gc1 ， 0 (2-6-1) 2 2 ，,,s ， 1 (c1r ， c2R)) H, dr (c1r ， c2R) R 2,,r , +C01 ,s(1, , ,, 2 0 r ， 2gc1 ， R 处于第二类自由表面状态时，处于单个螺旋轴、螺旋叶面及螺旋管内壁空 间中物料的体积V为: 2，r，2,rdrdz fV ,, 0 2 ，,,s ， 2 , 2,rdr 2gc1 (c1r ， c2R) +C02 , , ， ， 则生产率Q为: 2 ，,,s ， 2 R 2,,r , (c1r ， c2R) 02 vzdr +C, Q ,, R ， 2gc1 1 ， (2-6-2) 2 2 ，,,s ， 1 (c1r ， c2R)) H, dr (c1r ， c2R) R 2,,r , +C02 ,s(1, , ,, 2 1 r ， 2gc1 ， R 处于第三类自由表面状态时，结合图 2-10(c)所示，根据第三类自由表 面曲线特点，当处于第三类自由表面状态时，螺旋卸船机生产率可分为两个部 分进行求解。 (1)处于 R0 , r , R2区间内物料颗粒群的体积V1为: V1 , f3，r，2,rdrdz , 0 2 ，,,s ， 2 , 2,rdr , (c1r ， c2R) +C03，, ， 2gc 1 51 武汉理工大学博士学位论文 则生产率Q1为: 2 ，,,s ， 2 (c1r ， c2R) Q1 , R2 2,,r , +C03 vzdr , , ， 2gc1 ， R0 2 2 ，,,s ， 1 (c1r ， c2R)) H, dr (c1r ， c2R) R2 2,,r , +C03 ,s(1, , ,, 2 R0 ， 2gc1 r ， (2)处于 R2 , r , R区间内物料颗粒群的体积V2为: V2 , h 2,rdrdz ,, Hrdr , 0 则生产率Q2为: Q2 , R , H,rvzdr , R2 1 (c1r ， c2R)) H, dr ,, R , H,r,s(1, 2 R2 r (3)卸船机总生产率Q为: Q , Q1 ， Q2 2 ，,,s ， 1 H 2 2,,r , (c1r ， c2R) +C03 ,s(1, r (c1r ， c2R)) 2, dr (2-6-3) ,, R2 , 0 R， 2gc1 ， 1 (c1r ， c2R)) H, dr R , H,r,s(1, ，, 2 R2 r 处于第四类自由表面状态时，结合图 2-10( d)所示，根据第四类自由表 面曲线特点，当处于第四类自由表面状态时，螺旋卸船机生产率可分为两个部 分进行求解。 (1)处于 R1 , r , R2区间内物料颗粒群的体积V1为: 4，r，2,rdrdz fV ,, 0 2 ，,,s ， 2 , 2,rdr 2gc1 (c1r ， c2R) +C04 , , ， ， 则生产率Q1为: 52 武汉理工大学博士学位论文 2 ，,,s ， 2 (c1r ， c2R) Q1 , R2 2,,r , +C03 vzdr , , ， 2gc1 ， R1 2 2 ，,,s ， 1 (c1r ， c2R)) H, dr (c1r ， c2R) R2 2,,r , +C03 ,s(1, , ,, 2 R1 ， 2gc1 r ， (2)处于 R2 , r , R区间内物料颗粒群的体积V2为: V ,, h 2,rdrdz ,, Hrdr 0 则生产率Q2为: Q2 , R , H,rvzdr , R2 1 (c1r ， c2R)) H, dr ,, R , H,r,s(1, 2 R2 r (3)卸船机总生产率Q为: Q , Q1 ， Q2 2 ，,,s ， 1 (c1r ， c2R)) H 2 (c1r ， c2R) +C03 ,s(1, (2-6-4) ,, R2 2,,r , , 2, dr 2gc1 r ， ， R1 1 (c1r ， c2R)) H, dr ， R , H,r,s(1, , 2 R r 2 2.6.2垂直螺旋卸船机功率计算 垂直螺旋卸船机螺旋轴驱动功率[61-65] 为: N , 2,niM R ,,s (2-6-5) 式中: n——垂直螺旋输送段螺旋叶片螺距总个数; i——垂直螺旋输送段螺旋头数。 2.7 理论模型的数值求解 通过对物料四种自由表面曲线方程、物料边界压力分布方程与力矩方程的 建立与求解，基于 VB工具，编制一套垂直螺旋卸船机计算机辅助设计程序。 垂直螺旋输送计算程序流程图如图 2-19所示。 53 武汉理工大学博士学位论文 1， 输入 ,， g， p (修正值)， R，f f 2， R0，H，,s， f， , 按式(2-3-2)计算, 若,s，ns 第二种自由 第三种自由 第四种自由表面截 第一种自由 表面截距按 表面截距按 表面截距按 NO NO NO 距按式 ( 2-3-式(2-3-12) 式(2-3-19) 式(2-3-7)与 ( 2-3-27 )， 26)， 与(2-3-15) 与(2-3-22) ( )， ( 2-3-8)求 2-3-30 ( 2-3-求h2,R1;按 h1,h2 ;按求h1,R2;按 31 )，求 式 h1,h2,R1,R2;按式 式(2-3-16) (2-3-9 )进式(2-3-23) 行 进行判定 进行判定 (2-3-32)进行判定 判定 Yes Yes Yes Yes 按式( 2-4-2)，按式 按式按式( 2-4-6)， ( ( 2-4-9)， 2-4-7)， (2-4-4)，(2-4-10)， ( 2-4- (2-4-8)，(2-4-12)， (,z, ,n 的表达2- 4-,z,,n 的表达 求,z1,,z2,,n的 11 )，求 (,z, ,n的表达式， 2-14 )求 式，按( 2-5-表达式，按(2-5-1)， 式，按(2-5-4-13 )求 2)， 4)， ( 2-5-按(2-5-3)，(2-5-7) 2-5-5 ( ) 求 ( 2-5-6 )求 求MR,M N MR,M N MR,MN MR,M N 8 )求 按式(2-5-10)求,R 按式(2-5-11)求,R 按式(2-5-9)求 按式(2-5-12)求,R ,R 按式按式( 2-按式按式( 2- ( 2-6-4)， ( 2-6-2)， 6-3)， 6-1)， (2-6-5)求生产 (2-6-5)求生产 (2-6-5)求生产 (2-6-5 )求生产 率和驱动功率 率和驱动功率 率和驱动功率 率和驱动功率 图 2-19程序设计流程图 2.8 理论模型的应用 应用本章所建立的垂直螺旋卸船机内物料颗粒群运动的散体力学模型及数 值计算方法。可为垂直螺旋输送机主要参数的确定提供了有效的设计方法。 以武汉理工大学研制的 L型螺旋卸船机的垂直输送段为应用实例，进行相 关性能参数求解计算与分析。该机生产率为 1200T/h，垂直输送长度为 16m， 54 武汉理工大学博士学位论文 输送物料为煤，物料密度为 1 T/m3，内摩擦系数 f为 , 0.3，物料与螺旋管壁及 螺旋叶面的摩擦系数 f1为 0.15，其它相关尺寸为:螺旋半径 R为 420mm，螺旋 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的输送量及阻力随螺旋转速的变化 轴半径 R0为 109.5mm，螺旋螺距 H为 750mm。 规律。当充填率为 0.3时，垂直螺旋卸船机生产率与功率随螺旋转速变化的关 系如图 2-20所示。图中 Q表示生产率，单位为 T/h;N表示功率，单位为 kW; 转速单位为 rpm;,k为物料临界转速。由图可知，在给定垂直螺旋卸船机相关 部件的尺寸参数及所输送物料的物性参数后，当充填率不变时，垂直螺旋输送 机螺旋转速小于临界转速时，输送机并未输送物料，但有功率消耗。当螺旋转 速超过临界转速，物料得以垂直输送，生产率与功率均随着螺旋转速的增大而 增大，且生产率增幅较功率增幅大。表明可以通过提高螺旋转速来增大生产率， 但功率也会随之增大。 图 2-20生产率与功率随螺旋转速变化关系图 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的输送量及阻力随充填率的变化规 律。充填率做为垂直螺旋输送重要的参数，其对垂直螺旋卸船机生产率和功率 均有较大的影响，为探求充填率对生产率及功率的影响，给定螺旋转速为 300rpm，通过程序计算，获得该螺旋转速下，垂直螺旋卸船机生产率及功率随 充填率的变化关系曲线图，如图 2-21所示，垂直螺旋卸船机生产率与功率随着 充填率的增大而增大。在螺旋转速一定时，可以通过提高充填率来提高卸船机 生产率，但功率也随之增大。 55 武汉理工大学博士学位论文 图 2-21生产率与功率随充填率变化关系图 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的输送效率随螺旋转速的变化规律。 图 2-22所示为效率随螺旋转速的变化关系曲线图。分别计算了充填率在 0.2、 0.3、0.4、0.5、0.6五种情况下，垂直输送效率随螺旋转速的变化关系曲线。从 图中可知，在临界转速以下时，由于未进行物料的垂直输送而使效率为零。超 过临界转速时，输送效率随螺旋转速的增大先增大后减小。理论模型的分析结 果表明:当充填率的增大可提高螺旋输送的效率，当充填率一定时，有一个效 率最高时的螺旋转速，输送效率随螺旋转速的变化规律是确定螺旋转速的主要 依据。 图 2-22螺旋输送效率随螺旋转速变化关系图 56 武汉理工大学博士学位论文 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的输送量及阻力随螺旋螺距的变化 规律。螺距是进行垂直螺旋卸船机设计的一个重要参数，为研究螺旋螺距对垂 直螺旋输送生产率及功率的影响，选取螺旋升角为 20º，充填率为 0.3时，垂直 螺旋卸船机生产率与功率随螺旋螺距变化的关系如图 2-23所示。图中 Q表示生 产率，单位为 T/h;N表示功率，单位为 kW;螺旋螺距单位为 mm。 图 2-23生产率与功率随螺旋螺距变化关系图 从图 2-23可知，垂直螺旋卸船机生产率和功率随螺旋螺距的增大而增大， 且生产率增幅由大变小，而功率增幅逐渐变大。 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的输送量及阻力随螺旋半径的变化 规律。螺旋叶片半径是进行垂直螺旋卸船机设计的一个重要参数，直接决定了 螺旋叶片和输送管的直径。为研究螺旋叶片半径对垂直螺旋输送生产率及功率 的影响，选取螺旋升角为 20º，充填率为 0.3时，垂直螺旋卸船机生产率与功率 随螺旋叶片半径变化的关系如图 2-24所示。图中 Q表示生产率，单位为 T/h; N表示功率，单位为 kW;螺旋螺距单位为 mm。 图 2-24生产率与功率随螺旋叶片半径变化关系图 57 武汉理工大学博士学位论文 从图 2-24可知，当充填率一定时，垂直螺旋卸船机生产率和功率随螺旋叶 片半径的增大而增大。但当螺旋叶片半径增大时，垂直输送螺旋的整体尺寸也 随之增大，整机尺寸及重量也随之增大，故螺旋叶片半径不可无限增大。 图 2-25螺旋转速与充填率变化关系图 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的阻力随充填率的变化规律。为探 求螺旋转速与充填率之间的变化关系，故给定螺旋卸船机生产率，通过程序求 解螺旋转速与充填率。设定螺旋卸船机生产率为 807T/h与 868T/h时，螺旋转 速与充填率变化的关系如图 2-25所示，ns表示物料临界转速，单位为 rpm。由 图可知，当生产率一定时，螺旋转速与充填率成负相关关系，与生产率计算公 式较符合。 图 2-25功率与充填率变化关系图 当生产率一定时，螺旋输送管内充填率变化会引起功率的变化。当螺旋转 速一定时，充填率增大会导致功率也增加，但当生产率一定时，由图 2-24所示 可知螺旋转速随充填率增大而减小。如图 2-25所示，为生产率一定时，功率与 58 武汉理工大学博士学位论文 充填率的变化关系。从图中可知，当充填率较小时，功率随充填率变大而减小， 后随充填率增大而增大。表明，当生产率一定时，可以取一个充填率，此时对 应该参数及生产率下，功率最低。 图 2-26螺旋转速与功率变化关系图 应用垂直输送机理模型，可描述输送机的阻力随螺旋转速的变化规律。如 图 2-26所示，当生产率为 868T/h时，螺旋转速与功率的变化关系曲线图。由 图可知，低转速时，卸船机功率较大，表明当生产率一定时，螺旋转速取较高 值时，功率反而较低，且存在一个使得功率最低的螺旋转速。 2.9 本章小结 本章应用散体力学、连续介质力学及颗粒群理论完成了对多头垂直螺旋输 送机理的理论建模与分析，建立了垂直螺旋卸船机内物料颗粒群稳定运动的散 体力学模型。 首先对螺旋槽内物料颗粒群的转速作出沿径向变化的假定，在此基础上通 过对物料的运动分析确立了物料运动特征参数，而后研究确定了输送机纵向截 面的物料自由表面类型及其判别、求解的方法，研究确定了物料颗粒群对输送 管壁及螺旋面的压力分布规律，最终建立了物料运动特征参数、生产率与螺旋 轴驱动功率的计算模型并给出数值计算方法。 应用本章提出的垂直螺旋输送机理分析模型，分别描述了输送机的输送量 及阻力随螺旋转速、物料充填率、螺旋直径及螺距等因素的变化规律，描述了 在给定输送量前提下螺旋转速与充填率、螺旋转速与功率及功率与充填率的变 化规律，为垂直螺旋输送机主要参数的确定提供了完备的设计方法。 59 武汉理工大学博士学位论文 第 3 章螺旋卸船机垂直输送过程仿 真分析 由于物料颗粒群内部复杂的力学特性，物料在垂直螺旋底部取料、通过中 间支撑处和垂直输送过程中运动的复杂性，及理论分析的理想化假定，致使目 前无法较全面模拟物料在垂直螺旋输送机取料、垂直输送、中间支撑处的运动 状态，离散元仿真分析方法为此类研究提供了有效的工具。本章以离散元理论 为基础，试图通过物料堆积角的实体与虚拟标定仿真实验获取物料相关物性参 数，借助离散元仿真分析软件 EDEM，对物料颗粒群在垂直螺旋输机底部取料、 垂直输送、中间支撑处的运动过程进行仿真研究。 3.1 离散单元法基本理论 3.1.1离散单元法简介 在经典散体力学中，采用了连续介质假定，把散粒体视为由无数连续分布 且各向性同的颗粒所组成的连续介质。基于连续介质假定，可以将固体力学中 应力与应变的概念引入散体力学中，为散体力学的研究提供了便利，极大的促 进了散体力学的发展。 连续介质假定有其固有的局限性。在连续介质之下，忽略了散粒体颗粒多 制度结构对散粒体整体的力学特性的较大影响，散粒体颗粒本身的几何和物理 特性如弹性、强度、颗粒表面粘附力、表面液膜液桥力、颗粒流情况和边界条 件等诸多因素难以在连续介质模型中实现。 为了解决上述问题， Cundall与 提出了离散单元法 Strackd等学者 [66-69] (distinct element method , DEM)作为研究散粒体介质的研究方法。DEM是一 种研究散粒体介质微观结构的数值解析工具，其基本原理建立在牛顿运动定律 之上。在 DEM中，散粒体为视为由许多离散的颗粒组成的集合，每一个颗粒 与其他颗粒之间存在接触、相对运动、能量传递，并且能够提供每一个颗粒的 详细信息。DEM模型避免了在利用连续介质模型进行研究的过程中需要通过实 验或经验得到的本构关系来对获得散粒体应力变形特征进行研究的弊端。利用 EDM为对散粒体进行研究已经成为有一定粒度和形状的颗粒体介质分析的主 60 武汉理工大学博士学位论文 要研究工具。 3.1.2接触力学模型 离散单元法利用牛顿第二定理确定每一个颗粒的位置与速度，达成这个目 标就必须明确得到每一个颗粒的受力情况。对于散粒体介质颗粒的结构特点， 需要通过结构尺度的合理划分与对跨尺度耦合的充分考虑来对散粒体介质颗粒 之间的相互作用进行合理的研究[70] 。散粒体介质在运动过程中，颗粒与颗粒之 间必然会发生相互的碰撞与接触，因此，接触理论是离散单元法的基础理论。 在理想情况下，不计颗粒的表面粘着力，即不考虑表面能时，可采用 Hook 定律或者 Hertz接触理论来计算颗粒的法向接触力，也可采用 Mindlin-Deresiewicz接触理论对颗粒之间的切向接触力进行计算。而在需要考 虑颗粒表面的粘着力与表面能时，应该采用 Johnson-Kendall-Roberts(JKR)理 论和 Derjagin-Muller-Toropov(DMT)理论等接触理论进行计算[71]。其中 Hertz 接触理论与 Mindlin-Deresiewicz接触理论是颗粒接触理论的基础。 (1)法向力 Hertz接触理论 在散粒体介质中颗粒的大小、形状有着很大的却别，但是球形颗粒额接触 理论是接触力学的基础理论。球形颗粒接触理论目前已经比较成熟，而对于复 杂形状的颗粒，可以通过球形颗粒的填充将颗粒与颗粒之间的接触问题转化成 球形颗粒的接触问题，在这样的简化中，显然球形填出颗粒的体积越小，其模 拟效果越好。 对于球形颗粒来说，其曲面接触的理论接触式 Hertz接触理论。在 Hertz接 触理论中法向力的计算采用如下假设:相互接触的两个球形曲面表面光滑均质， 曲之间的接触面积极小，在接触面上曲面仅发生弹性变形。图 3-13为 Hertz接 触理论中法向力计算模型，图中发生接触两个颗粒的半径分别为 R1、R2，,表 , , R1 ， R2 , r1 , r2 >0 (3-1) 示两个球形颗粒的法向重叠量。则,为: 式中: R1——颗粒 1的 半径; R2——颗粒 2的 半径; r1——颗粒 1球心的位置 矢量; r2——颗粒 2球心的位置 矢量。 61 武汉理工大学博士学位论文 2a 图 3-1 Hertz理论中两球形颗粒弹性接触变形 颗粒间接触面为球形，则接触面的半径 a为: a , ,R, (3-2) 颗粒间法向力 N 为: 4 3/2 N , E,(R,)1/2 , (3-3) 3 , , , (3-4) N , 3E3 也可表示为: 4R * ——有效颗粒半径; 式中: * R ——有效弹性模量。 E 1, , 1 ， 1 (3-5) R R2 R 1 2 (3-6) 1 1, v2 1, v1, , ， E E1 2 E2 式中: E1——颗粒 1弹性模 量; E2——颗粒 2弹性模 量; 2——颗粒 2泊v v1——颗粒 1泊松比; 松比。 (2)切向力 Mindlin-Deresiewicz接触理论 散粒体介质中的颗粒在接触与碰撞的过程中，由于其相对的切向运动会产 生切向作用力。在不考虑颗粒之间的粘结作用时，可采用 Mindlin-Deresiewicz 接触理论进行描述。在 Mindlin-Deresiewicz接触理论中，发生切向接触且有相 62 武汉理工大学博士学位论文 对运动的颗粒，会首先沿着接触表面进行圆周滑移，随后滑移会通过接触面发 展至颗粒的内部，使颗粒在接触面上发生切向变形，其作用模型如图 3-14所示。 图 3-2 Mindlin-Deresiewicz接触理论中两球形颗粒切向接触模型 当两表面切向位移增量为,,时，则切向力增量,T为: k ,T , 8aG,,k,, ， (,1) ,(1,,k ),N (3-7) k =0,1,2分别对应切向力加载、卸载、卸载后重新加载后的情况。 若 ,T , ,,N， 则: ,k ,1 若 ,T , ,,N， 则: 1/3 , 1, T ， ,,N , , k , 0 , , , , ,N , , , ,k , ,, 1/3 (3-8) k ， ， ，,1， , T Tk ,1, , ,k ,1,2 , ， , ，， 2,,N , , ,， , ， 2,N 式中:,——颗粒表面静摩擦系数; N——法向力; G, ——有效剪切模量。 63 武汉理工大学博士学位论文 2, v 2, v2 G, , 1 ， (3-9) G1 G2 式中:G1——颗粒 1剪切模 量; G2——颗粒 2剪切模量。 G1与G2可以由弹性模量和泊松比经式(3-11)、式(3-12)确定。 E1 1 , (3-10) G2(1， v1) E2 G2 , (3-11) 2(1， v2) 3.1.3颗粒接触模型简化 在颗粒之间相互作用的导致数值计算相当繁琐，不利于工程实际中获得颗 粒之间接触力的数值解。而采用离散元仿真软件对散粒体介质进行仿真时，接 触力计算的复杂会导致仿真时间的大大增加，为解决这个问题，需对颗粒之间 的接触力模型进行简化。 (1)软球模型 软球模型是一种常用的颗粒体接触力简化模型，由 Cundall和 Strack于 1979 年提出。