圓管 在完全充填狀態下,物料的受力非常復雜,其運動形式與普通螺旋輸送機完全不同。運用散體力學的相關理論分析機內物料的受力情況,將復雜的受力進行合理的簡化并建立力學模型,用微積分方法計算來自于螺旋葉片的作用力及方向角。結果表明:圓管螺旋輸送機在完全充填狀態下,物料的運動方向可根據螺旋葉片的尺寸、表面摩擦系數、機筒尺寸等計算獲得。在此基礎上進一步導出了物料的軸向移動速度和流量計算公式,最后通過流量的計算值和實測值對比,確定了最終的計算公式。
是螺旋輸送機的一種特殊型式,也叫管式螺旋輸送機或管狀螺旋輸送機。由于采用了圓管(筒)形的封閉機殼,這種螺旋輸送機工作時允許物料完全充滿機筒。在保證充足和穩定進料的條件下,機內物料具有穩定的充填系數,因此通過控制物料在機筒內的推進速度即可控制物料的通過量。所以這種設備常常被當作流量控制器,用于粉狀、粒狀物料的定量出倉。
當物料完全充滿機筒時,物料在機筒內的運動方式與非充滿狀態是完全不同的。普通螺旋輸送機的物料充填系數僅為0.2~0.4,物料受重力的作用始終沉積在機槽底部,在螺旋葉片的推動下沿機槽做直線運動。而物料在圓形的機筒內完全充滿時,受旋轉螺旋葉片的作用,物料除了沿機筒軸線方向運動,同時還會繞機筒軸線轉動。物料的轉動使得螺旋葉片的推進效率改變了,這給物料運動速度的計算帶來了很大的麻煩。由于散粒物料復雜的力學特性,迄今為止對圓管螺旋輸送機在全充填狀態下物料的運動規律一直缺乏系統的理論研究,工藝設計和生產應用數據依然停留在使用經驗的基礎上。作者嘗試利用散體結構力學的理論,將復雜的散粒結構用簡單的力學模型代替,通過受力分析找出機內物料的運動規律并計算其推進速度,為圓管螺旋輸送機滿管輸送的設計與計算提供理論依據。
1.機筒內的物料狀態及運動形式
當 的進料口全開且物料無限量進入時,物料就會完全充滿機筒,并將螺旋體(葉片和螺旋軸)完全包圍。
在充滿狀態下,物料由于受螺旋葉片、軸的摩擦力作用,會隨著螺旋體一起旋轉。但物料在旋轉的同時又受機筒內壁的摩擦阻力,使得旋轉速度降低,從而使物料與螺旋葉片發生相對旋轉,最終產生軸向運動。所以,充滿狀態下的物料在機筒內是一邊旋轉一邊向前推進,做螺旋狀的運動,這與非充滿的水平螺旋輸送機工作情況完全不同。
2.物料受力分析
2.1整體物料的受力狀態
散粒物料由于內摩擦力的作用,在一定限度內能夠保持穩定的形狀。因此,可以將機筒內物料視為不變形的整體,取一個螺距內的一段物料分析其受力情況。
螺旋葉片(以下簡稱葉片)按圖示V葉的指向旋轉,處在2個葉片之間的物料受到以下5個力的作用:后葉片的壓力N及摩擦力、前葉片的壓力N1及摩擦力、機筒的摩擦力W、螺旋軸的摩擦力E、物料的重力。下面對各個力進行分析。
(1)后葉片的壓力N和摩擦力。后葉片的運動方向是推壓物料,使物料產生向斜前方的運動。后葉片的推力要克服物料運動所有的阻力,所以后葉片對物料的壓力N和摩擦力要比前葉片大得多。
(2)前葉片的壓力N1和摩擦力。由圖1可看出,前葉片的運動趨勢是離開物料。根據散體結構力學的理論,此時物料對葉片的側壓系數為λ=tan2(45°-φ2),大大小于靜止狀態下的壓力。同時機筒和螺旋軸對物料的摩擦力W、E均指向斜后方,進一步減小了物料對葉片的壓力。Owen等[6]利用DEM離散元方法模擬了螺旋輸送機的工作過程,分析了不同充滿系數、不同傾斜角度螺旋輸送機機筒內散料顆粒的分布特性,適當螺距的螺旋輸送機水平布置時物料傾斜分布,物料向后葉片方向集中。因此,前葉片的壓力N1和摩擦力非常小。