螺旋溜槽的设计参数敏感度分析及整体建模

魏阳阳,魏亮亮

（1.采埃孚一拖（洛阳）车桥有限公司,河南洛阳 471003;2.航天精工股份有限公司,天津300300）

1 引言

传统煤仓中的煤从运输设备到仓口，自由落入仓底，会造成煤的破碎，块煤率不高。螺旋溜槽便是对此类问题的有效解决方案。旋转溜槽的工作原理是通过螺旋溜槽的导向作用，将煤炭入仓过程中的自由落体运动转变为匀速螺旋运动，降低煤流运行速度，减缓煤炭入仓过程中的相互冲击，防止块煤破碎，减轻粒度损失，从而提高块煤率。由于在煤流的整个运动过程中，完全靠煤的重力下滑，无人操作，无机械故障，运营费用低，效果好，故被广泛使用在块煤仓中。

2 参数敏感度分析

外螺旋线倾角α、底板倾角φ、外螺旋线直径D、动摩擦系数f是螺旋溜槽设计时的四个主要参数。对外螺旋线上的点受力分析，可计算出煤流在标准段上平均速度。

则根据几何关系，可以求出底板的最大倾斜角：

最大倾斜方向与该点切线方向的夹角

可以得出煤流在螺旋溜槽内的运动方程[2]，其中Q为运量，g为重力加速度：

其中向心力：当煤流在标准段上达到匀速圆周运动时，α=0。则对上式简化为：

可以导出匀速运动时候的速度公式：

在Matlab中作敏感度分析，结果显示：

外螺旋线直径在4～18m变化，外螺旋线倾角在25°～40°变化时，直径对速度影响成二次曲线。为防止速度过大，溜槽直径不可过大。当煤仓直径为30m左右时，可以内外仓组合进行布置[3]。

动摩擦系数f较小的时候，对速度影响较敏感，随着f的增大，对速度的影响敏感性下降。所以，煤质的动摩擦系数是很重要的。底板倾角对标准段速度影响为线性函数，只要保证最大倾斜角γ比动摩擦角大5～10°即可，这样能保证标准段速度不至于过大，并能保证在溜槽底部，煤流顺利滑落，避免煤流排队现象。

外螺旋线倾角对标准段速度的影响比底板倾角敏感，所以需要先确定外螺旋线倾角，后确定底板倾角。一般外螺旋倾角在直溜槽倾角大3～5°。

四个参数的选取顺序为：确定螺旋溜槽的直径D，现场测试动摩擦系数f，确定外螺旋线倾角α，最后确定底板倾角φ。

从而确定的设计参数为：溜槽外直径D为6m，外螺旋角α为31°，螺旋底板倾角φ为24°，动摩擦系数f为0.35，溜槽宽度B为4m，溜槽导入段宽度为7m，溜槽侧壁高度为5.5m，导入段侧壁高度为9m，运量Q为33t/h，旋向为左旋。

3 结构设计与建模

外螺旋溜槽一般分为三部分：导入段、非标准螺旋段及标准螺旋段[4]。导入段在运煤设备和非标准螺旋段之间起着过渡和缓冲作用,它将来煤归拢并使之以一定的流量平稳运行到非标准螺旋段;非标准螺旋段在螺旋溜槽中起至关重要的作用,该段通过截面和角度的变化控制煤流的速度和方向,使之以设计的速度平稳地进入到标准段;在标准螺旋段,煤流在各种力的共同作用下达到平衡,即在运行方向无加速度,横向无摆动,以恒定的速度平稳运行,该段的长度可根据煤仓高度而定。

将底板倾角从0°变为24°，外螺旋线倾角从50°变为31°。这样设计的好处是十套溜槽可共用一套标准和非标准螺旋段。至此，十套螺旋溜槽彼此不同的就只有导入段了。

利用Pro/E的螺旋线方程建立模型，螺旋溜槽标准段外螺旋线直径6m，螺旋线倾角31°，每节转过的角度为30°。

标准段外螺旋线方程为：

标准段内螺旋线方程为：

根据侧板高度，确定侧板曲线方程为：

设计的非标准段螺旋线方程分为5段，每一段转过18°。对于非标准段外螺旋线，需要满足的边界约束条件为：倾角从50°到31°，需要用5段非标准段来进行过渡，通过采用z轴不同的上升值来控制各个段的倾角实现。其分段螺旋线方程为：

对于非标准段内螺旋线，需要满足的边界约束条件为：倾角从31°到50°，底板倾角从24°到0°及底板宽度从4m到7m的平缓过渡。可得非标准段内螺旋线方程为：

4 结论

通过对螺旋溜槽设计参数的Matlab分析和Pro/E建模，可以得出以下结论：

①设计时，四个参数的选取先后顺序为：螺旋溜槽的直径D，动摩擦系数f，外螺旋线倾角α，底板倾角φ，为螺旋溜槽标准段设计提供了方法。

②利用Pro/E软件确定螺旋线方程，精确建模，缩短了设计周期。