螺旋卸船机垂直螺旋参数选择

GXF360 2019-09-13

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1 引言

螺旋卸船机生产效率高、能耗低、污染小、操作方便，适用于河海港口和工厂装卸颗粒状散货。

垂直螺旋是螺旋卸船机的关键工作部件之一，垂直螺旋输送机由驱动部件、螺旋筒体外壳和旋转螺旋组成。驱动部件是驱动旋转螺旋的机构，螺旋筒体的作用是和旋转螺旋配合形成物料向上的条件和通道。旋转螺旋由螺旋轴和螺旋叶片组成，由上部的止推轴承悬挂，当旋转螺旋过长时，为了防止螺旋轴的振动，一般会设置中间轴承。

自动化技术在机械设备制造中有着非常重要的应用，将其与计算机结合应用来构建智能化控制系统，能够将机械设备制造中的各个环节充分集成起来，进而形成一个整体，并完成机械设备的全过程自动化制造。智能化控制系统利用人机交互界面来进行控制与操作，用户只需通过人机界面即可设置相应的设备参数与生产模式，同时还可根据智能化控制系统提供的各类数据来进行分析，并采取最佳的制造方案。

2 螺旋输送原理和特点

螺旋输送机是一种无挠性牵引构件的连续输送设备，可用来沿水平和倾斜方向或垂直向上方向输送物料。在水平螺旋输送机中，物料由于自重而贴紧料槽，当螺旋轴旋转时，物料与料槽之间的摩擦力阻止料槽跟着旋转，使得物料得以前进。在垂直螺旋输送机中，物料由于重力所产生的侧压力和离心力的作用而与管壁贴紧，当螺旋轴旋转时，管壁与物料之间的摩擦力阻止物料与螺旋轴同步旋转，从而实现了物料的上升运动[1]。

螺旋输送机主要用于输送各种粉状、粒状、小块状物料，在输送物料的过程中还可对物料进行搅拌、混合、加热和冷却等工艺，所输送的散粒物料有灰渣、水泥、化学品、粘土、煤、焦炭、矿石、豆类、谷物、面粉、盐类、木屑等。螺旋输送机不宜输送易变质的、粘性大的、易结块的及大块的物料[2]。

3 垂直螺旋受力与运动分析

3.1 单个颗粒的受力

为了便于研究垂直提升过程中力与运动之间的关系，先研究分析单个颗粒的力与运动。位于螺旋筒体内径处，与螺旋和筒体都接触的物料颗粒受几种力的作用：重力、离心反作用力、筒壁的摩擦力、螺旋的法面力、螺旋面的摩擦力[2](见图1)。图中，ωk为转速；mg为物料重力；Ft为物料离心力；Fsz为螺旋面对物料载荷的z向分量。

当螺旋旋转工作时，颗粒由于离心力作用而与管壁贴紧，这时颗粒与管壁之间的摩擦力足以延缓物料的旋转速度，物料得以沿螺旋面向上滑移，产生正常的上升速度。

对于油井压力、产液量、含水相对较高的“三高”井组，从油藏工程角度，对连通注水井进行方案跟踪调整，对高含水层下调水量，降低无效注水，2017年对21口井、39个注水层段进行了注水方案优化，控制无效注入水9.4×104m3，累计节约电量15.09×104kWh，在平衡注采关系的同时兼顾了节水节电。

将颗粒所在的螺旋线展开，物料颗粒除随螺旋一起旋转外，还沿螺旋叶片斜面向上运动，这时颗粒的绝对速度 width=8,height=17,dpi=110 为螺旋在该点的线速度 width=11,height=23,dpi=110 和物料与螺旋的相对速度的向量和[3](见图2)，即：

(1)

图1 颗粒在螺旋上的立面受力示意

图2 颗粒的速度平衡

图2中，υ为物料的绝对速度；υz为物料的垂直速度；ψ为物料速度方向角；υs为螺旋速度；υy为物料水平速度；υr为物料和螺旋的滑移速度；α为螺旋升角。颗粒的绝对速度方向角为ψ，可见当物料与螺旋产生相对运动以后，任意半径处物料的运动轨迹并非是围绕螺旋轴线的圆周运动，而是沿一升角ψ的螺旋线运动。由图3可得：

mgsin(a+φs)=Ftμtsin(90-a-φs-ψ)

(2)

式中，mg为物料颗粒重量；α为螺旋升角；φs为物料在螺旋法线方向的偏转摩擦角；Ft为离心力；ψ为物料速度方向角；μs为物料和螺旋的摩擦系数。

由于管壁是不动的，管壁作用于物料的摩擦力方向与物料的绝对速度方向相反，而螺旋作用于物料的法向反力和摩擦力的合力方向总是与法线方向偏转摩擦角φs。作用在物料颗粒上的平衡力系见图3，图4为颗粒力平衡与角度关系，图中Fs为螺旋对物料的力。

图3 颗粒的摩擦力平衡

图4 颗粒力平衡与角度关系

式(2)考虑离心力公式和螺旋曲率公式后，再带入式(1)可得：

(3)

式中，R为筒体半径；μt为物料和筒壁的摩擦系数；υz为物料的垂直速度；υs为螺旋速度；α为螺旋升角；φs为物料在螺旋法线方向的偏转摩擦角。

式(3)为计算物料颗粒上升速度vz的隐函数形式，可以理解为物料运动的方向决定了摩擦力的方向，而摩擦力的大小和方向反过来影响物料运动的方向，因而最终的物料平衡方程以隐函数的形式体现。