在软球模型中，利用弹簧和阻尼器的组合作用表示法向接触力，利用 弹簧、阻尼器和滑动器的组合表示切向接触力，从而达到简化接触模型的目的。 在软球模型中，弹簧可以使得颗粒之间的变形恢复，以表征颗粒的弹性变形; 阻尼器可以消耗颗粒的能量，以表征塑形变形。Cundall和 Strack[72] 基于软球模 型开发了而为圆形颗粒接触仿真程序 BALL，并利用 BALL对散粒体介质的力 学行为进行了研究，结果与是呀测定的结果吻合的比较好，也奠定了离散单元 法在研究散粒体介质本构关系研究中的地位。 以二维颗粒的碰撞为例，当颗粒 i与颗粒 j发生接触式，假设接触瞬间 的颗 粒线速度分别为vi与v j，转动速度分别为,i与, j，如图 3-3所示。 64 武汉理工大学博士学位论文 vi a i ,i n , j j vj r rj i 图 3-3软球模型示意图 颗粒之间的法向作用力为: , Fij , kn ， dnM (vij ，nij) (3-12) n 其中 kn为法向刚度系数，dn为法向阻尼系数，M为颗粒的计算质量，计算 质量可按照下式计算: m m i j M , mi ， mj (3-13) 切向接触力也可以处理为弹簧力与阻尼力: , Fij , ,dtM (vij ，t ij), kt ,t (3-14) t 如果弹簧力 kt ,t大于最大静摩擦力usFij ，则应该用静摩擦力代替上式中的 n 弹簧力，方向不变。即: , n Fij , ,dtM (vij ，t ij),usFij (3-15) t 式中: kt切向刚度系数， dt为切向阻尼系数，,t为接触瞬间颗粒的切向位 移，us为静摩擦系数。将颗粒之间的法向接触力与切向接触力进行叠加就得到 了颗粒之间的接触力。 , , t Fij , Fij ，nij， Fij ，t (3-16) ij n 利用软球模型进行颗粒的接触力计算，无需考虑接触应力的加载过程，只 需要根据颗粒之间的相对位置进行计算[73-75] ，作为一种数值计算的模型，可简 化计算过程降低计算强度，适合在工程问题中运用。 65 武汉理工大学博士学位论文 (2)硬球模型 在特殊情况下，两颗粒之间的相互接触不存在颗粒的破坏与粘连问题，在 颗粒变形不大的情况下甚至乐意忽略颗粒的变形。采用硬球模型进行颗粒接触 力的计算可以进一步简化计算过程，降低计算强度。在硬球模型中，只需考虑 接触前后颗粒的动量和动能等状态量的变化[76-79]。硬球模型原理图如 3-4所示。 vi vj ,i i , j j 图 3-4硬球模型示意图 由于硬球模型对于颗粒之间接触问题的过分简化，只适用于低浓度颗粒流 的仿真过程，同时目前计算机技术的发展，这样的简化就显得更加没有必要， 因此在采用离散单元法进行工程问题的数值求解问题时，多采用软球模型作为 颗粒接触力计算的简化模型。 3.1.4散粒体介质颗粒接触力力链 当散粒体介质的颗粒浓度较大时，接触的颗粒与颗粒之间形成相互的链接 组成稳定的直线形力链，许多力链条相互交错形成力链网络，从而支撑整个散 粒体介质的全部重量。力链可以表征散粒体介质内部作用，在离散单元法中对 散粒体力链的仿真，是非常重要的环节。在连续介质假定之中，散粒体被处理 成连续均质的介质，这样的假定并不能描述散粒体介质内部的接触力力链[80] 。 图3-17为采用动态光弹技术拍摄到的大颗粒撞击大量颗粒密集堆积形成的床面 时产生的瞬间接触力力链，力链局部颜色越暗对应接触力越大。 66 武汉理工大学博士学位论文 图 3-5动态光弹技术拍摄的接触力力链[81] 在图 3-5中，力链局部颜色的深浅可以表征该处接触力的大小。散粒体介 质越密实，所受压力越大，则形成的力链越粗越稳定，且力链的方向基本与该 位置的压力方向相同。处在力链之中的颗粒不易发生滑移，力链会作为整体发 生变形，产生变形抗力，来抵抗外部的剪切力。如图 3-6所示，作用在接触力 力链上的力 F在 x和 y方向上的分量分别为 Fx、Fy，对时间和体积平均得到接 触应力比值, xy /, yy有如下关系: , xy , (Fxly) (3-17) , yy (F l ) y y 其中，lx与ly分别为两颗粒距离矢量l在 x和 y方向上的分量。 F Fy Fx F 图 3-6接触力力链抵抗变形原理图 在不考虑粘结时，应力比值, xy /, yy也就是散粒体介质的内摩擦系数。接触 应力力链的性质由外载荷所决定[82-87] 。 67 武汉理工大学博士学位论文 3.2 物料特性参数获取 3.2.1堆积角及其实验测量 堆积角又名休止角、安息角，是表征物料流动性的主要参数。其定义为: 在重力场中，物料堆积体处于平衡状态时其自由表面与水平面之间的最大夹角。 散粒体物料在水平面上自然堆积成锥形时，能够保持的稳定时，自由表面与水 平面之间的最大角度称为堆积角。堆积角越小，散粒体物料的流动性越好，散 粒体物料的物理特性就越接近液体;堆积角越大，散粒体物料的流动性越差， 散粒体物料的物理特性就越接近固体。图 4-1为堆积角示意图，图中 α表示堆 积角。 图 3-7堆积角示意图 实验材料为煤粉(工业试验所用物料)，其粒度小于 4.75mm，由孔 径为 4.75mm的标准方孔筛制备，如图 3-8所示;在实验室温度 29?时，煤粉的相 对湿度为 60%，制备的试样如图 3-9所示。 图 3-8孔径 4.75mm的标准方孔筛图 3-9实验制备的煤粉试样 本次实验参考现行的 GB 11986-1989《表面活性剂、粉体和颗粒堆积角的 测量》[88-91]，自制一台如图 3-10所示的堆积角测定仪，漏斗放置在支架环上， 68 武汉理工大学博士学位论文 支架环固定在垂直于基台的支杆上，以便于控制煤粉的下落高度，并保证漏斗 左右两侧支架保持在同一个水平面上。漏斗中心与料盘中心的直线垂直于底盘， 保证煤粉下落在料盘中心。 图 3-10堆积角测定仪 本自制堆积角测定仪的相关尺寸如表 3-1所列: 表 3-1堆积角测试仪相关尺寸 漏斗流出口径[mm] 10 漏斗锥角[?] 60 漏斗卸料口距料盘高度[mm] 75 料盘直径[mm] 100 25 料盘上表面距基台距离[mm] 测试堆积角的实验步骤为: (1)煤粉在 105?下干燥 4h，放置实验室内自然冷却后通过孔径为 4.75mm 的标准方孔筛除去杂物，准备测定; (2)按图 3-10将测定装置各部分组装于实验台上，调整漏斗水平，并确 保漏斗中心与料盘中心的直线垂直于底盘，其方法如图 3-11所示; (3)初始时堵住漏斗流出口，将煤粉倒入漏斗; (4)松开出口，使用搅动棒慢慢搅动，使煤粉从漏斗孔口流出，如图 3-12 所示; (5)待煤粉全部流出后，用钢直尺测量料盘上煤堆高度 Hi，记录高度值， 69 武汉理工大学博士学位论文 如图 3-13所 示; 图 3-11漏斗的调平与对中图 3-12搅动棒搅动煤粉下落图 3-13测量煤堆高度 (6)连续测定 5次，根据式(3-18)计算得到每次实验对应的堆积角 Ai， 从而根据式(3-19)、式(3-20)求出堆积角的算术平均值 Aep和均方差,。 Ai , arctan 2100Hi (3-18) 5 Aep , 1 (3-19) Ai , 5 i,1 5 1 , , (3-20) ,， Ai , Aep， 5 i,1 2 舍弃偏离算术平均值3,的测定值，取所余测定值的算术平均值为测定结果。 实验测试结果见表 3- 2。 表 3-2实验结果 实验次数 项目 1 2 3 4 5 D(mm) 100 Hi(mm) 30 33 31 32.5 32 Ai(?) 30.77 33.14 32.75 32.37 31.58 Aep(?) 32.12 Ai , Aep(?) 1.35 1.02 0.54 0.63 0.25 ,(?) 0.85 测定结果(?) 32.12 70 武汉理工大学博士学位论文 由于五组数据中，测定值均未偏离算术平均值3,，故取 5组测定值的 算术 平均值为测定结果，即 32.12?。 3.2.2离散元中材料物性参数 EDEM中需要的材料物性参数大致可分为三类: (1)材料本征参数:泊松比、剪切模量和密度。这是材料自身的特性参数， 和外界无关，通常来说能比较固定，可以从一些物性手册或文献中查到，也有 比较成熟的实验方法可以测得。 (2)材料基本接触参数:碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数。这 是两个物体发生接触时才会起作用的物性参数，和发生接触的两个物体都有关 系。这三个参数变化非常大，不同抛光度的钢球其摩擦系数会有很大的不同， 因此无法做成物性手册或数据库的形式供查阅。通常都需要采用实验测定或―虚 拟实验‖标定。 (3)接触模型参数。某些特殊的接触模型还会需要额外的模型参数，如 JKR Cohesion和 Linear Cohesion需要一个―能量密度‖来表征颗粒接触的粘性， Bonding模型需要五个额外参数以描述颗粒间粘结键的作用等等。这些参数由 于是模型化的，与实际的物料特性直接换算较为困难，通常必须采用―虚拟实验‖ 标定。 “虚拟实验”标定又叫“参数匹配”，是离散元研究中确定物料参数常用的 方法，其主要原因就是离散元算法需要的参数非常模型化，难以直接获取。其 做法就是模拟一些基本的物料参数实验，如堆积角、料仓卸料等，通过不断的 调整离散元参数，使模拟出来的物料堆积角、卸料质量流率等与真实情况相一 致，则认为该参数值是符合实际情况的。 Bonding模型中的参数，可以模拟三轴应力实验、十字板剪切实验等，当 模拟获得的应力应变参数与真实实验获得的参数相一致，即可认为参数是准确 的。 本章参考现行的 GB 11986-1989《表面活性剂粉体和颗粒堆积角的测量》 标准[92]，采用固定漏斗法对煤粉的堆积角进行测量，并在离散元仿真软件 EDEM 中复现这一实验过程，通过不断修改 EDEM中相应仿真参数，使仿真结果最大 程度地接近实际实验(控制误差在 5%以内)，进而获取可应用于工程实际仿真 的离散元仿真参数，以此参数进行螺旋卸船机垂直输送段的离散元仿真分析。 71 武汉理工大学博士学位论文 在进行离散元软件 EDEM仿真时，需要输入的参数主要包括:环境的重力 加速度;颗粒体、几何体的泊松比、剪切模量和密度;颗粒间、颗粒与几何体 之间的静摩擦系数，滚动摩擦系数和恢复系数;颗粒体半径(默认为球体时) 等。 为使 EDEM软件仿真结果同实际实验相吻合，可以对上述所有参数都进行 调整，但会导致仿真的工作量巨大。因此，在保证实验有效性前提下，仿真时， 部分参数采用与实际实验相同的取值，比如重力加速度，但如颗粒体与几何体 确定之后，其泊松比、剪切模量和密度是可以准确确定的，即相当于常量，不 做改变。 此外，上述各项参数对仿真结果的影响并不完全相同。Hiroshi Nakashima[93] 等学者在其研究中发现:重力加速度对沙堆堆积角的影响微乎其微;球形颗粒 的半径在一定范围内对堆积角的影响甚弱;静摩擦系数和恢复系数对堆积角的 影响较小;滚动摩擦系数在离散元模型中的作用是线性的，而且随着滚动摩擦系 数的增加，堆积角也将增加。因此，就堆积角而言，滚动摩擦系数无疑是影响最 大的因素，本次仿真就主要对该系数进行变化，以寻找最优的仿真参数组合。 3.2.3 EDEM仿真参数设置 (1)颗粒尺寸与形状 本次仿真的颗粒对象为煤粉，为使仿真更贴近实际，本文在分析煤粉组成 的基础上，通过球体拟合的方法[94] 创建了三种原型颗粒:一种球形煤粒和两种 异型煤粒。其形状分别如图 3-14、3-15、3-16所示。 图 3-14颗粒类型 1图 图 3-16颗粒类型 3-15颗粒类型 2 3 72 武汉理工大学博士学位论文 但通过初步计算，结合 L型螺旋卸船机垂直输送段三维模型相关尺寸，颗 粒尺寸若按原型尺寸创建，颗粒数量总规模高达 3200多万，而本文所用 EDEM 软件版本计算极限颗粒量为 100万，故综合考虑软件计算能力、仿真模型和仿 真分析目标，将原有颗粒尺寸放大 20倍，以实现卸船机垂直输送段物料输送仿 真，各类型颗粒尺寸及所占比例如表 3-3所列。 表 3-3颗粒尺寸及所占比例表 类型 所占比例 长度(mm)宽度(mm)高度(mm) 50% 颗粒类型 20 20 20 1 40 20 20 40% 颗粒类型 80 40 40 10% 2 三种类型的颗粒在离散元仿真软件 EDEM中均设置为半径(此处为颗粒的 颗粒类型 广义半径)服从正态分布，均值为半径的 1倍，方差为 1mm。 3 (2)颗粒与几何体的材料属性 表 3-4材料属性表 密度(kg/m3) 材料 泊松比 剪切模量(Pa) 7 1023 煤粉 0.4 1.1，10 10 1.0，10 钢 0.3 7850 表中，泊松比、剪切模量、密度参数取自文献[95]，煤粉的密度为实际测量值。 (3)颗粒与几何体的接触属性 表 3-5接触属性表 相互作用 恢复系数 静摩擦系数 滚动摩擦系数 煤粉—煤粉 0.5 初设为 0.6 煤粉—钢 0.03 0.4 0.5 0.05 (4)接触模型 离散元法模拟的是运动在颗粒集合中的传播过程，颗粒运动必然引起颗粒 之间的相互碰撞并产生力、位移和形变。接触模型就是描述三者之间相互关系 的物理模型。EDEM软件本身内置了七种接触模型，见表 3-6所列: 73 武汉理工大学博士学位论文 表 3-6 EDEM接触模型 表 种类 接触模型 1 Hertz-Mindlin(no slip) 2 Hertz-Mindlin with Bonding 3 Hertz-Mindlin with Heat Conduction 4 Linear Cohesion 5 Linear Spring 6 Moving Plane(Conveyor) 7 Tribocharging(with Hertz-Mindlin) 本次仿真中，颗粒与颗粒之间，颗粒与几何体之间的接触模型均采用 Hertz-Mindlin(no slip)。该接触模型是基于 Hertz-Mindlin接触理论，较符合本 仿真中颗粒的接触和运动状态。 3.2.4物料特性的 EDEM仿真 根据 EDEM软件的特点，本次仿真对实际物料模型进行了适当简化，其主 要由一个漏斗和底板组成，其尺寸如图 3-17所示。 图 3-17堆积角测定仪 EDEM仿真模型 EDEM仿真采用注入法，其过程为:先利用 EDEM软件颗粒工厂功能在漏 斗中生成物料(漏斗口下方用几何体挡住，该几何体在 EDEM软件中创建，可 74 武汉理工大学博士学位论文 随时设置其显现与消失)，待装满整个漏斗后停止生成并静止一段时间，此时设 置漏斗口几何体消失，物料开始下落并最终在底板上形成料堆[96]。利用 EDEM 软件自带的直尺功能，测量料堆锥体的底部直径 D和高度 H，并进行记录;重 复进行本次仿真 5次，按 4.2.1.3节中所示方法计算仿真所得的堆积角。 将仿真计算结果同实验计算结果不断进行比对，并不断重新调整煤粉与煤 粉之间，煤粉与钢之间的滚动摩擦系数，直到实验计算结果与仿真计算结果的 差距在 5%以内，以获得较合理的该煤粉物料在离散元中相对应的仿真参数。 利用 EDEM软件后处理模块自带的直尺功能[97]，测量料堆锥体的高度 Hi， 再通过公式计算仿真所得的堆积角。将仿真计算结果同实验计算结果不断进行 比对，重新调整煤粉与煤粉之间的滚动摩擦系数，直到实验计算结果与仿真计 算结果的差距在 5%以内，此时，我们便认为获得了合理的离散元仿真参数。 当煤粉与煤粉之间的滚动摩擦系数为 0.03时，料堆高度为 26.5mm (=51.5-25)，如图 3-18所示。计算得到的堆积角为 27.81?，与实验测量值的相 对误差为 13.41%，大于 5%的临界误差，不合格。 图 3-18滚动摩擦系数 图 3-19滚动摩擦系数 0.03时的料堆 0.05时的料堆 调整煤粉与煤粉之间的滚动摩擦系数为 0.05，重新进行仿真，此时仿真得 到的料堆高度为 30.5mm(=55.5-25)，如图 3-19所示。计算得到的堆积角为 31.17?，与实验测量值的相对误差为 2.95%，小于 5%的临界误差，合格。 图 3-20滚动摩擦系数 0.06时的料堆 75 武汉理工大学博士学位论文 为了验证 0.05是否是最优合格参数，本文继续调整煤粉与煤粉之间的滚动 摩擦系数为 0.06，重新进行仿真，此时仿真得到的料堆高度为 30mm(=55-25)， 如图3-20所示。计算得到的堆积角为30.77?，与实验测量值的相对误差为4.20%， 小于 5%的临界误差，但是大于滚动摩擦系数为 0.05时的临界误差 2.95%，所 通过将仿真计算结果同实验计算结果进行对比并不断调整参数，我们获得 了满足条件的角度值，如表 3-7。 以 0.05最优合格参数。 表 3-7仿真结果 仿真次数 项目 1 2 3 4 5 fi(滚动摩擦系数) 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Di 100 Hi 26.5 28 30.5 30 29.6 Ai 27.81? 29.1? 31.17? 30.77? 30.44? As 32.12? Ai , As 13.42% 9.4% 2.95% 4.2% 5.23% As 仿真结果 0.05 此时，对应的煤粉与煤粉之间的滚动摩擦系数为 0.05。通过实验与仿真的 反复对比，得到了可用于同种物料工程实际仿真的仿真参数组，如表 3-8所示。 离散元法模拟的是运动在颗粒集合中的传播过程，颗粒运动必然引起颗粒 之间的相互碰撞并产生力。仿真所选取的物料颗粒为粉煤，考虑其物料颗粒物 性、接触和运动状态，故颗粒与颗粒之间、颗粒与几何体模型之间均采用基于 无滑动的 Hertz-Mindlin(no slip)接触模型[98]。 表 3-8接触属性表 相互作用 恢复系数 静摩擦系数滚动摩擦系数 接触模型 煤粉—煤粉 0.5 0.6 0.05 Hertz-Mindlin(no slip) 煤粉—钢 0.4 0.05 Hertz-Mindlin(no slip) 0.5 76 武汉理工大学博士学位论文 3.3 物料垂直输送过程的 EDEM仿真 分析 建立仿真模型，设置确定相关的仿真参数，对螺旋卸船机垂直输送进行各 工况条件下的散体垂直输送仿真。分析在不同充填率及转速下，散体物料在螺 旋卸船机垂直输送中的输送过程、状态及性能。 3.3.1 EDEM仿真模型 以额定生产率为 1200T/h的螺旋卸船机垂直输送机相关尺寸为基础，选择 立铣式螺旋取料装置为螺旋垂直输送段提供稳定物料。垂直输送螺旋的建模， 则根据垂直螺旋结构特点，考虑仿真规模和计算时间，截取一段垂直输送螺旋， 以较完整仿真螺旋卸船机垂直输送过程。具体建模尺寸为:垂直螺旋为双头右 旋，其直径为 820mm，叶片厚度为 10mm，螺旋长度为 7000mm，输送管内径 为 844mm，管壁厚度 10mm。三维建模采用 SOLIDWORKS机械建模软件，图 3-21所示为所建垂直输送段 EDEM仿真模型。 图 3-21垂直输送段 EDEM仿真模型图 3-22物料垂直输送过程 EDEM仿真 图 3-22所示为垂直输送过程中物料运动状态 EDEM仿真图。 EDEM对物 料垂直输送过程的仿真视频中可较为直观地考察物料在垂直螺旋中的输送过 程。 77 武汉理工大学博士学位论文 3.3.2物料垂直输送的仿真参数与方案 依据前述部分物料堆积角的实验及离散元虚拟仿真标定获得的试验用煤粉 的物性参数，螺旋卸船机物料在垂直输送过程仿真的相关参数及接触模型设置 见表 3-4与 3-8所示。 仿真方案为:结合 L型螺旋卸船机实际工作中的工况，为较全面仿真输送 过程，同时考虑到仿真中颗粒数目以接近 EDEM软件的极限(100万颗)[99] ， 单次仿真时间历时近一月，故仿真方案如表 3-9所示。 表 3-9工况仿真方案 组别 机构 机构 机构 转速(rpm) 转速(rpm) 转速(rpm) 1 80 0.364 228 2 252 80 0.364 3 80 0.364 270 4 80 0.364 282 水平 水平 5 80 0.52 300 垂直螺 螺旋 回转 6 旋转速 80 300 0.468 转速 转速 7 80 0.416 300 8 80 0.364 300 9 80 0.312 300 仿真方案在综合考虑仿真规模、计算时间的基础上，针对螺旋卸船机垂直 螺旋输送性能最重要的两个参数——充填率与螺旋转速，对不同充填率及螺旋 转速下的输送过程及性能进行仿真分析。 3.3.3物料转速假定仿真验证 设定垂直螺旋轴转速为 300rpm，物料颗粒数为 96000，垂直螺旋充填率为 50%时，对物料输送过程进行 EDEM仿真。