粒粉物料螺旋输送机输送量与螺杆转速的研究

左继红　刘丽丽　蔡颂　李志鹏

摘      要：利用粒粉散装物料在螺旋输送机内摩擦拖拽原理，对粒粉散装物料与双螺杆的输送量进行研究并建立数学模型，利用ANSYS对双螺杆做有限元分析，根据散装物料特征分别进行粒状和粉状分析，比较ANSYS仿真计算、双螺杆实测、2倍单螺杆实测的输出量，从节约资源和能耗角度考虑最佳的螺杆转速为120 r·min^-1。

关  键  词：微粒粉散装物料;双螺杆输送量;ANSYS仿真

中图分类号：TM 53       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1241-04

Study on the Conveying Capacity and Screw Speed of Screw Conveyor for Granular Powder Bulk Materials

ZUO Ji-hong¹， LIU Li-li¹， CAI song²， LI Zhi-beng²

（1. Traction School， Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou Hunan 412001， China;

2. School of Mechanical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412001， China）

Abstract： The flow characteristics of granular powder bulk materials can affect the conveying capacity of twin-screw conveyor. The conveying capacity of the twin-screw conveyor for granular powder bulk materials was studied， and a mathematical model was established by using the principle of internal friction drag of granular powder bulk materials in the screw conveyor. The finite element analysis of the twin-screw conveyor was carried out by using ANSYS. The granular and powdery analysis was carried out according to the characteristics of bulk materials. The results of ANSYS simulation calculation， twin screw measurement and double single screw measurement were compared. From the perspective of saving resources and energy consumption， the optimal screw speed was determined as 120 r/min.

Key words： Granular powder bulk material; Twin-screw conveying capacity; ANSYS simulation

粒粉散装物料主要通过螺旋输送机进行短距离输送，主要是螺旋输送机结构简单、密封性能好、工作可靠、成本较低、噪音较小。双螺杆输送机是在单螺杆的基础上发展来的，在输送机间的套筒上安装两根螺杆，设置一根螺杆为动力杆，另一根为从动杆，两根螺杆反方向螺旋間互相自由啮合形式转化物料的向前的输送力，双杆输送能力比单杆效果强^[1]。

输送机的关键部件在于螺杆，但是粒粉散装物料的流动特性影响了物料的输送量，而且现在的螺旋输送机生产的连续性较差。现在的研究主要在螺旋输送机的结构、螺距和螺旋直径的参数设计对输送性能的影响，很少有从粒粉散装物料的低能耗、高输送研究。^[2-5]本文利用粒粉散装物料在螺旋输送机内摩擦拖拽原理，对螺旋输送机关键部件螺杆分析，建立粒粉散装物料与螺杆的输送量进行研究并建立数学模型，利用ANSYS对螺杆做有限元分析，根据物料散装物料特征分别进行粒状和粉状分析，分别比较ANSYS仿真计算、双螺杆实测、2倍单螺杆实测的输出量，从节约资源和能耗角度找出最佳的螺杆转速与输送量之间的关系。

1  加料过程受力理论分析

粒粉散装物料双螺杆螺旋输送机如图1所示，主要由机架、加料口、输料筒、电机及传动装置、螺杆及口模等组成。本装置设计双螺杆输送，加料口设计溢流加料，根据设计对双螺杆进行分区（图2）及建立粒粉散装物料输送模型（图3）。^[6-7]从图2可以看出螺旋输送机可以划分两部分机筒缝隙区Q₁和螺旋螺槽区Q₂，本次采用溢流加料假设机筒缝隙区和螺旋螺槽区充满粒粉散装物料，所以总的输送量：

式中：A —双机筒缝隙区在垂直方面平面的横截面积;

n —螺杆的转速;

T —螺旋的导程;

—粒粉散装物料松密度。

Q₂为单根螺旋螺槽区输送量，由于本系统采用粒粉散装物料在螺旋输送机内摩擦拖拽原理，所以粒粉散装物料在螺槽方向的输送可以建立如图3的微元模型，螺槽微元的X_b为在机筒内径处测量的螺槽面积处宽度，设沿螺槽方向的移动速度为V， 则螺旋螺槽区的输送量为：

式中：H —螺槽区的深度;

—粒粉散装物料松密度。

对图3对单根螺杆螺槽微元进行受力分析，假设F_n为微元沿轴线方向的接触应力，F_b为粒粉散装物料与机筒间的摩擦力，F_s为粒粉散装物料与螺杆间的摩擦力。对物料微元做受力分析（根据力和力矩平衡分析）求出物料固体微元的输送角 ：

由于Q₂为单根螺旋螺槽区输送量，所以总的输送量：

式中：D_b —螺杆的外径;