设n个有序样本，各有m项评价指标，xij即为第i个样本的第j个指标特征值，构造指标特征值矩阵X。采用（1）式对各指标无量纲化，得标准矩阵X′：

对于生产率和填充率较低的垂直螺旋输送机，物料的分布集中在管壁附近，可以认为物料在垂直于螺旋轴的横断面上，物料的分布类似一个个同心圆，最外一层物料紧贴在管壁上[4]。由于物料与管壁的摩擦，压在管壁上的物料层运动将趋于缓慢，从而就像单一颗粒一样，物料最外层沿螺旋面向上滑移，而处于其余同心圆上的物料由于物料之间内摩擦力的存在也具有相同的角速度。对于标准螺旋，由于螺旋面上任意点的导程都是相同的，故在螺旋面任意点的物料具有相同的垂直运动速度vz。

首先，针对跨区域活动的趋势，我国应当尽快在中央建立专门的反黑领导机构，再组建一支国家级的打黑专业队伍。这支队伍的主体应当从公、检、法抽调精兵强将组成，并相对独立于各政法部门，直接对反黑领导机构负责，再辅之以法律、金融等相关行业的专家组成顾问团，主要负责全国反黑情报的收集、研判、立案、流转、指导等工作。［20］这种做法的优势在于，可以从中央层面掌握和分析全国有组织犯罪态势，制定宏观的打击战略和方针，协调各执法部门工作，统筹打击力量，确保打击效果;相对独立和高级别的机构也能较少受到“保护伞”的干扰，有利于深挖国家公职人员中的“内线”。［21］

3.2 物料的自由面

对于生产率和填充系数高的垂直螺旋输送机，物料在通过螺旋轴的纵向平面上，其分布特性不容忽视。这时与单个颗粒不同，物料与管壁之间的侧压力不仅由离心力产生，而且由物料重力所形成。如图5所示，物料在一个螺距h之间由于离心力的影响，其自由面呈现为凹形的曲面，在旋转物料的自由表面取一微团，其质量为dm。图中，N为物料颗粒在表面的法向力；μ0为物料内摩擦系数；mg为物料颗粒的重量；β为物料表面在计算点的倾斜角；r为计算点的圆周半径；ω为转速。

图5 旋转物料的自由表面

此微团起初由内沿表面轮廓向外缘运动，当运动到某一位置时，恰好处于平衡状态[3]。沿曲线的切线方向和垂直于切线方向分别列力的平衡方程得：

(4)

式中，N为物料颗粒在表面的法向力；μ0为物料内摩擦系数；mg为物料颗粒的重量；β为物料表面在计算点的倾斜角；r为计算点的圆周半径；ω为转速。

高职教育中，专任教师在实现培养高端应用型人才中发挥着非常重要的作用。由于项目教学是以典型的职业工作任务来组织教学内容，要实现项目式教学，教师必须通过企业见习、实习等途径了解企业，积累工作经验，了解实际的工作过程和经营过程，将理论知识和实践知识有机地结合起来，才能选择具有典型意义的工作任务作为具有教学价值的项目，胜任项目式教学工作[12]。

联立求解并积分简化后得出物料自由表面方程的一般表达式：

(5)

式中，r为计算点的圆周半径；R1为中心柱半径；ω为转速；h2为底部料高。

对应于不同转速和物料填充系数的不同配合，可有4种典型的自由表面形状，如图6所示。

图6 4种旋转的物料自由面

4 计算结果

根据第3节中的垂直螺旋公式，带入不同的参数时，可以得到对应的结果，通过对一系列结果的分析，可以得出一些趋势性的结论。对垂直螺旋，参数主要有：生产能力、转速、直径、节距、摩擦系数、能耗、能耗生产率比值等。

可以通过改变单个参数，获取这个参数对计算结果的影响，也可以通过TOP优化分析，来取得垂直螺旋的最佳参数配置区间。

4.1 单个参数的影响

根据公式3，可以做很多种趋势分析，比如在其他参数不变的情况下转速和物料上升速度的关系、转速和能耗的关系、转速和出力的关系等。

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图7是螺旋直径、节距、物料相同的情况下，转速与出力/能耗比值的关系图。可以看出，当其他参数确定时，垂直螺旋有一个最佳的转速使得能耗相对于出力的比值最小，即最佳能耗转速。当然，垂直螺旋的运行不只是考虑能耗，还需要考虑到合理的直径、转速区间、填充率、输送效率、制作工艺等，但这种敏感性分析可以给我们明确的方向性的指导。

洞穴的最里边，用草叶和羽毛垫了一个巢，上面放着两颗鹰卵。那鹰卵比鹅卵还要大着一些，肮白色，带着红褐色的斑点。

图7 转速和出力/能耗比的关系

图8是3种不同摩擦系数的物料对不同转速时的效率曲线，它的意义在于展现出不同材料(摩擦系数)在同一个螺旋内具有完全不同的效率，同时，也可以看出，不同摩擦系数的物体在螺旋内对转速的敏感性也有较大区别。

图8 不同摩擦系数对转速的敏感性