图 3-23中颗粒群是根据角速度进行的着色，绿色表示小转速，红色代表大转速[100] 大小 。仿真结果表明:在螺旋径 向方向上，物料颗粒在输送管壁部位数量最多，螺旋轴根部最少，这与第 2章 输送理论分析所获得的第四类自由表面曲线相吻合;颗粒群角速度在螺旋径向 上有从根部到管壁的由小到大变化(剔除极少数随机跳动颗粒)，与本文第 2章 78 武汉理工大学博士学位论文 输送理论建模中所作物料转速沿径向变化的假设相吻合。 图 3-23稳定输送时颗粒在螺旋径向截面内运动分布 3.3.4不同充填率下垂直输送过程的仿真分析 3.3.4.1颗粒轴向输送速度的变化 设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平螺旋转速为 80rpm，料堆高度为 700mm， 通过改变水平取料段转速实现五种不同充填率进行 EDEM仿真，图 3-24显示 了垂直螺旋卸船机中颗粒整体平均轴向输送速度的变化情况。仿真结果表明， 随充填率增大，垂直螺旋输送中颗粒平均轴向线速度缓慢递减，但对比充填率 的增幅而言，物料颗粒群平均轴向线速度减小的幅度较小。充填率增幅为 65% 时，物料颗粒群平均轴向线速度减小幅度仅为 8.26%。当垂直螺旋转速一定时， 充填率的变化对垂直螺旋输送中物料颗粒的平均轴向线速度的影响较小(最大 仅为 8.26%)。 图 3-24不同充填率下颗粒的平均轴向线速度趋势图 79 武汉理工大学博士学位论文 3.3.4.2螺旋轴轴向受力的变化 在与 3.3.2.1节相同参数设定条件下，通过改变水平取料段转速实现五种不 同充填率进行 EDEM仿真，图 3-25显示了垂直螺旋叶片所受轴向平均合力的 变化情况。仿真结果表明，随充填率增大，螺旋叶片所受轴向平均合力先增幅 较明显，但当充填率超过一定时，充填率再增大，螺旋叶片所受轴向平均合力 增幅变小。当充填率从 0.40变化到 0.46与 0.53时，叶片所受轴向平均合力的 增幅分别为 16.8%和 15.4%;而当充填率从 0.53变化到 0.59与 0.66时，叶片所 受轴向平均合力的增幅分别仅为 0.38%和 0.42%。仿真表明，当充填率较小时， 充填率对螺旋所受轴向平均合力的影响较大，而当充填率超过某个值后，充填 率再增加，但叶片所受轴向平均合力增幅微小。 图 3-25不同充填率下螺旋叶片平均轴向受力趋势图 3.3.4.3螺旋轴所受轴向平均总力矩的变化 在与 3.3.2.1节相同参数设定条件下，通过改变水平取料段转速实现五种不 同充填率进行 EDEM仿真，图 3-26显示了垂直螺旋所受平均轴向总力矩的变 化情况。仿真结果表明，随充填率增大，螺旋所受平均轴向总力矩而增大。当 充填率从 0.40变化到 0.46与 0.53时，螺旋所受平均轴向总力矩的增幅分别为 24.7%和 6.4%;而当充填率从 0.53变化到 0.59与 0.66时，螺旋所受平均轴向 总力矩的增幅分别仅为 8.7%和 9.9%。充填率对螺旋所受平均轴向总力矩的影 响较大，维持物料轴向运动速度不变所需的功率也较大。 80 武汉理工大学博士学位论文 图 3-26不同充填率下螺旋轴所受轴向平均总力矩趋势图 3.3.4.4垂直螺旋输送生产率的变化 垂直螺旋卸船机输送量可用数量检测方法测定颗粒的质量流量来进行分 析。质量流量是指单位时间内通过垂直于螺旋轴的某个断面的颗粒质量之和， 该断面通常位于两个边界中间[101] 。 通过 EDEM后处理获取不同工况下螺旋卸船机垂直输送的质量流量。在与 3.3.2.1节相同参数设定条件下，通过改变水平取料段转速实现五种不同充填率 进行 EDEM仿真，图 3-27显示了垂直输送螺旋生产率的变化情况。仿真结果 表明:随充填率增大，垂直螺旋卸船机中颗粒平均质量流量增大。当充填率从 0.40变化到 0.46与 0.53时，垂直螺旋所受平均轴向总力矩的增幅分别为 9.97% 和 4.1%;当充填率从 0.53变化到 0.59与 0.66时，垂直螺旋所受平均轴向总力 矩的增幅分别为 4.4%和 6.5%。增大充填率可显著提高螺旋卸船机的生产率。 图 3-27不同充填率下垂直螺旋生产率趋势图 81 武汉理工大学博士学位论文 3.3.5不同转速下垂直输送过程的仿真分析 3.3.5.1颗粒轴向输送速度的变化 设定水平取料螺旋转速为 80rpm，水平取料螺旋回转转速为 0.364rpm，料 堆高度为 700mm，实现充填率相同，改变垂直螺旋转速进行 EDEM仿真，图 3-28显示了垂直螺旋卸船机中颗粒整体平均轴向输送线速度变化情况。仿真结 果表明，随垂直螺旋转速增大，垂直螺旋输送中颗粒平均轴向线速度而增大。 当垂直螺旋转速从 228rpm变化到 252rpm与 270rpm时，颗粒平均轴向线速度 的增幅分别为 18.4%和 14.6%，而当垂直螺旋转速从 270rpm变化到 282rpm与 300rpm时，颗粒平均轴向线速度的增幅分别为 3.9%和 6.3%。增大螺旋转速可 以提高螺旋输送中物料的轴向线速度，进而可提高卸船机的生产率。 图 3-28不同转速下颗粒的平均轴向线速度趋势图 3.3.5.2螺旋轴轴向受力的变化 在与 3.3.3.1节相同参数设定条件下，改变垂直螺旋转速进行 EDEM仿 真， 图 3-29显示了垂直螺旋所受轴向平均合力的变化情况。仿真结果表明，随垂直 螺旋转速增大，垂直螺旋轴所受轴向平均合力亦增大。当垂直螺旋转速从 228rpm变化到 252rpm与 270rpm时，螺旋轴所受轴向平均合力的增幅分别为 5.58%和 4.3%，而当垂直螺旋转速从 270rpm变化到 282rpm与 300rpm时，螺 旋轴所受轴向平均合力的增幅分别为 2.8%和 5.3%。随垂直螺旋转速增大，螺 旋轴所受轴向平均合力略微增大，但其幅度较充填率变化引起的螺旋轴所受轴 向平均合力增幅相比先较小后较大。 82 武汉理工大学博士学位论文 图 3-29不同转速下螺旋轴轴向受力趋势图 3.3.5.3螺旋轴所受轴向平均总力矩的变化 在与 3.3.3.1节相同参数设定条件下，改变垂直螺旋转速进行 EDEM仿 真， 图 3-30显示了垂直螺旋轴所受平均轴向总力矩的对比情况。仿真结果表明，随 垂直螺旋转速增大，螺旋轴所受轴向平均合力亦增大。当垂直螺旋转速从 228rpm变化到 252rpm与 270rpm时，螺旋轴所受轴向平均合力的增幅分别为 1.8%和 0.7%，而当螺旋转速从 270rpm变化到 282rpm与 300rpm时，螺旋轴所 受轴向平均合力的增幅分别为 3.7%和 5.2%。随垂直螺旋转速增大，螺旋轴所 受平均轴向总力矩略微增大，但增幅较充填率变化引起的螺旋轴所受平均轴向 总力矩增幅相比较小。 图 3-30不同转速下螺旋轴轴向平均总力矩趋势图 3.4 输送机底部取料过程的 EDEM 仿真 垂直螺旋输送段中的物料流量是由取料装置的供料特性所确定的，要充分 利用垂直输送机的输送能力，有必要深入研究物料在取料过程中的运动规律。 83 武汉理工大学博士学位论文 本节以立铣式取料装置为仿真对象，模拟物料的运动特性，寻求相关的变化关 系，达到保证垂直螺旋具有稳定充填率的目的。 3.4.1 EDEM仿真模型 L型螺旋卸船机的螺旋取料装置采用可绕垂直螺旋中心回转的水平集料螺 旋，水平螺旋外管部分裸露，垂直输送螺旋下部半裸露。水平集料螺旋变螺距。 立铣式螺旋取料装置的工作过程为:水平螺旋供料机侧向敞口面对料堆回转， 物料在供料机内轴向输送，压入垂直输送机下部敞口处，垂直输送螺旋将物料 提升。 立铣式取料装置的水平取料螺旋采用直线母线变螺距螺旋叶片。其螺距由 左至右逐渐变小，考虑到螺旋叶片拉制工艺，螺距取 850mm，700mm与 650mm 三种规格，螺旋外径为 1200mm，螺旋轴径为 219mm。图 3-31为所建取料装置 EDEM仿真模型。 图 3-31输送机底部取料装置 EDEM仿真模型 由于本次仿真的螺旋卸船机取料装置相关尺寸较大，为较好实现螺旋卸船 机垂直输送过程仿真，颗粒数量总规模高达 3200多万，而本文所用 EDEM软 件版本计算极限颗粒量为 100万，故综合考虑软件计算能力、仿真模型和仿真 分析目标，取料装置物料输送仿真使用球形颗粒，颗粒半径为 15mm，螺旋叶片及 支架等材质为 Q345钢。EDEM仿真的相关参数及接触模型设置见表 3.4.2底部取料过程仿真方案 3-4与 3-8 所示。 结合 L型螺旋卸船机实际工作中的工况，为较全面仿真输送过程，同时考 84 武汉理工大学博士学位论文 虑到仿真中颗粒数目以接近 EDEM软件的极限(100万颗)[102] ，单次仿真时间 历时近一月，故制定如下仿真方案，见表 3-10所示。 表 3-10工况仿真方案 组别 机构 转速(rpm) 机构 转速(rpm) 机构 转速(rpm) 1 60 0.416 300 2 65 0.416 300 3 70 0.416 300 4 75 0.416 300 水平 水平 5 80 0.52 300 垂直螺 螺旋 回转 6 旋转速 80 300 0.468 转速 转速 7 80 0.416 300 8 80 0.364 300 9 80 0.312 300 3.4.3底部进料过程的仿真分析 取料装置的半裸水平取料段面向料堆的转动，使水平取料螺旋内充满物料， 水平取料螺旋的旋转将物料压入垂直螺旋底部进料口处，在物料进入垂直输送 机底部后，由于垂直螺旋的高速旋转，已进入物料所产生的离心力对正在进入 的物料有排斥作用，水平取料螺旋沿供料方向螺距变小提供足够的轴向推力将 物料压入输送机。进料过程中的颗粒受到水平螺旋的推力、垂直螺旋旋转产生 的离心力、自身重力、摩擦力等的综合作用，物料经历了沿水平螺旋轴方向的 减速和沿输送螺旋周向的加速，运动及受力状态极为复杂。离散元仿真较为直 观的描述了物料颗粒运动过程。 3.4.3.1垂直螺旋底部进料口处物料速度的变化 通过离散元仿真，可定性地反映物料运动速度的变化状态，如图 3-32所示， 物料颗粒运动速度着色进行直观分析，图中颗粒群是根据速度大小进行的着色， 绿色表示小转速，灰色代表中等转速，红色代表大转速[103-108] 。 85 武汉理工大学博士学位论文 图 3-32底部进料口颗粒运动矢量图 由物料颗粒 Z向的输送速度变化图(图 3-32a)中可看出，物料 颗粒 Z向 速度由水平螺旋端到垂直螺旋端逐步变小。图 3-32b中表示物料颗粒沿垂直螺 旋轴的角速度变化情况，可观察到垂直螺旋叶片边沿处物料颗粒数量最多，且 该部分物料颗粒角速度最大，沿螺旋叶片径向向螺旋轴根部逐渐变小。图 3-32c 表示物料颗粒的速度矢量图。 3.4.3.2垂直螺旋生产率随水平取料螺旋自转转速的变化 设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平螺旋回转转速为 0.416rpm，料堆高度为 700mm，对五种不同水平取料螺旋自转转速下物料进料过程进行 EDEM仿真， 图 3-33显示了水平取料螺旋装置给垂直螺旋提供物料质量流量的变化情况。仿 真结果表明，当水平取料螺旋自转转速从 60rpm变化到 65rpm与 70rpm时，垂 直螺旋输送生产率的增幅分别为 8.2%和 19. 1%，而当自转转速从 70rpm变化到 75rpm与 80rpm时，垂直螺旋输送生产率的增幅分别为 9. 8%和 2.1%。在垂直 螺旋转速及取料螺旋回转转速一定情况下，垂直螺旋卸船机生产率随取料螺旋 自转转速的增大而增大，当取料自转转速增大到一定值时，垂直螺旋卸船机生 产率基本保持不变。 图 3-33垂直螺旋生产率随取料螺旋自转转速变化图 86 武汉理工大学博士学位论文 3.4.3.3垂直螺旋生产率随水平取料螺旋回转转速的变化 设定与 3.4.3.2节相同参数下，对五种不同水平取料螺旋回转转速下物料进 料过程进行 EDEM仿真，图 3-34显示了水平取料螺旋给垂直螺旋提供物料质 量流量的变化情况。仿真结果表明，当水平取料螺旋回转转速从 0.312rpm变化 到 0.364rpm与 0.416rpm时，垂直螺旋输送生产率的增幅分别为 8.7%和 10.7%， 而当回转转速从 0.416rpm变化到 0.468rpm与 0.52rpm时，垂直螺旋输送生产率 的增幅分别为 4.5%和 1.11%。 图 3-34垂直螺旋生产率随水平取料螺旋回转转速变化图 仿真结果分析表明，在垂直螺旋转速及水平取料螺旋自转转速一定情况下， 垂直螺旋卸船机生产率随水平取料螺旋回转转速的增大而增大。但当水平取料 自转转速增大到一定值时，由于水平取料自转转速及垂直螺旋输送物料量的限 制，部分物料开始堆积到水平螺旋上部，未及时进入垂直螺旋输送管内，如图 3-35所示。 图 3-35水平取料螺旋回转转速过大时物料运动图 87 武汉理工大学博士学位论文 3.5 物料通过垂直螺旋中间支撑的 EDEM仿真 本节运用离散元法和设定周期边界模型对垂直螺旋卸船机中间支撑部件的 物料通过性进行仿真，分析物料颗粒在垂直螺旋输送过程中的流动状态，及不同 中间支撑结构对垂直螺旋物料输送能力及功耗的影响。 3.5.1垂直螺旋中间支撑结构 螺旋卸船机作为码头散货连续卸船机，作业船型从 1000吨级内河驳船到 15万吨级海轮，卸船机的垂直螺旋输送部件通常要深入料堆或船舱中，故螺旋 卸船机垂直螺旋轴段长度至少达十余米，一般在二十米左右。由于螺旋轴长度 过大，考虑到螺旋轴的加工制造因素，以及为避免螺旋的过度挠曲、扭曲形变 而与输送管内壁接触产生摩擦阻力和避免螺旋轴的横向振动，垂直螺旋轴一般 采用多段式结构，即由多个小螺旋段经中间支撑结构组成一整段螺旋轴。每一 小段螺旋轴称为子螺旋轴，每个子螺旋轴通过中间支撑部件首尾连接，构成整 段螺旋轴。 中间支撑轴承一般置于子螺旋轴段之间，通过输送管外壳进行支撑。 芬兰 Siwertell螺旋卸船机的核心技术之一是垂直螺旋的滑动连续式中间支 撑装置，采用与上下输送螺旋连成一体的支撑螺旋，且通过在支撑螺旋边上镶 一排硬质合金柱体，与对应的外部轴瓦形成滑动支撑。螺旋叶片保持连续，从 而保证了垂直输送螺旋连续，物料通过性好，物料输送连续流畅，但其缺点是 对螺旋受力变形要求高，对制造与安装技术要求极高。滑动连续式中间支撑结 构如图 3-36所示。 图 3-36采用滑动连续式中间支撑技术的 Siwertell垂直螺旋轴 88 武汉理工大学博士学位论文 鉴于滑动连续式中间支撑结构的不足，武汉理工大学研发的滚动间隔式中 间支撑采用球面滚子轴承，内圈轴承座与外圈支座用反向螺旋辐条连接，滚动 轴承的固定方式保证螺旋轴具有轴向游隙保证轴承仅受径向力，利用双平键和 弧面齿传递扭矩，利用关节轴承和半轴向键传递轴向力。 滚动间隔式中间支撑滚动摩擦阻力小，大为降低垂直螺旋卸船机能耗;球 面滚子轴承允许螺旋轴有一定的转角误差，降低对垂直螺旋轴的制造精度要求; 中间轴承的安装调整容易，可减小垂直螺旋与输送管的间隙。滚动间隔式中间 支撑结构如图 3-37所示。 图 3-37滚动间隔式中间轴承连接形式 滚动间隔式中间支撑的上下螺旋叶片在间隔处中断，而由不旋转的螺旋辐 条连接内、外圈轴承座，因此，物料在中间支撑处可否顺畅通过，垂直输送机 在中间支撑的流量、能耗受中间支撑相关参数的影响，是滚动间隔式中间支撑 研制所必须研究的课题。 3.5.2垂直螺旋中间支撑物料通过性仿真模型 3.5.2.1垂直螺旋中间支撑的实体模型 为进行对比，本文仿真中使用的垂直螺旋输送外管、螺旋轴及螺旋叶片的 参数均保持一致。输送外管内径为 844mm，厚 10mm，高度为 3100mm;垂直 螺旋轴的螺旋轴外径为 219mm，高度为 3100mm;螺旋叶片的螺距为 750mm， 厚度为 10mm，外径为 820mm，为双头右旋螺旋。滑动连续式中间支撑为支撑 螺旋与输送螺旋一体，如图 3-38所示。滚动间隔式中间支撑与滑动连续式中间 支撑区别在于两段子螺旋轴用关节轴承及类销轴的一个零件形成连接传递轴向 89 武汉理工大学博士学位论文 力，依靠辐条连接中间和螺旋管，辐条的支撑为调心滚子轴承，滚动间隔式中 间支撑模型如图 3-39所示，滚动间隔式中间支撑螺旋轴模型如图 3-40所示。 图 3-38连续式垂直螺旋轴图 3-39滚动间隔式中间支撑图 3-40滚动间隔式支撑螺旋轴 3.5.2.2 EDEM仿真参数设置 EDEM仿真实验中参数具体设置如下: (1)颗粒与几何体的材料 根据仿真分析目的，为减少仿真计算量，对颗粒模型进行简化，本处仿真使用球 形颗粒，颗粒半径为 10mm。螺旋轴及输送管材质为 Q345钢。 (2)颗粒与几何体的物理属性 在实际系统的仿真中，材料物理属性的合理确定是保证仿真结果贴近实际 的关键所在，仿真中所涉及的材料物理属性见表 3-4和表 3-8。 (3)接触模型 离散元法模拟的是运动在颗粒集合中的传播过程，颗粒运动必然引起颗粒 之间的相互碰撞并产生力。本文仿真中对于颗粒与颗粒之间、颗粒与几何体模 型之间均采用基于无滑动的 Hertz-Mindlin(no slip)接触模型[109] 。 (4)仿真工况 结合本文前面章节所做理论建模研究，为较全面反映两种不同中间支撑对 于垂直螺旋输送的影响，设置了三种不同螺旋转速及充填率的工况组合进行仿 真。表 3-11为仿真中垂直螺旋输送的工作条件设置，各做 9组仿真对比，共 18 组仿真。对两种中间支撑进行不同转速下及不同充填率下输送过程及性能的仿 真对比研究。 90 武汉理工大学博士学位论文 表 3-11垂直螺旋输送工作条件 (%) 颗粒数(双头) 体积充填率转速(rpm) 48000 120 25% 160 25% 48000 200 25% 48000 250 25% 48000 300 25% 48000 300 32% 61440 300 38% 72000 300 45% 86400 300 50% 96000 3.5.3垂直螺旋中间支撑处的物料通过性分析 3.5.3.1垂直螺旋稳定输送时颗粒运动状态 设定垂直螺旋轴转速为 300rpm，物料颗粒数为 48000，垂直螺旋充填率为 25%条件下，当垂直螺旋输送达到稳定输送状态时，对物料通过两种不同中间 支撑结构时的运动状态进行 EDEM仿真，图 3-41显示了物料通过中间 支撑时 的颗粒角速度分布情况。从图中可观察到，物料颗粒群在螺旋叶片面上形成一 个与螺旋叶片现状类似的颗粒床。 (a) (b) 图 3-41稳定输送时颗粒在中间支撑处运动分布 91 武汉理工大学博士学位论文 图 3-41显示了垂直螺旋卸船机内颗粒的角速度分布。根据物料颗粒的角速 度大小对其着色，角速度小的绿色，角速度大的为红色。图 3-41-a为滑动连续 式中间支撑结构垂直螺旋处于稳定输送状态时物料运动云图。仿真结果表明， 在整个垂直螺旋上，颗粒颜色差别较小，物料颗粒在垂直输送过程中的角速度 随时间基本不变，物料颗粒群的角速度只与垂直螺旋轴的转速相关。图 3-41-b 为滚动间隔式中间支撑结构下的垂直螺旋稳定输送状态，与图 3-41-a不同之处 在于通过中间支撑处时颗粒群有所变化，有一定细微不连续，如图 3-42所示。 图 3-42稳定输送时颗粒群在新型中间支撑处运动状态 3.5.3.2颗粒轴向输送线速度 设定物料颗粒数为 48000以达到 25%充填率，变化五种垂直螺旋转 速，对 物料在两种不同中间支撑结构处的输送过程进行 EDEM仿真。 图 3-43不同转速下颗粒的平均轴向线速度 图 3-43显示了垂直螺旋卸船机中颗粒整体平均轴向输送线速度的对比情 况。仿真结果表明，随螺旋转速增大，两种不同中间支撑结构的垂直螺旋输送 中颗粒平均轴向线速度呈线性增大，增幅分别达到 275%与 256%，螺旋转速越 大，颗粒的输送率越高。但在转速与充填率相同的情况下，两种不同中间支撑 92 武汉理工大学博士学位论文 结构的螺旋卸船机中颗粒的平均轴向线速度差异很小。如图中所示，当螺旋转 速在 250rpm及以下时，两种中间支撑处物料轴向速度基本相同。当螺旋转速达 到 300rpm时，此时物料轴向速度最大差值仅为 3.9%。表明滚动间隔式中间支 撑结构对垂直输送速度影响较小。 图 3-44不同充填率下颗粒的平均轴向线速度 设定垂直螺旋转速为 300rpm，通过改变垂直输送管内物料颗粒数量实现五 种不同充填率，对物料在两种不同中间支撑结构处的输送过程进行 EDEM仿真。 图 3-44显示了颗粒平均轴向输送线速度的对比情况。仿真结果表明，随充填率 增大，两种不同中间支撑结构的垂直螺旋输送中颗粒平均轴向线速度先略微增 大，后又减小。但是，无论是滑动连续式中间支撑还是滚动间隔式中间支撑， 充填率的变化对颗粒平均轴向线速度的影响都比较小(最大仅为 1.6%)。