D_m —螺杆的中径;

θ_b —螺杆外径的螺纹升角;

θ_m —螺杆中径的螺纹升角;

θ_s —螺杆根径螺纹升角;

W_b —螺杆外径的螺槽宽度;

W_m —螺杆中径的螺槽宽度;

W_s —螺杆根径的螺槽宽度;

e —螺杆棱的截面宽;

δ —机筒与螺杆棱间距离;

f_e —粒粉散装物料与机筒间的摩擦力;

f_s —粒粉散装物料与螺杆间的摩擦力。

2  双螺杆ANSYS有限元模型的建立

2.1  模型建立及网格划分

本文采用ANSYS有限元仿真把锥螺杆三维图导入ANSYS（如图4），在ANSYS库中选择solid92单元，并对螺杆进行网格划分（如图5），最终物料离散为SPH 光滑粒子（如图6）;螺杆（如图7）螺旋顶部厚10 mm， 螺旋底部厚14 mm，螺杆外径76 mm， 内径为圆锥柱体（底部内径58 mm顶部内径30 mm），螺杆螺距63 mm，螺杆总长410 mm，两螺杆间隙4 mm， 粒粉散装物料松密度为1，粒粉散装物料与螺杆摩擦因数根据实验测为0.4，粒粉散装物料与机筒间的摩擦因数根据实验测为0.3;螺杆转速可调范围（10～160）r·min^-1[8-11]。

分析方法：考虑到螺棱的存在选择自由划分网格，划分213 486个单元，设定螺杆在不同转速情况下，向前运动的总单元个数，与向后回流的单元总数，这样就可以算出总的输送量。

2.2  ANSYS材料属性及边界条件

螺杆材料采用 40Cr，弹性模量E=210 GPa ，泊松比μ=0.3， 屈服极限Q_s =440 MPa， 剪应力极为160 MPa。用ANSYS有限元分析螺杆时， 约束形式一端固定，轴端压力由实际测得， 转矩可由电机功率和螺杆转速计算得到。轴的另一个端面施加全位移约束。

2.3   ANSYS有限元计算结果与分析

分别选定分析ANSYS有限元粉状物料输送量与转速关系（如图8）和粒状物料输送与转速的关系（如图9），把物料的松密度摩擦因数、设计的转速、双螺杆尺寸等数据输入软件调整电机转速可，总输送量是由前运动的总单元个数加上向后回流的单元总数，由分析图可知粉状和粒状物料在螺杆转速小于100 r·min^-1時输送量增长较快，到达120 r·min^-1时输送量增长缓慢。

3  实测输送量与转速关系

3.1  实际双螺杆及单螺杆输送量实验设计

选定1台与粒粉散装物料双螺旋输送机（参数与ANSYS导入锥螺杆三维一致），分别选粉状物料（粒径≤0.1 mm）和粒状物料（粒径≥8 mm）为研究对象，变频调速电机调整转速（20、40、60、80、90、100、120、140、160 r·min^-1），粉状物料和粒状物料采用溢流加料方式，口模出料即为双螺杆输送量。单螺杆输送量的计算和双螺杆输送量的设计相同，区别在于用双螺杆输送机的一根螺杆的孔堵死在测出的一根螺杆与转速的关系，为便于比较计算的设计二倍单螺杆的输送量与双螺杆进行比较。

3.2  实际输送量与转速实测结果分析

双螺杆与二倍单螺杆实测输送量与转速关系（如图8）和粒状物料输送与转速的关系（如图9），分析可知双螺杆比二倍单螺杆的输送量在任何转速条件（20、40、60、80、90、100、120、140、160 r·min^-1）下输送量要高，螺杆速度高于120 r·min^-1 输送量增加缓慢。双螺杆具有一定的优越性。从技术发展角度分析，双螺杆输送是一个发展趋势。

4  实验结果分析及结论

由图8粉状物料输送量与转速关系、图9粒状物料输送量与转速关系可知螺杆转速越高ANSYS仿真计算、双螺杆实测的输出量、2倍单螺杆实测的输出量都在增加，特别是速度小于100 r·min^-1时输送量增加很快，但是螺杆速度高于120 r·min^-1输送量增加缓慢，所以从节约资源和能耗角度考虑。

最佳的螺杆转速为120 r·min^-1。二倍单螺杆的实测输送量在任何不同转速条件下都低于ANSYS有限元仿真计算理论输送量及和双螺杆实测输送量，可以认为双螺杆输送优势比较明显。

从曲线图总体分析可知ANSYS仿真计算、双螺杆实测、2倍单螺杆实测的输出量与转速的增长基本保持一致，证明ANSYS仿真软件具有一定的可靠性。

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