在转 速与充填率一定的情况下，两种不同中间支撑结构的螺旋卸船机中颗粒的平均 轴向线速度差异仍然很小，最大差值仅 5.8%。以滑动连续式中间支撑为基础， 颗粒平均轴向线速度滚动间隔式中间支撑垂直螺旋轴最大与最小分别降低了 5.5%、3.5%。从理论分析可知，滑动连续式中间支撑螺旋在中间支撑处保持了 螺旋对物料旋转加速过程，而滚动间隔式中间支撑螺旋轴在中间支撑处的反向 辐条为静止部件，物料在此区间是依靠运动惯性向上输送，故物料颗粒的平均 轴向线速度有微小降低，但对于对整个垂直螺旋卸船机垂直输送速度影响较小。 EDEM仿真软件后处理模块所提供的实时测量垂直输送管内物料的轴向输 送速度为对输送管内物料在中间支撑处的运动理论进行分析提供了一种途径。 卸船机生产率定义可知，生产率可由输送管单位截面内物料的质量与物料的轴 向输送速度所求得。输送管单位截面内物料的质量可通过物料充填率、输送管 单位输送空间、物料密度等求得。当输送管尺寸、所输送物料给定时，卸船机 生产率即由充填率和物料轴向输送速度所确定。从理论分析可知，物料轴向速 93 武汉理工大学博士学位论文 度与物料特性、螺旋转速等有复杂关系，很难实际测量，而通过对物料螺旋输 送的 EDEM仿真，可直接获取物料轴向速度，为分析生产率、充填率、物料轴 向速度提供了便利。借此对中间支撑处物料的输送状态进行分析计算，仿真研 究滚动间隔式中间支撑辐条角度及支撑高度对物料输送轴向速度的影响，进而 得出中间支撑部位物料的充填率变化情况，为滚动间隔式中间支撑设计提供参 考准则，具体分析见 3.5.5节。 3.5.4垂直螺旋中间支撑处物料通过能耗分析 设定物料颗粒数为 48000以达到 25%充填率，变化五种垂直螺旋转 速，对 物料在两种不同中间支撑结构处的输送过程进行 EDEM仿真。图 3-45显示了 垂直螺旋卸船机螺旋轴所受平均轴向总力矩的对比情况。 图 3-45不同转速下螺旋轴所受平均总力矩 仿真结果表明，随螺旋转速增大，两种不同中间支撑结构的垂直螺旋轴所 受平均轴向总力矩增大，增幅最大为 40.0%与 46.8%，而且，两种中间支撑垂 直螺旋轴向平均总力矩的变化趋势非常一致。在转速与充填率一定的情况下， 因物料在反向辐条中间处短暂失去动力，运动速度有轻微降低而导致物料颗粒 数略微增大，滚动间隔式中间支撑结构螺旋轴比滑动连续式中间支撑螺旋轴所 受平均轴向总力矩因一个中间支撑结构而导致最大与最小分别仅增加了 11.1%、5.8%。 94 武汉理工大学博士学位论文 图 3-46不同充填率下螺旋轴所受平均总力矩 设定垂直螺旋转速为 300rpm，通过改变垂直输送管内物料颗粒数量实现五 种不同充填率，对物料在两种不同中间支撑结构处的输送过程进行 EDEM仿真。 图 3-46显示了垂直螺旋轴所受平均轴向总力矩的变化情况。仿真结果表明，随 充填率增大，两种不同中间支撑结构的垂直螺旋轴所受平均轴向总力矩增大， 增幅最大分别为 64.5%与 72.8%。充填率对螺旋轴所受平均轴向总力矩的影响 较大，根据功率与力矩的关系可知，维持物料轴向运动速度不变所需的功率也 越大。在转速与充填率一定的情况下，滚动间隔式中间支撑结构螺旋轴比滑动 连续式中间支撑螺旋轴所受平均轴向总力矩最大与最小分别增加了 10.5%、 3.5.5滚动间隔式中间支撑结构设计准则 5.1%。 通过对滑动连续式中间支撑与滚动间隔式中间支撑螺旋轴结构进行物料输 送过程离散元仿真，对比仿真分析表明滚动间隔式中间支撑螺旋轴结构可以实 现物料的顺利通过，对垂直输送生产率及能耗影响较小。结合滚动间隔式中间 支撑结构特点，研究结构尺寸对物料通过性及能耗影响，以此给出滚动间隔式 中间支撑结构的设计准则。 3.5.5.1中间支撑辐条角度设计准则 由滚动间隔式中间支撑结构及物料在螺旋叶面上运动分析可知，反向辐条 螺旋升角, f为影响物料通过性及中间支撑处能耗的重要影响因素。由第 2章输 送理论可知，物料在螺旋叶面上处于稳定输送时的螺旋升角,计算公式为: ，,s ,, H t g, , (3-21) , 2, R 95 武汉理工大学博士学位论文 式中: H——螺旋叶片螺距; R——螺旋叶片半径; ,s——螺旋转速; ,——物料转速。 当辐条螺旋升角与物料输送升角相吻合时，中间支撑辐条对物料运动基本 无影响，同时能耗亦最小。中间支撑辐条螺旋升角, f 计算公式为: H1 t g, f , (3-22) 2, Rf 式中: H1——螺旋辐条螺距; Rf——螺旋辐条半径。 结合图 3-39可知，螺旋辐条半径与输送管半径相等，当输送螺旋及输送管 半径给定时，Rf被确定。当中间支撑辐条螺旋升角与物料螺旋输送升角相等时， 中间支撑结构对物料输送影响最小，故有, f , ,，根据公式(3-21)与(3-22) 可得螺旋辐条螺距 H1计算公式: , H ， Rf ，,s ,, H1 (3-23) , R 螺旋叶片螺距、螺旋叶片半径、螺旋转速及螺旋辐条半径为给定设计参数， 物料转速可有本文第 2章中公式求得。 3.5.5.1中间支撑辐条高度设计准则 由滚动间隔式中间支撑结构及物料在螺旋叶面上运动分析可知，中间支撑 结构中间辐条高度 H f为影响物料通过性及中间支撑处能耗的重要影响因素。 3.5.3节对两种中间支撑结构螺旋轴的物料输送 EDEM仿真结果表明，滚动 式中间支撑结构螺旋轴所输送物料的平均轴向速度与采用滑动连续式中间支撑 结构时有一定减小。设置不同中间支撑辐条高度 H f，对物料通过中间支撑处物 料输送过程进行 EDEM仿真，仿真结果表明，物料轴向输送速度随中间支撑辐 条高度 H f的增大而减小。通过 EDEM仿真后处理模块可获取不同中间支撑辐 条高度下，物料的轴向平均输送速度。根据输送机输送量 Q与物料轴向输送速 度,、充填率,之间的关系可以建立输送量计算公式: Q , S，,，,，, (3-24) 96 武汉理工大学博士学位论文 式中: S——输送管单位长度内空间体积; ,——物料密度。 物料通过中间支撑处 EDEM仿真结果表明，物料在中间支撑处的输送速度 随 H f值的增大而减小，能耗随 H f值的增大而增大。分析物料在中间支撑处充 填率随中间支撑辐条高度 H f的变化关系，可为中间支撑辐条的设计提供参考依 据。通过 EDEM仿真分别提取物料通过滚动间隔式中间支撑与滑动连续式中间 支撑部件后的轴向速度,g、,h。则采用滚动间隔式中间支撑垂直螺旋输送机输 送量计算公式为: Qg , S，,g ，,，,g (3-25) 采用滑动连续式中间支撑垂直螺旋输送机输送量计算公式为: Qh , S，,h ，,，,h (3-26) 当设定垂直螺旋输送机输送量 Q一定，输送管尺寸及物料相同时，则由式 (3-25)与(3-26)可得: ,h ，,h ,,g ，,g ,g ,,h ，,,gh (3-27) 处于稳定输送状态下，采用滑动连续式中间支撑垂直螺旋输送机内物料充 填率,h可通过测量方法获得，通过 EDEM仿真软件后处理模块获取物料通过滚 动间隔式中间支撑与滑动连续式中间支撑部件后的轴向速度,g、,h，则通过式 (3-26)可计算物料在滚动间隔式中间支撑处的充填率,h。3.5.3节仿真结果表 明，,g始终小于,h，则充填率,g大于,h f增大时，物 。当中间支撑辐条高度 H 料轴向输送速度,g减小，充填率,g增大。当,g在 0.8,1时，可判定物料在中 间支撑处发生堵塞，物料通过性较差，中间支撑结果高度设计不合理。 中间辐条高度 H f应在保证中间支撑结构刚度和稳定性的条件下，尽可能 小，以尽可能降低中间辐条对物料输送的运动及能耗影响。 由以上分析可知，滚动间隔式中间轴承设计原则为:反向螺旋辐条升角与 物料运动螺旋升角相吻合;中间支撑辐条高度在保证结构刚度和稳定性条件下 尽可能小。 97 武汉理工大学博士学位论文 3.6 本章小结 本章应用离散元理论及 EDEM软件，对物料的相关物性参数、物料的垂直 螺旋输送过程、物料在输送机底部的进料过程及在滚动间隔式中间支撑处的运 动过程进行全面的计算机仿真。 在深入研究接触力学及离散单元法基本理论的基础上，以物料堆积角实体 实验结果为基准进行虚拟物料特性参数标定仿真实验，获取了所模拟的螺旋卸 船机被卸物料特性参数;对不同充填率及不同螺旋转速下垂直螺旋输送过程进 行了离散元仿真分析，获取了垂直螺旋输送性能参数的变化特性;对垂直螺旋 底部进料口处物料运动进行了离散元仿真分析，获取了取料装置供料能力随自 转转速及集料螺旋转速的变化关系;对垂直螺旋中间支撑处的物料运动进行了 离散元仿真分析，验证了物料在滚动间隔式中间支撑处的通过性，并给出了滚 动间隔式中间支撑的设计准则。 应用本节所确立的散粒群体研究方法，可定性地或在一定程度上定量地揭 示和模拟物料在垂直螺旋输送机取料、垂直输送、中间支撑处的运动状态和规 律，为垂直螺旋输送机及其取料装置、中间支撑装置的设计与改进提供了直观 的依据，为理论分析的创新性假定提供了佐证，为理论模型的检验提供了一定 程度上的判据。 98 武汉理工大学博士学位论文 第 4 章螺旋卸船机垂直输送试 验研究 在前两章的研究中，通过理论分析、力学建模和离散元仿真分别研究了螺 旋卸船机垂直输送机理与力学特性。但由于物料在垂直输送中复杂的运动过程， 及运动中受力与分布状态的复杂性，在进行理论分析中采取的理想化假定、离 散元仿真参数的不完整性，须通过试验的方法对理论分析及仿真研究进行验证。 本章以额定生产率为 1200T/h的螺旋卸船机取料及垂直输送段部件为基础，研 制能模拟螺旋卸船机实际使用工况的螺旋卸船机垂直输送试验台，对物料颗粒 群在垂直螺旋输机底部取料、垂直输送、中间支撑处的输送过程进行试验研究。 4.1 螺旋卸船机垂直输送试验台研制 4.1.1 L型螺旋卸船机试验样机 武汉理工大学研发的 L型螺旋卸船机对机头取料技术、垂直螺旋的中间支 撑技术、料流转接技术等关键技术进行了全面的创新，其推广应用必须进行机 理试验、工业性试验或样机试验，来验证该机关键技术的优越性、有效性和实 用性。 L型螺旋卸船机试验样机是针对广州南沙货运码头的需求研发的，目前已 完成样机的调试，即将进行卸船作业试运行。笔者全程参与了试验样机的研制 开发，参与了该样机的垂直螺旋输送、取料等关键技术的研究。 L型螺旋卸船机试验样机的构造如图 4-1所示。该机主要构成为:由水 平 集料螺旋装置、垂直螺旋输送机、水平螺旋输送机组成输送系统，由取料旋转、 俯仰、回转、运行等机构作为辅助工作机构，此外还有金属结构、电气控制系 统、安全保护装置。 卸船机的半裸水平集料螺旋面向料堆的转动向垂直输送机供料，物料通过 垂直螺旋输送，转接至水平螺旋输送，卸至回转中心的料筒供入码头前沿的带 式输送机，从而实现卸船作业。 99 武汉理工大学博士学位论文 图 4-1 1200T/h L型螺旋卸船机工业样机 螺旋卸船机试验样机的主要技术参数由表 4-1所列。 表 4-1 L型螺旋卸船机(1200T/h)样机主要技术参数 项目 参数 项目 参数 额定卸船效率 1200 T/h 整机装机容量 700kW 平均卸船效率 整机自重 1000 T/h 310t 被卸物料 煤，0.9,1.02T/m3电源 ~380V,50Hz 最大适用船型 30000DWT 取料螺旋直径 1200mm 最大工作幅度 30m 取料螺旋转速 80rpm 轨下取料深度 4.63m 取料螺旋旋转速度 0.52rpm 轨上让船高度 15.82m 垂直输送高度 16m 取料螺旋工作半径 垂直螺旋直径 3.1m 820mm 水平臂俯仰范围 垂直螺旋转速 35?,-15? 300rpm 门架支腿间距 10.5/10m 水平螺旋输送距离 25m 门架支腿腿压 1100kN 水平螺旋直径 1180mm 小车轨距/轮距 水平螺旋转速 6/7.5m 123rpm 小车最大轮压 俯仰速度 150kN 50?/87s 小车运行牵引力 25kN 齿条工作行程 6584mm 100 武汉理工大学博士学位论文 4.1.2垂直输送及取料机理试验台 L型螺旋卸船机的核心部件为取料及垂直输送机头。为了掌握垂直段输送、 取料的工作机理及相关变化规律，检验理论研究成果的正确性，研制人员将 L 型螺旋卸船机试验样机的取料及垂直输送段安装在室内构成机理研究试验台， 如图 4-2所示。 图 4-2螺旋卸船机垂直输送试验台结构示意图 1水平集料螺旋 2水平取料螺旋驱动机构 3取料旋转机构 4垂直螺旋输送机 5垂直螺旋驱动机构 6导料筒 8试验台台架 9底部料仓 7称量料仓 101 武汉理工大学博士学位论文 垂直输送及取料机理试验台由含滚动间隔式中间支撑的垂直螺旋输送机、立 铣式螺旋取料装置、料仓及料流循环系统、试验台台架、传感测试系统、电气 控制系统、数据采集分析系统等组成。 如图 4-2所示，底部料仓内物料经水平集料螺旋输送进入垂直螺旋输送机 底部进行垂直输送，由导料筒进入称量料仓，经料流循环系统卸入底部料仓， 完成一次取料及垂直输送试验。试验台现场照片如图 4-3所示。 图 4-3螺旋卸船机垂直输送试验台现场照片 试验台的立铣式螺旋取料及垂直螺旋输送构件见图 4-4所示。机水平取料 螺旋与水平取料螺旋回转部件组成立铣式螺旋取料装置，为垂直螺旋输送提供 稳定的物料。垂直螺旋中间支撑结构采用滚动间隔式中间支撑形式。由三台交 流电机分别对垂直螺旋、水平取料螺旋、水平取料螺旋回转机构提供动力，通 过变频器实现对三台电机进行调速控制，控制垂直螺旋转速、水平取料螺旋转 速、水平取料螺旋回转转速。 102 武汉理工大学博士学位论文 图 4-4立铣式螺旋取料及垂直螺旋输送结构示意图 1-水平集料螺旋 2-水平取料螺旋驱动机构 3-水平取料回转驱动机构 4-垂直螺旋输送机 5-滚动间隔式中间支撑结构 6-垂直输送螺旋驱动机构 水平螺旋取料段如图 4-4中 A区所示。水平取料螺旋驱动电机带动水平 7卸料口 取 料螺旋转动，水平取料螺旋采用直线母线变螺距右旋螺旋叶片。A-1区为双头 右旋螺旋叶片，其螺距如图中由左至右逐渐变小，考虑到螺旋叶片拉制工艺， 螺距取两种规格;A-2区为三头右旋螺旋等螺距叶片。如此设计可保证散体物 料颗粒流既易于进入垂直螺旋管又能沿螺旋周向迅速加速，以克服垂直螺旋底 部入口处因高速转动而产生的离心力，进入垂直螺旋输送段底部。水平取料螺 旋回转驱动电机带动整个水平取料螺旋部件以垂直螺旋输送段中心线进行回转 运动，以提供稳定连续的散体物料供水平螺旋取料输送到垂直螺旋输送段底部 入口。 103 武汉理工大学博士学位论文 垂直螺旋输送段如图 4-4中 B区所示。垂直输送螺旋驱动电机带动垂直 螺 旋轴高速转动，垂直输送物料的螺旋叶片采用直线母线等螺距双头右旋等螺距 螺旋。物料经垂直螺旋输送并通过滚动间隔式中间支撑结构后，在到达垂直螺 旋输送段顶部时由卸料口处的卸料叶片卸出。 4.1.3试验台主要性能参数及功能 4.1.3.1试验台主要性能参数 垂直输送及取料机理试验台的主要性能参数见表 4-2所列: 表 4-2垂直输送及取料机理试验台的主要性能参数 项目 参数 项目 参数 额定生产率 400kW 1200 T/h 垂直螺旋额定功率 平均生产率 水平取料螺旋额定功率 22kW 1000 T/h 被卸物料 煤，0.9,1.02T/m3水平回转额定功率 7.5kW 电源 ,380V,50Hz 水平取料螺旋直径 1180mm 水平取料螺旋转速 垂直螺旋转速 0,80rpm 0,300rpm 水平取料螺旋回转速度 0,0.52rpm 垂直螺旋直径 水平取料螺旋工作半径 3.1m 820mm 料堆半径 料堆高度 0,900mm 3.5m 垂直输送高度 4.1.3.2试验台主要功能 16m 试验台的测试参数有:垂直螺旋轴扭矩、水平集料螺旋轴扭矩、取料回转 驱动轴扭矩、物料在垂直输送段的提升时间。各个轴的扭矩通过电阻应变片测 量旋转轴微应变，通过传感器、放大器、数据测试仪读出。物料在垂直输送段 的输送时间由记录物料开始进入底部进料口至上部开始卸料口的时间，或底部 停止供料至上部停止卸料的时间，取均值获得。 试验台的可调参数有:水平集料螺旋转速、取料回转转速、垂直输送螺旋 转速及料堆高度。各个轴的转速通过变频实现转速调节。堆料高度通过人工平 整并测取。 试验台的导出参数有:垂直输送机生产率、物料在输送机中的垂直速度分 量、输送机中的物料充填率。 参数计算方法:垂直输送机生产率根据取料垂直输送结构，在实现物料输 104 武汉理工大学博士学位论文 送功能前提下，可由取料回转时间、料堆高度计算获得。物料在垂直输送段的 速度分量通过所记录的时间与垂直输送距离计算。垂直输送机内物料充填率由 垂直输送生产率与物料垂直输送速度及输送管内单位体积物料质量计算获取。 垂直输送及取料机理试验台可改变上述可调参数，测出料堆高度、取料回 转时间、物料垂直输送时间、旋转轴扭转应变值等参数，导出输送机生产率、 物料输送速度、充填率、旋转轴扭矩参数值，从而得出在各种状态下输送机生 产率、充填率、转速、扭矩等之间的关系。 4.1.3.3试验台调速功能设计 螺旋卸船机垂直输送试验台电气控制系统的硬件主要由 800kW柴油发 电 机、电源开关箱、变频器、电气控制柜以及控制手柄组成。 试验台电气控制系统通过控制柜来控制变频器的输入参数，进而实现对垂 直螺旋驱动变频电机转速、水平集料螺旋驱动变频电机转速与水平集料螺旋回 转驱动变频电机转速的控制及启动、停止、反转动作[110-116] 。变频器控制面板上 可实时监控变频电机输入电流、电压、频率值。 试验台控制系统采取人工控制。通过驱动电机变频器进行电机转速控制参 数的读写输入，经控制柜实现对变频器的指令调换控制，最后将控制柜与控制 手柄联接，通过人工操作控制手柄来方便实现对试验台各个部件转速的控制。 具体而言，在每次试验前，将垂直螺旋转速、水平集料螺旋转速及水平集料螺 旋回转转速各自根据试验方案设置的四档转速值，通过不同频率来实现垂直螺 旋转速的变化，预先读入变频器内部设置参数，然后通过电气控制柜来实现对 变频器启动、停止、正反转机转速挡位变化的控制，最后经人工操作控制手柄 来控制电气控制柜。 旋转机械为普通接触器控制，只需打按钮―正‖或―反‖即可实现―左旋‖或―右 旋‖功能。变频器控制显示面板可实时读取控制电机的输入电压、电流及频率。 具体转速控制策略如表 4-3、表 4-4及表 4-5所示。 1)垂直螺旋控制 垂直螺旋:将垂直螺旋电气控制柜 ―远程/本地―按钮打至“远程”，即由按 钮盒控制(打至本地则由柜门上的按钮控制)，释放“急停”按钮，合上各开关， 打“正”“反”可实现 70%(35 Hz)转速，加上“1档”实现 76%(38 Hz)转 速，再加“2档”实现 90%(45 Hz)转速，再加“3档”实现 100%转速 。变频驱动电机 50 Hz对应垂直螺旋转速为 300rpm速度。每档转速 (50 Hz) 均可通过变频器进行重新设置，实现对垂直螺旋轴转速的控制。 [125-126] 105 武汉理工大学博士学位论文 表 4-3螺旋卸船机垂直输送试验台垂直螺旋控制方案 按钮 垂直螺旋转速(rpm) 变频器频率(Hz) 正或反(P0.138) 210 35 1档(P0.146) 228 38 2档(P0.150) 270 45 3档(P0.152) 300 50 2)水平集料螺旋取料转速控制 水平集料螺旋:水平集料螺旋取料转速为变频控制，打“正”“反”可实现 70%(35 Hz)转速，加上“1档”实现 76%(38 Hz)转速，再加“2档”实现 84%(42 Hz)转速，再加“3档”实现 90%(45 Hz)转速，再加“4档”实现 100%(50 Hz)转速。变频驱动电机 50 Hz对应水平集料螺旋机构转速为 80rpm 速度。 表 4-4螺旋卸船机垂直输送试验台水平集料螺旋控制方案 按钮 取料螺旋转速(rpm)变频器频率(Hz) 正或反(d1-01) 56 35 1档(d1-02) 38 60.8 2档(d1-04) 67.2 42 3档(d1-08) 72 45 4档(d1-16) 50 80 3)水平集料螺旋回转转速控制 水平集料螺旋回转:水平集料螺旋回转转速为变频控制，打“正”“反”可 实现 60%(30 Hz)转速，加上“1档”实现 70%(35 Hz)转速，再加“2档” 实现 80%(40 Hz)转速，再加“3档”实现 90%(45 Hz)转速，再加“4档” 实现 100%(50 Hz)转速。变频驱动电机 50 Hz输出转速为 4.6 rpm，经 表 4-5螺旋卸船机垂直输送试验台水平集料螺旋回转控制方案 减速器 按钮 取料螺旋回转转速(rpm)变频器频率(Hz) 后对应水平集料螺旋回转机构转速为 0.52 rpm速度。 正或反(d1-01) 0.312 30 1档(d1-02) 0.364 35 2档(d1-04) 0.416 40 3档(d1-08) 0.468 45 4档(d1-16) 0.52 50 106 武汉理工大学博士学位论文 机构运行转速n可以通过公式(4-1)计算求得。 n , fhz ， N ，i (4-1) 50 式中:fhz——机构运行频率(单位:Hz) N——机构驱动电机额定转速(单位:rpm) i——机构驱动电机所联接减速器传动比 4.1.3.4螺旋轴扭矩测试系统设计 依据螺旋卸船机垂直输送试验台工作原理，结合试验目的及试验内容，需 要对试验台运行时，对垂直螺旋轴、水平取料螺旋轴及水平取料回转驱动电机 轴所受扭矩变化进行测量与记录。 本试验台采用电阻应变片电测法测试垂直螺旋及水平取料螺旋转轴的受扭 矩时的微应变变化值，电阻应变片信号经转轴端的电刷式集电环及桥盒将电阻 变化值信号传输到信号放大器 [117-120] ，最终传输给信号采集分析系统，进行扭 矩信号的转换、采集与分析。扭矩测量记录系统原理图如图 4-5所示。 驱动电机 电刷式集电环 信号线 电阻应变片 桥盒 放大器 螺旋转轴 信号采集分析仪 图 4-5扭矩测量记录系统原理图 测试应变信号的螺旋轴为: 1)垂直螺旋轴，额定转速为 300rpm，轴径为 150mm。 2)水平取料螺旋驱动电机输出轴，为空心轴，额定转速为 178rpm，轴外 径为 120mm，轴内径为 80mm。驱动电机输出轴通过链轮、链条驱动水平取料 螺旋轴旋转。 107 武汉理工大学博士学位论文 为保证测试数据的准确性，在螺旋轴外部沿周向贴片时需考虑螺旋轴弧度 对测量结果的影响，故应选择尺寸较小的应变片。但应变片尺寸过小对贴片精 度有影响，因而在本文所述的测试中的电阻应变片的规格为 10×3mm。电阻应 变片性能参数为，灵敏度为 2.01，电阻值为 119.9Ω;桥盒接线方式为全桥四片 工作方式[121-122];放大器选用应变放大器;信号采集分析仪为 8通道数据采集 分析系统，可进行实时信号分析、数据记录、离线分析等功能，能较好满足本 试验要求。 注:图中“A”为工作片，?端接电缆屏蔽层。 图 4-6扭矩应变片全桥四片工作方式原理图 螺旋转轴测试点的电阻应变片通过带有补偿电阻应变片的三芯屏蔽电缆连 接到桥盒，采用全桥四片工作方式测量，其接线方式如图 4-6所示。为防止在 螺旋轴旋转过程中因导线的惯性力导致应变片脱落，所有的导线都用绝缘胶布 固定在螺旋转轴上后再与应变片焊接，且焊接点用硅胶覆盖。将各应变片点对 应的电线编号后，再将电线和集电环一端的电缆线一一对应焊接，集电环端上 的电缆线根据所对应电阻应变片的连接线和与桥盒连接，然后再依次连接放大 器、信号采集仪、计算机记录分析系统。扭矩测试记录分析系统如图 4-7所示。 如图 4-5及图 4-7所示，通过垂直螺旋轴和水平取料螺旋轴上电阻 应变片 分别测量两个转轴的微应变变化值，并转化为想对应的电阻变化值，经集电环 将电阻值变化信号通过信号线有线传输到桥盒，然后经过信号放大器的处理， 传输给信号采集分析仪，信号采集分析仪得到的信号经 USB接口联接计算机， 进行数据采集与分析系统的记录与分析。 108 武汉理工大学博士学位论文 垂直螺旋轴集电环联接 (a)垂直螺旋轴应变片粘联 水平取料螺旋轴集电环联接 (b)水平取料螺旋轴应变片粘联 桥盒 信号采集仪 信号测试记录分析系统 放大器 (c)桥盒、放大器、信号采集仪、信号测试记录分析系统联接 图 4-7扭矩测试记录分析系统现场照片 AVANT series数据采集与分析系统可对试验过程中电阻应变片的微应变进 行实时测量和记录数据，并可进行离线信号分析。系统记录与分析如图 4-8所示。 图 4-8 AVANT series数据采集与分析系统 109 武汉理工大学博士学位论文 4.2 螺旋卸船机垂直输送试验方案 4.2.1试验目的 螺旋卸船机垂直输送试验台的主要功能是能够在实验室尽可能模拟螺旋卸 船机在港口码头实际卸船作业的情况下，通过改变水平集料螺旋转速及回转速 度，测量计算垂直螺旋输送充填率和卸船机生产率，研究螺旋充填率和生产率 随取料转速及回转速度的变化关系;通过改变料堆高度，测试垂直螺旋转动阻 力矩值，研究垂直螺旋阻力矩及其生产率随料堆高度的变化规律;通过改变垂 直螺旋转速，测试垂直螺旋转动阻力矩值，研究垂直螺旋转速与其阻力矩的关 系;改变水平集料螺旋转速、取料回转转速、料堆高度，计算生产率，测试集 料螺旋轴与回转驱动轴阻力矩值，研究取料装置扭矩与转速、充填率的关系。 4.2.2试验方案设计 试验所用散货物料为煤粉，其粒度绝大部分均处于 4.75mm以下，在实验 室温度 29?时，煤粉的相对湿度为 60%。 选取垂直螺旋转速 ws、水平取料螺旋转速 wq、水平取料螺旋回转转速 wh、 料堆高度 H为可控变量，通过变频器控制调节垂直螺旋与水平取料螺旋的转速 及水平取料回转速度，采用应力应变测试法测量垂直螺旋轴扭矩变化值，记录 物料进入垂直输送底部到顶部的运动时间。通过公式计算垂直螺旋充填率与螺 旋卸船机生产率与物料垂直输送速度，根据物料垂直输送速度与生产率、垂直 螺旋转速的关系，获得垂直输送管内物料的充填率。以此研究垂直螺旋转速与 垂直螺旋轴所受扭矩的变化规律、垂直螺旋转速与螺旋卸船机生产率之间的变 化规律、垂直螺旋充填率与垂直螺旋轴所受扭矩的变化规律、垂直螺旋充填率 与螺旋卸船机生产率之间的变化规律。控制变量为水平集料螺旋转速、水平集 料回转转速、垂直螺旋转速及料堆高度，测试水平集料螺旋轴、取料回转驱动 轴、垂直螺旋轴的应变值及垂直输送时间。根据正交试验原理，为四参数多水 平试验组合正交表，考虑到螺旋卸船机垂直输送试验台是以工业用样机尺寸为 基础设计的，单次试验工作量较大，用到物料煤为 50T左右，结合理论分析， 减掉不必要的试验，故制定如表 4-6、4-7、4-8、4-9所示的具体试验方案。 110 武汉理工大学博士学位论文 表 4-6试验方案 控制变量 试验序号 ws(rpm) wq(rpm) H(mm) wh(rpm) 1 0.312 2 0.364 3 800 0.416 4 300 80 0.468 5 0.52 6 0.52 850 7 0.52 900 8 0.312 9 0.364 270 72 10 800 0.416 11 0.468 12 0.52 850 0.52 13 表 4-7试验方案 控制变量 试验序号 ws(rpm) wh(rpm) wq(rpm) H(mm) 14 210 15 228 252 16 80 0.364 850 17 282 18 300 19 210 20 228 0.416 800 21 252 80 22 282 3 300 表 4-8试验方案 控制变量 试验序号 ws(rpm) wq(rpm) H(mm) wh(rpm) 23 56 60.8 24 67.2 25 0.364 850 26 75.2 8 80 300 56 27 60.8 28 0.416 29 67.2 800 30 75.2 3 80 111 武汉理工大学博士学位论文 表 4-9试验方案 控制变量 试验序号 ws(rpm) wqH(mm) (rpm) wh(rpm) 31 600 32 670 33 700 270 72 0.364 34 720 3 800 35 850 36 900 37 600 38 670 300 80 0.416 39 700 40 720 9 800 41 850 42 900 表中: ws——垂直螺旋轴转速，单位为 rpm; wq——水平集料螺旋轴转速，单位为 wh——水平集料螺旋回转机构转速，单位为 rpm; rpm; H——试验台料堆高度，单位为 mm; Ts——垂直螺旋轴扭矩测量值，单位为 Nm。 4.2.3试验内容 针对散货卸船常见物料-煤，垂直螺旋驱动电机、水平集料螺旋驱动电机及 水平集料回转驱动电机均各采用变频电机，通过变频调速技术，选取对螺旋卸 船机垂直输送影响较大的因素 [123-126] ，如水平集料螺旋转速变化、水平集料螺 旋回转速度变化、垂直提升螺旋转速变化、不同料堆高度下设计正交性试验(见 表 4-6、4-7、4-8、4-9)。测试充填率、生产率、垂直螺旋轴阻力矩及转速等参 数的数据，进行较全面的试验研究。 具体而言包括: 1)依据试验方案表 4-6进行测试，对垂直输送生产率随充填率的变化关系、 垂直螺旋轴扭矩随充填率的变化关系、取料回转驱动轴扭矩随转速的变化关系 进行测试结果分析。 在表 4-6基础上，设定垂直螺旋转速为 210 rpm、228 rpm、252 rpm， 水平 集料螺旋转速为 80 rpm，增大取料回转转速直至取料回转机构过载，记录过载 112 武汉理工大学博士学位论文 前相关参数，计算获得此时输送机的生产率。 2)依据试验方案表 4-7进行测试，对垂直螺旋轴扭矩随转速的变化关系、 垂直输送充填率随转速的变化关系进行测试结果分析。 3)依据试验方案表 4-8进行测试，对水平集料螺旋轴扭矩随转速变化关系 进行测试结果分析。 4)依据试验方案表 4-9进行测试，对垂直输送生产率随充填率的变化关系、 垂直输送生产率随料堆高度的变化关系、垂直螺旋轴扭矩随充填率的变化关系、 垂直螺旋轴扭矩随料堆高度的变化关系、水平集料螺旋轴扭矩随料堆高度变化 关系、取料回转驱动轴扭矩随料堆高度变化关系进行测试结果分析。 通过试验研究，验证滚动间隔式中间支撑物料的通过性;通过双头螺旋垂 直输送过程的试验研究，分析垂直输送螺旋相关参数对充填率的影响;对不同 充填率下垂直螺旋的回转阻力测试，研究垂直螺旋回转阻力随充填率及回转速 度等影响因素的变化规律，对理论研究的相关结论进行检验与修正。试验现场 照片见图 4-9所示。 水平取料螺旋电机 试验台架 扭矩测量集电环 水平取料螺旋 试验煤堆 图 4-9试验测试现场图 4.2.4测试数据处理 4.2.4.1扭矩测试数据处理 试验中扭矩测试为电阻应变片测转轴受扭矩时的微观应变情况，进行公式 换算后可得所需扭矩值，微应变与扭矩之间的公式为: 113 武汉理工大学博士学位论文 m, , m, ，(1 ， u) (4-2) T e EWn 式中:m,——系统的灵敏度公式; e E——材料的弹性模量，45钢为 206GPa; u——材料的泊松比，取 0.31。 3 3 Wn , ,d，d为轴的直径(实心轴);空心轴Wn , ,D(1-a 4 )， 16 16 a , dD，m,为输出电压，e为微应变，系统的灵敏度计算公式为: 输出电压 ,灵敏度系数 (4-3) ，桥压 ，增益 微应变 4 由式(4-2)与式(4-3)可得转轴扭矩的计算公式为: (4-4) T , e ， EW n (1 ， u) 进行试验中测得的数据经生产率公式( 4-2)与扭矩公式(4-5)换算后， 为下文中所得生产率及扭矩值。 4.2.4.2输送机生产率计算 根据螺旋卸船机生产率的定义，结合螺旋卸船机垂直输送试验台结构特点， 其生产率Q(单位:t / h)按下式计算: 2 Q , 60,R h, (4-5) t 式中:R——水平取料螺旋回转工作半径(单位:m); h——水平取料螺旋回转工作时料堆高度(单位:m); 3 ,——物料容重(单位:t / m ); t——水平取料螺旋回转一周所需时间(单位:min)。 本文中进行试验时，所用物料为煤粉，通过取样实测该煤粉物料的容重 , =1.0225t /m 3 每次现场实测;水平取料螺旋回转一周所需时间t则可根据控制的回转速度推 ;水平取料回转工作半径 R =3.5m;料堆高度为可控制因素， 114 武汉理工大学博士学位论文 算或现场实测。 4.2.4.3输送机内物料垂直速度分量及充填率计算 通过所记录的物料开始进入垂直输送底部进料口至上部开始卸料口的时 间，或底部停止供料至上部停止卸料的时间tw，并取均值。物料垂直输送距离 为L，则物料垂直速度分量,z为: L ,z , tw (4-6) 在垂直螺旋输送结构尺寸已确定，生产率与物料转速计算获得下，垂直输 送管内物料充填率计算公式为: Q , , S ， ,z ， 3600 (4-7) 式中:S——垂直输送管单个螺距体积的物料质量。 4.3 试验测试结果与分析 在螺旋卸船机垂直输送试验台上进行了 42组相关试验，对所测量记录的数 据进行计算处理，各组试验测试结果见表 4-10。 表 4-10试验结果记录表 试验 测量结果 序号 , M Q(T/h) M s(Nm) q(Nm) M h(Nm) 7486 2144 10732 0.186 651 1 9467 2854 13743 0.222 759 2 3356 14109 0.258 10883 868 3 11463 3738 14454 0.296 977 4 12155 4247 14619 0.336 1086 5 13813 4676 15102 0.364 1153 6 过载 过载 过载 过载 过载 7 2224 651 7600 12827 0.198 8 3090 14725 0.235 9682 760 9 3394 15786 0.274 10758 868 10 11903 3841 15886 0.314 11 977 12736 4440 15948 0.355 12 1086 过载 过载 过载 过载 过载 13 115 武汉理工大学博士学位论文 续表 4-10试验结果记录表 试验 测量结果 序号 , M M M Q(T/h) s(Nm) q(Nm) h(Nm) 12578 3222 15005 0.408 14 807 12034 3004 14725 0.389 15 807 11428 2988 14444 0.327 16 807 9957 2948 14164 0.264 17 807 2894 13603 0.231 8987 18 807 13989 4066 15087 0.444 19 868 13028 3805 14947 0.424 20 868 12225 3671 14668 0.362 21 868 10653 3490 14388 0.3 22 868 10883 4891 15706 0.187 23 807 8124 4574 15145 0.192 24 807 8356 4044 14584 0.202 25 807 3435 14164 0.221 8492 26 807 5334 15646 8735 0.207 27 868 8987 4950 15227 0.217 28 868 4600 14947 0.227 10304 29 868 10400 3884 14388 0.248 30 868 10513 2338 10058 0.174 651 31 10722 2586 10896 0.199 727 32 10883 2633 11595 0.217 759 33 6569 2773 13131 0.228 782 34 0.28 3504 14528 923 9434 35 9756 4274 15506 0.302 977 36 10449 2455 10658 0.156 570 37 10883 2614 10938 0.178 636 38 11640 2816 11499 0.194 665 39 13314 2837 13322 0.207 684 40 8398 3263 15566 0.255 807 41 42 9162 3762 16127 0.275 855 式中:MS——垂直螺旋轴扭矩(单位:Nm); Mq——水平集料螺旋轴扭矩(单位:Nm); M h——取料回转驱动轴扭矩(单位:Nm)。 试验过程中采用水平取料装置给垂直输送提供稳定物料，并保证垂直螺旋 管内物料充填率。当垂直螺旋转速与水平取料螺旋转速一定时，垂直输送管内 116 武汉理工大学博士学位论文 物料充填率随水平取料回转转速与料堆高度变化而变化;当水平取料回转转速 与料堆高度一定时，垂直输送管内物料充填率随垂直螺旋转速变化而变化。根 据试验结果，结合螺旋卸船机垂直输送过程特点，选取影响螺旋输送性能的关 键参数——充填率,、螺旋转速、扭矩及生产率Q等，测试研究充填率、转速、 生产率、扭矩之间的关系，对螺旋卸船机垂直输送过程进行较全面分析。 4.3.1垂直输送机底部进料能力分析 由于试验台的生产率参数是由取料回转的转速及料堆高度所确定。但在试 验中发现，当设定某一个垂直螺旋转速及料堆高度时，逐渐调高取料回转的转 速，输送机的生产率确实同步增长，取料回转的转速增大到某一数值，输送机 的生产率停止增长，取料回转机构出现过载跳闸，对于不同的垂直螺旋转速都 会出现相同的现象。 因此，本文提出垂直螺旋输送机进料口的极限进料量的概念，极限进料量 是指输送机进料口所能通过的最大物料流量。垂直螺旋输送机下部结构及尺寸 确定后，进料口的极限进料能力仅取决于螺旋转速，而与取料装置的供料能力 无关。当取料装置的供料流量低于极限进料量时，输送机的实际流量即为供料 流量，当供料流量高于极限进料量时，输送机的实际流量即为极限进料量，此 时物料在进料口处出现堵塞，取料装置的相关机构如取料回转机构或水平集料 机构出现过载。 设定垂直螺旋转速、水平集料螺旋转速，逐步提高取料回转转速直至水平 集料机构或取料回转机构过载停机，试验获得不同垂直螺旋转速下，垂直输送 机底部的极限进料量。垂直螺旋转速为 300rpm、270rpm时，试验按表 4-6所列 方案进行并记录相关测试值;垂直螺旋转速为 210 rpm、228 rpm、252 rpm时， 设定水平集料螺旋转速为 80 rpm，增大取料回转转速直至取料回转机构过载， 记录过载前相关参数，计算获得此时输送机的生产率。不同垂直螺旋转速下输 送机底部极限进料量见图 4-10所示。 117 武汉理工大学博士学位论文 图 4-10不同转速下垂直输送机底部极限进料量 垂直螺旋输送机底部进料能力分析，揭示了在供料装置保证充分供料量时 垂直输送机极限生产率与垂直螺旋转速的制约关系，为垂直输送机的设计、性 能参数的确定及工作中旋转轴转速的设置提供了试验指导意义。 4.3.2垂直输送测试结果分析 对不同垂直螺旋转速、水平集料螺旋转速、取料回转转速、料堆高度下， 螺旋卸船机垂直输送段生产率及垂直螺旋轴扭矩测试结果进行分析，探寻卸船 机生产率和扭矩随螺旋转速、充填率、料堆高度等的变化关系。 4.3.2.1垂直输送生产率随充填率的变化关系 垂直输送管内物料充填率通过取料装置回转转速及物料高度进行调节，垂 直螺旋输送生产率通过生产率计算公式( 4-5)求解，充填率根据公式( 4-7) 求解。当水平取料螺旋转速对物料的输送能力可满足水平取料螺旋回转转速时， 且垂直螺旋转速亦能满足取料装置供料时，卸船机生产率随取料装置回转转速 及料堆高度增大而增大。 设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平集料螺旋转速为 80rpm，试验中煤粉料 堆高度为 800mm，通过调节取料回转转速 0.312rpm、0.364rpm、0.416rpm与 0.52rpm实现垂直输送管内五种不同物料充填率进行测试，测试结果如图 4-11a 所示。为较全面研究卸船机生产率与充填率的变化关系，另设定垂直螺旋转速 为 270rpm，水平集料螺旋转速为 72rpm，试验中煤粉料堆高度为 800mm，通过 设定取料螺旋回转转速 0.312rpm、0.364rpm、0.416rpm与 0.52rpm实现五种不 同物料充填率工况，进行测试。测试结果如图 4-11b所示。图 4-11显示了垂 118 直 螺旋生产率随充填率的变化情况。 武汉理工大学博士学位论文 a b 图 4-11垂直螺旋生产率随充填率(回转)变化图 测试结果表明，当垂直螺旋转速、水平取料螺旋转速及料堆高度一定时， 垂直螺旋输送生产率随充填率的增大而增大，但增幅变化是先大后小。具体而 言为，当充填率从 0.188变化到 0.232与 0.265时，卸船机生产率的增幅分别为 15.2%和 15.7%;而当充填率从 0.265变化到 0.289与 0.302时，卸船机生产率 设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平集料螺旋转速为 80rpm，取料回转转速 的增幅分别仅为 14.9%和 8.8%。 为 0.416rpm，通过调节试验中煤粉料堆高度实现垂直输送管内五种不同物料充 填率进行测试，测试结果如图 4-12a所示。为较全面研究卸船机生产率随充填 率的变化关系，另设定垂直螺旋转速为 270rpm，水平集料螺旋转速为 72rpm， 取料螺旋回转转速为 0.364rpm，通过调节料堆高度实现五种不同物料充填率工 况，进行测试。测试结果如图 4-12b所示。图 4-12显示了垂直螺旋生产率随充 填率的变化情况。 a b 图 4-12垂直螺旋生产率随充填率(料堆)变化图 测试结果表明，螺旋卸船机生产率随充填率的增大而增大，但生产率增幅 119 武汉理工大学博士学位论文 逐步减小。从理论分析可知，当垂直螺旋转速及水平取料螺旋转速一定，当水 平取料螺旋回转转速增大时，单位时间内被输送到垂直螺旋输送管内的物料随 之增多，垂直螺旋管内充填率变大，卸船机生产率也随之增大，但增幅逐渐减 小。表明，当充填率增大到一定值时，生产率不再增加。 4.3.2.2垂直输送生产率随转速的变化关系 本文所进行的垂直输送试验中，给垂直螺旋提供稳定物料的方式是采用立 铣式螺旋取料装置作为垂直螺旋供料装置的条件假设。立铣式螺旋取料装置可 保证垂直螺旋有较稳定的充填率，且充填率调节范围较大，可提供高充填率的 物料输送条件，较符合本文试验工况和研究目标。立铣式螺旋取料装置的特点 决定了垂直螺旋输送的生产率。故在测试垂直输送生产率与垂直螺旋转速的关 系时，结合实际，当充填率一定时，对 5组工况下的生产率与螺旋转速进行测 试，如图 4-15所示为生产率与螺旋转速测试值与理论计算值对比图。(图中生 产率单位为 T/h;转速单位为 rpm;,k为物料临界转速) 图 4-13垂直螺旋生产率与垂直螺旋转速关系图 从图 4-13可知，当充填率一定时，垂直螺旋卸船机生产率随螺旋转速增大 而增大，试验结果于理论计算趋势一致，验证了理论模型计算结果。 4.3.2.3垂直螺旋轴扭矩随充填率的变化关系 对不同充填率下，螺旋卸船机垂直输送的生产率及垂直螺旋轴扭矩测试结 果进行分析，探寻卸船机生产率和垂直螺旋轴扭矩随充填率的变化关系。 在与 4.3.2.1相同参数设定下，按表 4-1.1、4-1.2、4-4.1、4-4.1所列方案 进 行测试，图 4-14显示了垂直螺旋轴扭矩随充填率的变化情况。图 4-14a所示为 120 设定垂直螺旋转速 300 rpm，水平集料螺旋转速为 72rpm时;图 4-14b所示为设 武汉理工大学博士学位论文 定垂直螺旋转速为 270rpm，水平集料螺旋转速为 72rpm时。图 4-14显示了垂 直螺旋轴扭矩随充填率的变化关系。 a b 图 4-14垂直螺旋轴扭矩随充填率(回转)变化图 测试结果表明，垂直螺旋轴扭矩随充填率的增大而增大，但扭矩增幅变化 较为复杂。从理论分析可知，当垂直螺旋转速及水平取料螺旋转速一定，当水 平取料螺旋回转转速增大时，单位时间内被输送到垂直螺旋输送管内的物料随 之增多，垂直螺旋管内充填率变大，垂直螺旋轴扭矩也随之增大。 为较全面研究垂直螺旋轴扭矩随充填率的变化关系，通过改变料堆高度实 现输送机充填率的变化，进行 2组测试。设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平集 料螺旋转速为 80rpm，取料回转转速为 0.416rpm，通过调节试验中煤粉料堆高 度实现垂直输送管内五种不同物料充填率进行测试，测试结果如图 4-15a所示。 另设定垂直螺旋转速为 270rpm，水平集料螺旋转速为 72rpm，取料螺旋回转转 速为 0.364rpm，通过调节料堆高度实现五种不同物料充填率工况，进行测试， 测试结果如图 4-15b所示。图 4-15显示了垂直螺旋扭矩随充填率的变化关系。 a b 图 4-15垂直螺旋扭矩随充填率(料堆)变化图 121 武汉理工大学博士学位论文 测试结果再次表明，垂直螺旋轴扭矩随充填率增大而增大，但增幅变化较 为复杂。 4.3.2.4垂直螺旋轴扭矩随转速的变化关系 设定水平取料螺旋转速80rpm，水平螺旋回转转速分别设定0.364rpm，垂直 螺旋转速为210rpm、228rpm、252rpm、282rpm、300rpm五个转速工况，试验中 物料料堆高度取850mm，进行扭矩测试。依据测试结果，垂直螺旋扭矩与垂直 螺旋转速的关系如图4-16所示。通过生产率计算公式(4-5)可计算此组参数下， 螺旋卸船机生产率为807T/h。 图 4-16生产率为 807T/h时垂直螺旋轴扭矩与垂 直螺旋转速关系图 设定水平取料螺旋转速 80rpm，水平螺旋回转转速分别设定 0.416rpm，垂 直螺旋转速为 210rpm、228rpm、252rpm、282rpm、300rpm五个转速工况，试 验中物料料堆高度取 800mm，进行扭矩测试。依据测试结果，垂直螺旋扭矩与 垂直螺旋转速的关系如图 4-17所示。通过生产率计算公式(4-5)可计算此组 参数下，螺旋卸船机生产率为 868T/h。 图 4-17生产率为 868T/h时垂直螺旋扭矩与 垂直螺旋转速关系图 测试结果表明，垂直螺旋轴扭矩随螺旋转速的增大而减小。理论分析表明， 当生产率一定时，垂直输送功率基本保持不变，但从转速、扭矩与功率之间的 122 武汉理工大学博士学位论文 关系可知，当转速减小时，扭矩增大。 4.3.2.5垂直螺旋轴扭矩随料堆高度的变化关系 卸船机在实际作业中，被作业物料高度可能有变化，为此试验中设定垂直 螺旋转速为 300rpm，水平集料螺旋转速为 80rpm，取料回转转速为 0.416rpm时， 通过人工平整设计 7组不同料堆高度进行模拟。垂直螺旋轴扭矩随料堆高度变 化的关系如图 4-18所示。 图 4-18 300 rpm时垂直螺旋轴扭矩随料堆高度变化图 设定垂直螺旋转速为 270rpm，水平取料螺旋转速为 72rpm，水平取料螺旋 回转转速设定为 0.364rpm时，，试验中煤粉料堆高度与上相同，进行七组测试。 依据测试结果，垂直螺旋扭矩与充填率的关系如图 4-19所示。 图 4-19 270rpm时垂直螺旋轴扭矩随料堆高度变化图 测试结果表明，垂直螺旋轴扭矩随料堆高度的增大而增大，但增幅变化较 为复杂。 4.3.2.6垂直输送充填率随转速的变化关系 与 4.3.2.4节进行相同参数设定，进行试验测试。通过生产率计算公式(4-5) 可计算此两组参数下，螺旋卸船机生产率分别为 807T/h与 868T/h。依据测试结 果，当生产率一定时，垂直输送充填率随转速的变化关系如图 4-20所示。图中 a表示生产率 807T/h时，b表示生产率为 868T/h时。 123 武汉理工大学博士学位论文 a b 图 4-20垂直输送充填率随转速变化图 测试结果表明，当卸船机生产率一定时，螺旋转速与充填率成负相关变化 关系。 4.3.3取料装置测试结果分析 4.3.3.1水平集料螺旋轴扭矩随转速变化关系 设定垂直螺旋转速为 300rpm，取料回转转速设定为 0.364rpm，试验中煤粉 料堆高度取 850mm，通过改变水平集料螺旋转速，进行测试。依据测试结果， 垂直螺旋扭矩与充填率的关系如图 4-21所示。 图 4-21 850mm时水平集料螺旋轴扭矩随转速变化图 结合本试验台的供料及垂直输送结构，当取料回转转速给定，且实现物料 的完全输送时，卸船机生产率已被确定，此组参数下卸船机生产率为 807T/h。 测试结果表明，当生产率一定时，集料螺旋轴扭矩随转速的增大而减小。 设定垂直螺旋转速为 300rpm，取料回转转速设定为 0.416rpm，试验中煤粉 料堆高度取 800mm，通过改变水平集料螺旋转速，进行测试。依据测试结果， 垂直螺旋扭矩与充填率的关系如图 4-22所示。 124 武汉理工大学博士学位论文 图 4-22 800mm时水平集料螺旋轴扭矩随转速变化图 此组参数下卸船机生产率为 868T/h。测试结果表明，当生产率一定时，集 料螺旋轴扭矩随转速的增大而减小。 4.3.3.2水平集料螺旋轴扭矩随料堆高度变化关系 设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平集料螺旋转速为 80 rpm，取料换转转速 为 0.416 rpm，通过人工改变料堆高度进行水平集料螺旋轴扭矩与料堆高度变化 曲线试验测试。依据测试结果，集料螺旋轴扭矩随料堆高度的变化关系如图 4-23 所示。 图 4-23 300rpm时水平集料螺旋轴扭矩随料堆高度变化图 测试结果表明，集料螺旋轴扭矩随料堆高度的增大而增大，增幅有逐渐增 加趋势。 设定垂直螺旋转速为 270rpm，水平取料螺旋转速 72rpm，水平取料螺旋回 转转速设定 0.364rpm，变化料堆高度，再次对集料螺旋轴扭矩与料堆高度变化 关系进行测试。依据测试结果，集料螺旋轴扭矩随料堆高度的变化关系如图 4-24 所示。 125 武汉理工大学博士学位论文 图 4-24 270rpm时水平集料螺旋轴扭矩随料堆高度变化图 测试结果再次表明，集料螺旋轴扭矩随料堆高度的增大而增大，增幅有逐 渐增加趋势。 4.3.3.3取料回转驱动轴扭矩随转速变化关系 设定垂直螺旋转速为 300rpm，水平集料螺旋转速为 80rpm，试验中煤粉料 堆高度为 800mm，通过调节取料回转转速 0.312rpm、0.364rpm、0.416rpm与 0.52rpm实现垂直输送管内五种不同物料充填率进行测试，测试结果如图 4-25a 所示。为较全面研究取料回转驱动轴扭矩随转速的变化关系，另设定垂直螺旋 转速为 270rpm，水平集料螺旋转速为 72rpm，试验中煤粉料堆高度为 800mm， 通过设定取料螺旋回转转速 0.312rpm、0.364rpm、0.416rpm与 0.52rpm实现五 种不同物料充填率工况，进行测试。测试结果如图 4-25b所示。图 4-25显示了 取料回转驱动轴扭矩随转速的变化情况。 a b 图 4-25取料回转驱动轴扭矩随转速变化图 测试结果表明，取料回转驱动轴扭矩随转速的增大而增大，增幅逐渐减少， 直至不再变化。 126 武汉理工大学博士学位论文 4.3.3.4取料回转驱动轴扭矩随料堆高度变化关系 设定与 4.3.3.2节相同参数，进行取料回转驱动轴扭矩随料堆高度变化测试。 依据测试结果，扭矩与料堆高度的变化关系如图 4-26所示。图中 8表示取料回 转转速为 0.416rpm时，b表示转速为 0.364rpm时。 a b 图 4-26取料回转驱动轴扭矩随料堆高度变化图 测试结果表明，取料回转驱动轴扭矩随料堆高度的增大而增大，增幅变化 较复杂。 4.3.4中间支撑物料通过性试验验证 试验中分别设置了多种料堆高度、多种螺旋轴转速的组合工况，进行了物 料的取料及垂直输送试验，并进行参数记录与计算处理。试验结果表明，在未 超过垂直输送机极限进料量的情况下，物料均被顺利实现垂直输送，试验中未 见物料在输送机内发生堵塞，输送机生产率与取料装置单位时间取料量基本相 等，说明物料在垂直螺旋的滚动间隔式中间支撑处通过顺畅。试验验证了物料 在中间支撑处可流畅通过。 4.4 试验对理论模型和仿真模型的检验 在前面第 2章垂直螺旋输送机理的理论建模分析中，垂直螺旋卸船机在相 关结构尺寸一定后，其生产率、充填率、物料垂直输送速度与垂直螺旋扭矩、 垂直螺旋转速相互之间的关系为螺旋卸船机研究设计中最主要的性能参数关系 之一。为此，将第 2章垂直输送理论研究及求解计算值与第 3章对垂直输送过 程的离散元仿真研究结果，和本章试验所得测试值进行比较分析。 127 武汉理工大学博士学位论文 4.4.1测试值与理论值、仿真结果对比分析 根据本章试验方案，结合第 2章垂直输送理论研究与第 3章离散元仿真 分 析，以垂直输送段生产率、扭矩、物料垂直输送线速度随转速、充填率变化的 21组测试值，对理论计算值与仿真值进行对比检验，见表 4-11、4-12、4-13。 表中均值及标准差为理论计算值或仿真分析值与试验值之比。鉴于仿真规模较 表 4-11生产率对比 大，故仿真只设置 9组，表中 X表示未进行仿真，无仿真值。 生产率(T/h) 均值 标准差 螺旋 序号 充填率 理论值 仿真值 理论值 仿真值 转速 试验值 理论值 仿真值 对试验 对试验 对试验 对试验 1.069 1.077 0.098 0.109 1 0.186 651 741 751 1.083 1.050 0.117 0.071 2 0.222 760 886 836 1.093 1.064 0.132 0.090 0.258 979 3 868 1030 300 0.296 1185 1040 1.106 1.032 0.151 0.046 4 977 1.120 1.001 0.170 0.001 0.336 1347 1088 5 1086 1.134 X 0.189 X 0.364 1153 1461 X 6 0.198 651 667 1.012 0.017 7 X X X 1.027 0.038 0.235 8 760 801 X X X 1.039 0.055 0.274 9 270 868 936 X X X 0.314 1.050 0.071 10 977 1075 X X X 1.060 0.085 11 0.355 1217 1086 X X X 1.071 0.101 12 0.408 922 210 814 1.004 0.006 13 228 823 1.259 1.020 0.183 0.014 0.389 1016 1.244 0.173 14 252 0.327 1004 828 1.026 0.018 807 1.193 0.137 15 282 0.264 963 832 1.031 0.022 16 300 836 1.143 1.036 0.101 0.025 0.231 922 1.079 0.112 17 210 0.444 X X X 1006 1.279 0.197 18 228 0.424 1110 X X X 868 1115 1.285 0.201 19 252 0.362 X X X 20 282 0.3 1096 1.263 0.186 X X X 1.188 0.133 21 300 1031 0.258 X X X 表 4-11所示为卸船机生产率的试验值、理论计算值、仿真值的对比分析结 果。结果表明，在螺旋转速一定，充填率变化时，理论计算生产率值与试验值 之比的均值及标准差最小分别为 1.012与 0.017，最大分别为 1.134与 0.189;仿 真分析值与试验值之比的均值及标准差最小分别为 1.001与 0.001，最大分别为 128 武汉理工大学博士学位论文 1.077与 0.109。理论计算值、仿真分析值与试验值吻合度比较高。当给定生产 率，螺旋转速变化时，理论计算生产率值与试验值之比的均值及标准差最小分 别为 1.071与 0.101，最大分别为 1.285与 0.201;仿真分析值与试验值之比的均 值及标准差最小分别为 1.004与 0.006，最大分别为 1.036与 0.025。理论计算值 表 4-12所示为垂直螺旋轴扭矩值的对比分析结果。仿真中垂直输送段长度 为与试验值吻合较好。其误差分析下节进行分析。 7米，试验中垂直段为 16米，故按比例对仿真扭矩值处理， 表 4-12扭矩值对比 均值 标准差 扭矩(Nm) 螺旋 序号 充填率 理论值 仿真值 理论值 仿真值 转速 试验值 理论值 仿真值 对试验 对试验 对试验 对试验 0.928 0.102 1 0.186 7486 6410 12106 1.309 0.436 0.901 0.140 2 0.222 9467 7598 15091 1.297 0.420 0.903 0.137 0.258 16053 1.238 0.336 3 10883 8771 300 0.936 0.091 0.296 11463 17443 1.261 0.369 4 9987 0.963 0.053 0.336 12155 19175 1.289 0.408 5 11247 0.364 13813 12114 X 0.938 X 0.087 X 6 0.923 0.109 0.198 7600 6428 7 X X X 0.891 0.154 0.235 8 9682 7577 X X X 0.274 0.908 0.131 9 270 10758 8771 X X X 0.919 0.115 0.314 11903 9973 X X X 10 0.939 0.086 11 0.355 12736 11186 X X X 12 12578 11351 0.951 0.069 0.408 210 13491 1.036 0.051 0.967 0.047 13 228 0.389 12034 11239 13739 1.071 0.100 0.938 0.088 14 252 0.327 11428 10012 13834 1.105 0.149 15 282 9957 8663 14352 0.935 1.221 0.092 0.312 0.264 0.939 0.086 16 300 0.231 15091 1.340 0.480 8987 7893 0.938 0.087 17 210 0.444 X X X 13989 12262 228 13028 12165 0.967 0.047 18 0.424 X X X 19 252 0.362 12225 11006 0.950 0.071 X X X 0.959 0.058 20 282 0.3 10653 9776 X X X 300 10883 0.903 0.137 21 0.258 8771 X X X 结果表明，在螺旋转速一定，充填率变化时，理论计算扭矩值与试验值之 129 武汉理工大学博士学位论文 比的均值及标准差最小分别为 0.963与 0.053，最大分别为 0.891与 0.154;仿真 分析值与试验值之比的均值及标准差最小分别为 1.238与 0.336，最大分别为 1.309与 0.436。理论计算值与试验值吻合度比较高，仿真分析值与试验值有一 定误差。当给定生产率，螺旋转速变化时，理论计算值与试验值之比的均值及 标准差最小分别为 0.967与 0.047，最大分别为 0.903与 0.137;仿真分析值与试 验值之比的均值及标准差最小分别为 1.036与 0.051，最大分别为 1.340与 表 4-13所示为物料垂直输送线速度对比分析结果。 0.480。 表 4-13物料垂直输送速度对比 理论计算值与试验值吻合较好，仿真值与试验值有一定误差。其误差分析下节 物料输送速度(m/s) 均值 标准差 进行分析。序 螺旋 充填率 理论值 仿真值 理论值 仿真值 号 转速 试验值 理论值 仿真值 对试验 对试验 对试验 对试验 0.243 1 0.186 3.333 2.187 2.095 0.828 0.814 0.263 0.233 2 0.222 3.265 2.190 2.053 0.835 0.814 0.262 0.222 0.258 3.2 2.194 1.985 0.843 0.810 0.268 3 300 0.296 2.197 1.950 0.850 0.811 0.212 0.268 4 3.137 0.201 0.336 3.077 2.201 1.922 0.858 0.812 0.265 5 0.191 0.364 3.019 2.204 X 0.865 X X 6 0.198 3.137 1.868 0.798 0.286 7 X X X 0.277 0.235 3.077 1.872 0.804 8 X X X 0.268 0.274 3.019 1.875 0.811 9 270 X X X 2.963 0.259 0.314 1.879 0.817 10 X X X 0.249 11 0.355 2.909 1.883 0.824 X X X 0.241 12 0.408 1.882 1.241 0.830 210 1.368 0.863 0.193 13 228 1.975 1.621 0.910 0.193 0.127 0.389 1.435 0.863 0.200 14 252 0.327 2.353 1.687 1.857 0.859 0.895 0.149 0.220 15 282 0.264 2.909 2.003 1.930 0.844 0.832 0.238 16 300 2.053 0.808 0.242 0.272 0.231 3.333 2.191 0.829 0.234 17 210 0.444 1.86 1.244 X 0.835 X X 0.186 18 228 0.424 1.438 0.868 1.951 X X X 19 252 2.286 0.184 0.362 1.691 0.870 X X X 0.193 20 282 0.3 2.759 2.006 0.864 X X X 0.222 21 300 3.2 2.194 0.843 0.258 X X X 130 武汉理工大学博士学位论文 结果表明，在螺旋转速一定，充填率变化时，理论计算物料垂直输送速度 值与试验值之比的均值及标准差最小分别为 0.865与 0.191，最大分别为 0.798 与 0.286;仿真分析值与试验值之比的均值及标准差最小分别为 0.814与 0.263， 最大分别为 0.810与 0.268。理论计算值与试验值吻合度比较高，仿真分析值与 试验值有一定误差。当给定生产率，螺旋转速变化时，理论计算值与试验值之 比的均值及标准差最小分别为 0.870与 0.184，最大分别为 0.829与 0.242;仿真 试验值、理论计算值、仿真分析值的对比分析结果表明，理论计算生产率 分析值与试验值之比的均值及标准差最小分别为 0.910与 与扭矩值与试验值较为吻合，验证了理论模型的正确性。仿真分析值与试验值 的对比表明离散元仿真在变化趋势上与试验较为符合，但在扭矩定量分析上存0.127，最大分别为 在一定的误差。0.808与 0.272。理论计算值、仿真值与试验值吻合较好。其误差分析下节进行 分析。 4.4.2误差分析 理论计算中是给定输送机结构尺寸、螺旋转速与物料充填率，计算生产率 与扭矩，而试验中是通过供料装置给垂直输送段提供稳定物料流，充填率是经 记录输送时间计算得出。卸船机生产率测试值与理论计算值的误差在于理论计 算生产率时设定的充填率采用试验中计算所得实际。改变充填率第三与第二小 数位，理论计算生产率差别达到几十吨。试验中计算充填率时，垂直输送时间 改变第一与第二小数位值，导致充填率第二小数位发生变化。因而垂直输送记 录时间的精度及准确度对生产率测试值与理论计算值误差存在一定影响。物料 实际输送状态、重度分布的不均亦造成两者存在细微误差。仿真分析生产率与 试验值较为吻合在于仿真中运动及物料密度参数与试验一致，并不依赖时间测 量计算的充填率值。 扭矩测试值与理论计算值两者之间的误差，从理论分析，在于理论建模时 的前提假设与实际物料运动的细微差别，在实际螺旋输送管内，物料的运动较 复杂，物料颗粒群在螺旋叶片、螺旋轴、螺旋管内壁之间的分布亦不能与理论 假设完全吻合，且物料颗粒群在运动中的受力极其复杂多变。而物料与物料之 间，以及物料不同时间段及不同区域内的水分、粘性、尺寸等差别也导致与理 性假设有所差异，导致理论计算值比试验测试值略微偏小。在实际试验中，也 131 武汉理工大学博士学位论文 需考虑实际测试中外界信号的干扰、数据采集与传输的误差等。 扭矩测试值与仿真分析值两者之间的误差，从理论分析，在于离散元理论 与散体力学及连续介质力学之间的无法完全对应。接触模型参数与物料特性参 数之间无法完全匹配，例如仿真参数中，物料与物料之间的摩擦系数、恢复系 数，物料与几何体之间的恢复系数等，参数轻微改动及物料尺度与形状等，对 仿真扭矩结果影响较大。 物料垂直输送速度的试验值是通过记录物料从进入到垂直输送底部至顶部 卸料开始时间，通过计算所得，分析可知，记录时间的精度与准确度对试验中 计算结果影响较大。理论计算值与仿真分析值因获取方式较理想与准确，吻合 度较好。 4.5 本章小结 本章以 L型螺旋卸船机的取料及垂直输送机头作为试验研究的平台，完成 了螺旋卸船机垂直输送机理及相关的取料过程、物料中间支撑通过性的试验研 究。 在研发垂直输送及取料机理试验台的基础上，确定了试验台的测试参数、 可调参数及变化范围、导出参数及推导方法;根据试验目的制定了试验方案和 组合;对输送机进料能力、输送性能参数随螺旋转速及充填率的变化关系、取 料性能参数取料螺旋转速及料堆高度的变化关系进行了试验研究;验证了物料 在中间支撑处的通过性;用试验数据对理论模型和仿真模型进行了检验。 通过试验研究，揭示了输送机进料口极限进料量的规律，获取了垂直输送 及取料过程的相关变化曲线，验证了理论模型的正确性，分析了仿真模型方法 在精度上的局限性。 132 武汉理工大学博士学位论文 第 5 章结论与 展望 5.1 全文总结 本文以 L型螺旋卸船机的垂直输送段为研究对象，分别用散体力学理论模 型分析方法、接触力学离散元理论的计算机仿真方法、实机试验的方法，针对 螺旋卸船机垂直输送机理展开了全面深入的研究，取得了显著的研究成果。 本文主要研究工作及结论如下: (1)垂直螺旋输送机理研究 以散体力学、连续介质力学及颗粒群理论为基础完成了对多头垂直螺旋输 送机理的理论建模与分析，建立了垂直螺旋卸船机内物料颗粒群稳定运动的散 体力学模型。依据试验观察现象，对螺旋槽内物料颗粒群的转速作出沿径向变 化的假定，在此基础上通过对物料的运动分析确立了物料运动特征参数，而后 研究确定了输送机纵向截面的物料自由表面类型及其判别、求解的方法，研究 确定了物料颗粒群对输送管壁及螺旋面的压力分布规律，最终建立了物料运动 特征参数、生产率与螺旋轴驱动功率的计算模型并给出数值计算方法。应用本 文提出的垂直螺旋输送机理分析模型，分别描述了输送机的输送量及阻力随螺 旋转速、物料充填率、螺旋直径及螺距等因素的变化规律，描述了在给定输送 量前提下螺旋转速与充填率、螺旋转速与功率及功率与充填率的变化规律，为 垂直螺旋输送机主要参数的确定提供了完备的设计方法。 (2)基于离散元螺旋卸船机垂直输送段仿真分析 应用离散元理论及 EDEM软件，对物料的相关物性参数、物料的垂直螺旋 输送过程、物料在输送机底部的进料过程及在滚动间隔式中间支撑处的运动过 程进行全面的计算机仿真。以离散单元法基本理论及散体力学理论为基础，进 行物料堆积角实体实验与虚拟物料特性参数标定仿真实验，获取了所模拟的螺 旋卸船机被卸物料仿真特性参数;对不同充填率及不同螺旋转速下垂直螺旋输 送过程进行了离散元仿真分析，获取了垂直螺旋输送性能参数的变化特性;对 垂直螺旋底部进料口处物料运动进行了离散元仿真分析，获取了取料装置供料 能力随自转转速及集料螺旋转速的变化关系;对垂直输送管截面内物料运动仿 真分析，验证了理论分析中对物料转速所作的假定;对垂直螺旋中间支撑处的 133 武汉理工大学博士学位论文 物料运动进行了离散元仿真分析，验证了物料在滚动间隔式中间支撑处的通过 性，并给出了滚动间隔式中间支撑的设计准则。应用本文所确立的散粒群体研 究方法，可定性地或在一定程度上定量地揭示和模拟物料在垂直螺旋输送机取 料、垂直输送、中间支撑处的运动状态和规律，为垂直螺旋输送机及其取料装 置、中间支撑装置的设计与改进提供了直观的依据，为理论分析的创新性假定 提供了佐证，为理论模型的检验提供了一定程度上的判据。 (3)螺旋卸船机垂直输送段试验研究 利用 L型螺旋卸船机的取料及垂直输送机头，研制卸船机垂直输送段试验 台，对螺旋卸船机垂直输送机理及相关的取料过程、物料中间支撑通过性进行 了试验研究。在研发垂直输送及取料机理试验台的基础上，确定了试验台的测 试参数、可调参数及变化范围、导出参数及推导方法;根据试验目的制定了试 验方案和组合;对输送机进料能力、输送性能参数随螺旋转速及充填率的变化 关系、取料性能参数取料螺旋转速及料堆高度的变化关系进行了试验研究;验 证了物料在中间支撑处的通过性;用试验数据对理论模型和仿真模型进行了检 验。通过试验研究，揭示了输送机进料口极限进料量的规律，获取了垂直输送 及取料过程的相关变化曲线，验证了理论模型的正确性，分析了仿真模型方法 在精度上的局限性。 5.2 主要创新点 (1)提出了螺旋槽内物料颗粒群的转速沿径向变化的假定，并以此为基础 建立了全新的物料运动特征参数、输送性能参数的散体力学分析模型并描述了 物料自由表面及压力分布规律，形成完备的垂直螺旋输送机理的理论与方法。 通过实机应用及试验验证了本文假定、相关理论和方法的有效性和正确性。 (2)提出了以实测物料特性参数为基准的虚拟物料特性参数标定仿真实验 方法，创造性地运用离散元 EDEM仿真方法，定性地模拟了物料在垂直螺旋输 送机取料、垂直输送、中间支撑处的运动状态和规律。 (3)由试验研究，定量地描述了输送机进料能力、输送性能参数受螺旋转 速及充填率的影响，以及取料性能参数受取料螺旋转速及料堆高度的影响，应 用其规律对理论模型研究进行了引导、修正和验证。 (4)通过试验发现了垂直螺旋输送机进料口物料流量的变化规律，提出了 输送机进料口的极限进料量的概念，反映了垂直输送机输送能力与取料装置供 134 武汉理工大学博士学位论文 料能力的相互关系。 5.3 进一步研究工作展望 在本文研究成果的基础上，可以从以下三个方面展开进一步的研究工作: (1)物料特性参数的实体实验与离散元虚拟参数标定仿真实验研究。离散 元理论作为目前国外对散体研究的主要理论，结合散体力学理论，寻求散体力 学中物料物性参数与离散元理论中对应参数的相互关系，为较好的进行离散元 仿真研究提供基础。本文限于时间及实验器材所限，仅进行了物料堆积角的实 体实验及虚拟参数标定仿真实验，还可进行物料的三轴实体实验及虚拟参数标 定、物料冲击力实体实验及虚拟参数标定等研究。 (2)以散体力学为基础，考虑物料的内聚力、含水量、粘性、尺度、形状 等对物料输送的影响，对离散元理论中的接触计算模型进行研究改进，以使得 离散元理论对散货输送机理更丰富，仿真更切合实际。 (3)以散体力学、连续介质力学及颗粒群理论为基础，对物料在滚动间隔 式中间支撑处进行运动分析，建立其力学模型，从输送理论角度计算物料颗粒 群在中间支撑处的能耗及输送速度损失，完善垂直输送机理。 135 武汉理工大学博士学位论文 参考文献 [1]姜艳妮.国际干散货运输市场述评[J].中国远洋航务,2010,(8):81. [2]郑见粹.国内外连续卸船机的发展情况[J].起重运输机械,2000,6:1-4. [3]李郁.气固二相流螺旋输送与分离机理研究[D].武汉:武汉理工大学，2002:01-03. [4]施建伟.大型散粮专用连续卸船机[J].起重运输机械,2005,3:9-12. [5]毕华林，蒋琼珠，梁一如.散货连续卸船机[M].武汉:港口装卸杂志社,1990:152-160. [6]李勇智.应用螺旋卸船机的港口物流系统的分析与比较[J].物流技术，1996.(03):35-41. [7] A.维尔林 , G.L.津赫 ,朱志成 .垂直螺旋输送机输送过程的研究 [J].起重运输机械 , 1964,12(2):18-22. [8]李英，潘家祯，孔令超.立式螺旋卸船机最佳输送状态理论及计算机可视化设计 [J].起 重运输机械, 2004:39-43. [9]梁晓方.新型垂直螺旋卸船机的开发应用[J].硫磷设计与分体工程, 2003, 52: 45-46. [10] Nilsson, P.JI. On the Vertical Screw Conveyor for Non-Cohesive Bulk Materials[J]Acta Polytechnical Scadinavica Mech.Eng.Sevies,1971,No.64:1-96. [11]景思睿，张鸣远.流体力学[M].西安:西安交通大学出版社,2001:65-70. [12]黄雅达.散装物料垂直螺旋卸船机[J].港口装卸,2003,(06):56-60. [13]武汉水运工程学院起重运输机教研室 .散装物料垂直螺旋卸船机 [J].起重运输机 械,1981,(03):23-29. [14]朱湘，程友联 .垂直螺旋卸船机运动参数的计算 [J].武汉水运工程学院学报 ,1993, (03):37-43. [15]庞美荣，王春维.螺旋卸船机的功率计算[J].起重运输机械，1995.(8):17-20. [16]李勇智，蒋琼珠.高充填率垂直螺旋卸船机生产率与功率的计算 [J].起重运输机械， 1996.(08):13-18 [17]孟文俊，王晓竑.垂直螺旋卸船机内物料颗粒的运动密度研究 [J].硫磷设计与粉体工 程, 2009,(03):24-27. [18]李勇智.按输送效率最高确定垂直螺旋卸船机的主要参数[J].港口装卸,1996,(03):1-3. [19]李英，许诺，刘光蓉.基于 VC++6.0的水平螺旋卸船机选型设计研究[J].武汉工业学报， 2002，(01):51-54. [20]韩其迎.螺旋卸船机的几点改进[J].建筑机械化，2002，(5):23-29. [21]赵立新，丁筱玲.螺旋卸船机的选型设计[J].农业化研究, 2006,(09): 45-52. 136 武汉理工大学博士学位论文 [22]赵红霞，刘建寿，李志荣，常松芝.螺旋卸船机螺距优化公式推导[J].拖拉机与农用 运输, 1997,(07):27-32. [23]任加莉.螺旋卸船机叶片分析和尺寸合理选择[J].中国矿井盐,1997,(06):17-22. [24]宋诚生，董玉德，李延峰，赵韩.螺旋卸船机螺旋轴的设计和寿命预测方法的研究[J]. 中国机械工程, 2003,(12):29-36. [25]孟文俊，王鹰.连续输送机械及其系统的现状和未来展望[C].物流工程三十年技术创 新发展之道,2010. [26]张婷，孟文俊 .连续卸船机的使用与发展 [C].物流工程三十年技术创新发展之 道,2010. [27] Bates L. Entrainment patterns of screw hopper dischargers[J].ASME Journal of Engineering for Industry，1969，295-302. [28] Yu Y，Arnold P C. The influence of screw feeders on bin flow patterns[J].Powder Technology，1996，88(1):81-87. [29] Roberts A W，Willis A H. Performance of grain augers[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，London，1962，197(8):67-73. [30] Roberts A W，Manjunath K S，McBride W. The mechanics of screw feeder performance for bulk solids flow control[J].VolME18#1，Transactions of Mechanical Engineering， Institution of Engineers，Australia，1993. [31] Shimizu Y，Cundall P A. Three-dimensional DEM simulation of bulk handling screw conveyors[J].Journal of Engineering Mechanics，September 2001:864-872. [32] Cleary P W. Large scale industrial DEM modelling[J].Engineering Computation 2004， 21:169-204. [33] Cleary P W. DEM modelling of particulate flow in a screw feeder[J].Progress in Computational Fluid Dynamics，2007，7(Nos. 2/3/4):128-138. [34] McBride W， Cleary P W. An investigation and optimization of the ?OLDS‘ elevator using discrete element modeling[J].Powder Technology，2009，193(3):216-234. [35] Fernandez J W，Cleary P W，McBride W. Effect of screw design on hopper drawdown of spherical particles in a horizontal screw feeder[J].Chemical Engineering Science，2011， 66:5585-5601. [36] Marinelli J. Choosing a feeder that works in unison with your bin[J].Powder and Bulk Engineering，1996，10(12):43-57. [37] Owen，P J，Cleary，P W，McBride，B. Simulated granular flow in screw feeders using 3D discrete element method(DEM)[C].CHEMECA 2003，31st Australasian Chemical Engineering Conference，2003，ISBN: 0-86396-829-5，Paper No. 203. 137 武汉理工大学博士学位论文 [38] Owen P J，Cleary P W. Prediction of screw conveyor performance using the discrete element method(DEM) [J].Powder Technology，2009，(193):274-288. [39] Owen P J，Cleary P W. Prediction of screw conveyor performance using the discrete element method(DEM) [J].Powder Technology，2009，(193):274-288. [40] Owen P J， Cleary P W. Screw conveyor performance: comparison of discrete element modelling with laboratory experiments[C].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries，CSIRO， Melbourne，Australia，2009. [41]李海燕 .基于 EDEM的垂直螺旋卸船机性能参数仿真研究 [D].太原:太原科技大 学,2011:58-61. [42]陈天沛. L型螺旋卸船机垂直轴段中间支撑特性分析 [D].武汉:武汉理工大学 .2013: 16-17. [43]蒋琼珠.散体力学[M].武汉:港口装卸杂志社，1991:37-39，51-52. [44]蒋琼珠.散体力学[M].武汉:港口装卸杂志社，1991:37-39，55-59. [45]蒋琼珠.散体力学[M].武汉:港口装卸杂志社，1991:37-39，70-80. [46]陈希哲.粗粒土的强度与咬合力的试验研究[J].工程力学，1994，11(4):56-63. [47]陈震.散体极限平衡理论基础[M].水利电力出版社,1987:1-43 [48]李勇智.按输送效率最高确定垂直螺旋卸船机的主要参数[J].港口装卸, 1996,12(3): 26-30. [49]王贡献.气固二相流螺旋输送与分离机理研究[D].武汉:武汉理工大学.2002:42-46. [50]李勇智，蒋琼珠 .高填充率垂直螺旋卸船机生产率与功率的计算 [J].起重运输机械 . 1996,18(8):41-45. [51]李勇智，毕华林，蒋琼珠.螺旋卸船机垂直输送过程研究[J].武汉水运工程学院学报， 1992.06. [52]李勇智.螺旋卸船机取料段工作机理的研究[J].武汉水运工程学院，1989. [53]袁建明.气固二相流螺旋输送与分离过程研究[D].武汉:武汉理工大学.2002:19-21. [54]张捷美 .基于物料转速径向变化的垂直螺旋输送过程研究 [D].武汉 :武汉理工大 学.2013:38-39. [55]莫龙全.螺旋卸船机动力分析及取料头实验研究[J].武汉水运工程学院，1989. [56]蒋琼珠.连续运输机[M].北京:人民交通出版社，1986:139-148. [57]刘雁，蒋琼珠 .垂直螺旋卸船机物料输送形态的探讨 [J].武汉水运工程学院学报， 1985.03. [58]李勇智，毕华林，蒋琼珠.螺旋卸船机垂直输送过程研究[J].武汉水运工程学院学报， 1992.06. [59]乔连顺.固体散料螺旋卸船机的设计与性能标准[S].重工与起重技术，2004.03. 138 武汉理工大学博士学位论文 [60]乔连顺.固体散料螺旋卸船机的设计与性能标准(续)[S].重工与起重技术，2004.04. [61]李勇智，蒋琼珠.高充填率垂直螺旋卸船机生产率与功率的计算 [J].起重运输机械， 1996.08. [62]闻邦椿等.机械设计手册(第 5版)[M].北京:机械工业出版社，2010:386-421. [63]徐灏等.新编机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社，1995:104-354. [64]梁庚煌.运输机械手册(第二册) [M].北京:化学工业出版社，1983:12-80. [66] Cundall,P,A. Three dimensional DEM simulation of bulk handling vertical screw conveyors [65]王鹰等.连续卸船机械设计手册[M].北京:中国铁道出版社，2001:39-106. [J]. Engineering Mechanics, 2001,(01):864–872. [67] P.J.Owen, P.W.Cleary, B.McBride. Simulated granular flow in screw feeders using 3D Discrete Element Method(DEM) [J].Australasian Chemical Engineering Conference, 2003,(01): 203-210. [68] P.W.Cleary.Predicting charge motion, power draw, segregation, wear and particle breakage in ball mills using discrete element methods[J].Minerals Engineering, 1998,11(01): 1061–1080. [69] Cundall, P,A. Three dimensional DEM simulation of bulk handling vertical screw conveyors [J]. Engineering Mechanics, 2001,(01):864–872. [70] P.W.Cleary. Discrete Element Modelling of industrial granular flow applications [J].TASK, Quarterly- Scientific Bulletin,1998,(02):385-416. [71] P.J.Owen, P.W.Cleary, B.McBride. Simulated granular flow in screw feeders using 3D Discrete Element Method(DEM) [J].Australasian Chemical Engineering Conference, 2003,(01): 203-210. [72] Cundall, P,A. Three dimensional DEM simulation of bulk handling vertical screw conveyors [J]. Engineering Mechanics, 2001,(01):864–872. [73] Tanaka T, Ishida T, Tsuji Y. Direct numerical simulation of granular plug flow in a horizontal pipe(the case of cohesionless particles).Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu B-hen, 1991, 57(01): 456–463. [74] A.W.Roberts.The influence of granular vortex motion on the volumetric performance of enclosed vertical screw conveyors[J].Powder Technology,1999,104(01):56–67. [75] Y.Shimizu, P.A.Cundall. Three-dimensional DEM simulation of bulk handling vertical screw conveyors[J].Journal of Engineering Mechanics,2001,(01):864-872. [76] P.A.Moysey,M.R.Thompson. Modelling the solids inflow and solids conveying of single-screw extruders using the discrete element method[J].Powder Technology,2005,153 (02): 95–107. 139 武汉理工大学博士学位论文 [77] Choi J, Kudrolli A, Bazant M Z. Velocity profile of granular flowsinside silos and hoppers. Journal of Physics: Condensed Matter,2005,(17): 2533–2548. [78] Coetzee C J, Els D N J. Calibration of discrete element parameters and the modeling of silo discharge and bucket filling. Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 65(01): 198–212. [79] Philip J.OWEN,Paul W.CLEARY. Vertical screw conveyor performance: comparison of discrete element modelling with laboratory experiments[J].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, 2009,(01):342-349. [80]孙其诚，王光谦.静态堆积颗粒中的力链分布[J].物理学报，2008,(08):4667-4674. [81]孙其诚，王光谦.颗粒流动力学及其离散模型评述[J].力学进展,2008, 38(1):87-100. [82]孙其诚，王光谦，胡凯衡.颗粒物质力学几个关键问题的思考[J].自然科学进展, 2008, (10):1104-1110. [83]陆坤权，刘寄星.颗粒物质(上)[J].物理, 2004, 33(9):629-635. [84]陆坤权，刘寄星.颗粒物质(下)[J].物理, 2004, 33(10):713-721. [85]吴清松，胡茂彬.颗粒流的动力学模型和实验研究进展[J].力学进展,2002,32 (2):250-258. [86]孙其诚，王光谦.颗粒流动力学及其离散模拟评述[J].力学进展,2003,33(2): 251-260. [87]徐泳，孙其诚，张凌等.颗粒离散元研究进展[J].力学进展,2003:251-260( [88]中华人民共和国国家标准粉尘物性试验方法 . BS EN 12047[J].劳动保护科学技术， 1998,(06):30. [89]中华人民共和国国家标准粉尘物性试验方法 . ISO 8398-1989[J].劳动保护科学技术， 1998,(06):30. [90]中华人民共和国国家标准粉尘物性试验方法. GB 11986-1989[J].劳动保护科学技术， 1998,(04):30. [91]中华人民共和国国家标准粉尘物性试验方法 . GB/T 16913.5-2008[J].劳动保护科学技 术，1998,(06):30. [92]中华人民共和国国家标准表面活性剂粉体和颗粒堆积角的测量. GB 11986-1989 [J]. 劳动保护科学技术，1998,(06):30. [93] Owen P J， Cleary P W. Screw conveyor performance: comparison of discrete element modelling with laboratory experiments[R].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries，CSIRO， Melbourne，Australia，2009. [94] M.Bortolamasi, J.Fottner. Design and sizing of screw feeders[J].Proc.Partec 2001(Int. Congress for Particle Technology,2001，69:27–29. [95]胡国明等.颗粒系统的离散元法分析仿真[M].武汉:武汉理工大学出版社,2010:48-53. 140 武汉理工大学博士学位论文 [96] P.A.Moysey, M.R.Thompson. Modelling the solids inflow and solids conveying of single-screw extruders using the discrete element method[J].Powder Technology, 2005,153 (2): 95-107. [97] Philip J.OWEN, Paul W.CLEARY.Vertical screw conveyor performance: comparison of discrete element modelling with laboratory experiments[C].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, 2009. [98] A.W.Roberts. The influence of granular vortex motion on the volumetric performance of enclosed vertical screw conveyors[J].Powder Technology, 1999, 104: 56–67. [99] P.W.Cleary, Charge behaviour and power consumption in ball mills: sensitivity to mill operating conditions,liner geometry and charge composition[J]. International Journal of Mineral Processing, 2001, 63: 79–114. [100] Shimizu Y, Cundall P A. Three-dimensional DEM simulation of bulk handling screw conveyors[J].Journal of Engineering Mechanics, September 2001:864-872. [101] Owen, P J, Cleary, P W, McBride, B. Simulated granular flow in screw feeders using 3D discrete element method(DEM)[J].CHEMECA 2003, 31st Australasian Chemical Engineering Conference, 2003, ISBN: 0-86396-829-5, Paper No. 203. [102] Owen P J, Cleary P W. Prediction of screw conveyor performance using the discrete element method(DEM) [J].Powder Technology, 2009,(193): 274-288. [103] Redemacher F J C. Some Aspercts of the characteristics of Vertical Screw Conveyor for Granular Material[J].Powder Tchnology,1974(9) :46- 49. [104] John Favier. Industrial application of DEM: Opportunities and Challenges[J].DEM Solutions Ltd, 2008,54(8): 47-50. [105] Gabler H. Thearetische und Experimentelle Untersachung der Förderung in Stellen und Senkrechetn Schnenckenfördern[J].Die Dissertation von der Fakulatät für Maschinenwesen der Technischen universität München, 1981,57(37):278-294. [106] P.A.Moysey, M.R.Thompson. Modelling the solids inflow and solids conveying of single-screw extruders using the discrete element method[J]. Powder Technology, 2005, 153(2): 95—107. [107]孙家广,胡事民.计算机图形学基础教程[M].北京:清华大学出版社，2005:212-218. [108]潘云鹤,董金祥,陈德人.计算机图形学原理、方法及应用 [M].北京:高等教育出版 社，2003:60-82. [109] Owen P J, Cleary P W. Screw conveyor performance: comparison of discrete element modelling with laboratory experiments[R].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, Melbourne, Australia, 2009. 141 武汉理工大学博士学位论文 [110]蒋琼珠，刘雁.螺旋卸船机输送机理的数学模型与优化设计[J].起重运输机械，1985， 12(4):2-9. [112]刘雁，蒋琼珠 .垂直螺旋卸船机物料输送性态的探讨 [J].武汉水运工程学院学报， 1985，29(3):31-38. [113]毕华林，蒋琼珠，梁一如.散货连续卸船机[J].港口装卸杂志社，1990，20(8):20-25. [114]李勇智.应用螺旋卸船机的港口物流系统的分析与比较[J].物流技术，1996，78(1): 3-6. [115]李郁.气固二相流螺旋输送与分离机理研究[D].武汉:武汉理工大学，2002:02. [116]李郁.螺旋气力吸取料分离过程物料流动特性的试验研究与数值仿真[D].武汉:武汉 理工大学，2012:12. [117]李勇智.高充填率垂直螺旋卸船机生产率与功率的计算 [J].起重运输机械，1996，08 (20):13-17. [118]李郁，李勇智.螺旋气力取料机的工作原理及试验研究[J].起重运输机械，2008，12(8): 25-28. [119]李郁，李勇智，陈定方.螺旋气力取料装置试验模型的改进研究[J].湖北工业大学学报， 2008，23(3):6-8. [120]向冬枝，徐余伟.螺旋卸船机设计参数的选择和确定[J].水泥技术,2010,26(1):55-58. [121]胡勇克，戴莉莉，皮亚南 .螺旋输送器的原理与设计 [J].南昌大学学报(工科版) , 2000,23(4):52-55. [122]杨健.输送螺旋的设计计算与成型方法[J].武汉造船,1999,13(2):21-24. [123]黄石茂.螺旋卸船机输送机理及其主要参数的确定[J].广东造纸,1998,21(3):44-47. [124]尹忠俊，孙洁，陈兵.开式螺旋卸船机输送机理分析与参数设计[J].矿山机械,2010， 21(11): 48-52. [125]孟文俊，王晓竑(垂直螺旋卸船机内物料颗粒的运动密度研究 [J](硫磷设计与粉体 工程, 2009,25(3):28-32. [126]张东海.螺旋卸船机的优化研究[D].大连:大连理工大学,2006:19-23. 142 武汉理工大学博士学位论文 致谢 岁月如梭，白驹过隙，四年的博士研究生生涯也即将画上句号。回首往事， 理工六年的点点滴滴涌上心头，不免有些许的感伤。能够在武汉理工大学度过 我的六年研究生生涯，我感到荣幸之至。 “只有时刻心存感激，才能拥有最多的良师有益友～”在这里首先要向我的 导师胡吉全教授致以最诚挚的感谢～ 论文是在胡吉全教授的悉心指导下完成的。胡老师严谨的治学态度、朴素 的工作作风、丰富的科研经验和深厚的科研素养深深地影响了我，特别是他高 尚的人格魅力，无时无刻不在帮助教育我踏踏实实做人，扎扎实实做学问。在 攻读博士学位四年的学习生活中，胡老师不仅在学业上给予我热情的鼓励和细 心的指导，在生活与工作上更是给予我无微不至的关心。 感谢导师李勇智教授在学习、工作及生活上给我的孜孜教诲、精心培养和 悉心关怀。您严谨的治学精神，深厚广博的学术造诣，孜孜不倦的开拓创新精 神，宽广的胸怀和坦荡的人格都深深感染着我，您的言传身教、谆谆教导、无 微不至的关怀，让我在求学、工作和生活上都满载而归。在李老师的悉心指导 和大力支持下我的博士学习和科研课题才得以顺利完成。 感谢袁建明副教授、李郁副教授、王贡献副教授、周勇副教授、胡志辉博 士、胡勇博士、梁晓磊与杨林博士生在论文完成过程中给予的指导和热情帮助。 感谢硕士生杨公波、于真真、曾令烈、陈晨通等的热情支持与协作～ 感谢广东永通起重机械有限公司为本研究工作提供试验用设备和场地以及 科研经费。 感谢我的父母、杨帅、妹妹等至亲的家人，感谢你们一直以来对我的关心、 支持、照顾和理解，因为你们的付出，我才能全身心地投入到我的研究工作中。 “感语万言说不尽，谢意深藏在吾心～”衷心感谢所有在学习、生活和工作 中支持与帮助我的所有老师、家人和朋友们～ 由于本人水平和经验有限，论文中难免会出现错误和不妥之处，敬请各位 同仁及老师批评指正。 梅 磊 2014年 2 月武昌 143 武汉理工大学博士学位论文 攻读博士学位期间取得的研究成果 一、已发表的学术论文 [1] Lei Mei, Jiquan Hu, Yongzhi LI. Research on Modeling and Simulation of the trafficability of vertical screw conveyor‘s intermediate support based on EDEM. Applied Mechanics and Materials, 2014, 456: 303-309.(EI) [2] Lei Mei, Jiquan Hu, Yongizhi LI. Modeling and Simulation of horizontal single head screw conveyor with different fill levels and rotational speed based on EDEM. Applied Mechanics and Materials, 2013, 423-426:347-350.(EI) [3] Lei Mei, Mingwang Dong. Analysis of A Middle-Low Temperature Waste Heat Recycling System. ISA2011, 301-303:1220-1225.(EI) 二、参与科研项目 [1]项目―L型螺旋卸船机研发(项目额:1000万)‖。 144