0引言
1887年,美国出现了第一台螺旋输送装置;此后,由于粮食、化工、冶金、码头等多种行业的需求,不断完善,逐渐研制出了多种系列的螺旋输送装置.该装置输送过程中能完成揉搓、压缩、搅拌、混合等处理[1-2],在实际生产过程中还能实现变频调速和准确控制输送量[3],是污泥、栅渣等的专用设备,同时也是喂料或卸料专用装置.
随着螺旋输送装置在多个行业中应用的普及,对其性能要求也越来越高.适用性强、可靠性高、节能环保、效率高、功耗低等特点已成为今后螺旋输送装置发展的主要方向.目前,国际上对螺旋输送装置的研究基本集中在应用先进的方法和计算机技术对传统装置进行理论分析并改进设计、对结构和参数进行优化、进一步修正经验公式、研发新产品及其用新的控制技术等.
1国内外螺旋输送装置的发展状况
1.1国外螺旋输送装置的发展状况
1.1.1理论分析方面
国外螺旋输送装置适用于多种流动性好的物料的中短距离的输送和提升,通常用来输送散装物料和干燥的固体颗粒,并能准确地控制输送量.有很多学者通过对水平和垂直螺旋输送装置的输送过程进行理论分析,对输送性能进行评估,并找出了影响因素及其因素之间的关系.其中,ChrisRorres等人研究了机器本身的结构参数对输送性能的影响[4-6];PhilipJ.OWEN,PaulW.CLEARY等人研究了输送对象的特性对输送性能的影响[7-8].但是,设计过程中对螺旋输送装置的理论分析不够完善,对一些参数的计算仍根据经验公式来确定,导致机器在输送过程中出现生产率低、功耗大等问题.
1.1.2设计制造方面
国外研制的螺旋输送装置除了常规结构以外也根据不同的应用场合设计出的特种结构型:锥形直径螺旋、锥形轴及变螺距螺旋和锥形轴变螺距螺旋等.这些螺旋输送器由于结构复杂、制造成本高、功耗大,所以不适应生产需求,没有被广泛的应用,需要进一步完善.
除了以上提及的螺旋输送装置以外,把不同规格的水平螺旋输送机和垂直螺旋输送机组合起来形成一个卸船机系统.在国外,很早以前就开始对螺旋卸船机进行了研究,其中技术领先的公司有瑞典的Siw-ertell和Carlsen公司、意大利的VAM公司以及法国的IBAV公司,单机卸船能力都能达到1000t/h以上,其中Siwertell公司研发的螺旋卸船机卸船能力达到了2700t/h.
1.1.3仿真研究方面
根据现有的文献得知,国外对螺旋输送装置的性能分析方面主要集中在利用虚拟样机技术对机器进行动态监控及可视化研究.
20世纪70年代Cundall开发了离散单元法(DEM),能准确模拟仿真颗粒在系统内部的运动情况[9-10].在输送领域中,GrOger首次利用DEM法分析了管道输送装置的输送性能[11].随后,YoshiyukiShimizu,PhilipJ.OWEN等人前后利用DEM法对不同形状的散粒物料在不同状态下的螺旋输送机内的运动情况进行模拟仿真,并把得出的结论与试验值和经验值比较,结果表明他们所采取的方法是可行的[12-13].JigarPatel等通过分析DEM法在螺旋输送机输送过程仿真方面的研究现状,并提出了建议:未来有限元法能代替离散单元法实现物料在输送机内运动整个过程的动态观察及分析[14].
1.2国内螺旋输送装置的研究状况
1.2.1结构参数和螺旋叶片形状方面
由于我国螺旋输送装置被广泛应用于多种行业,其结构参数和叶片的形状种类较多.从结构参数方面来讲,有变速、变螺距、变外壳直径、变轴径、大倾角、可伸缩等螺旋输送装置[15].除此之外,有无轴螺旋输送装置,适用于污泥、垃圾处理,也适合输送农作物秸秆等粗饲料.但是由于造价成本高,以及受到结构参数方面的影响没有被广泛推广应用.很多学者针对不同结构参数的输送装置进行了大量的研究,结果表明,合理设计和改进其结构参数对解决实际应用过程中的堵塞、效率低、功耗大、寿命短等问题都具有现实意义.
对于螺旋输送装置堵塞问题,很多学者做过多方面的研究.通常是因为螺旋叶片和壳体的间隙小,被输送物料的流动性差或者输送长度大于5m时所用吊轴承所导致.针对以上实际问题,李学哲对小直径的螺旋输送机堵塞原因进行了分析,并提出了改进措施[16].通过试验,证明改进后的输送机完全能避免堵塞.
对于输送装置易磨损、效率低、功耗大、寿命短等问题,学者们通过理论分析与试验研究找出了原因,并提出改进措施.杨志勇等通过分析指出螺旋输送机在使用过程中常因叶片、螺旋端头和吊轴承的严重磨损而导致输送效率降低甚至报废等情况[17].马晓录为了减小快速螺旋输送机螺旋叶片和机筒间的摩擦,对其间隙进行了研究,给出了两者之间间隙的设计及计算公式,指出了方便有效的方法,经过试验证明结果合理可靠[18].商兴国分析其工作原理及固体材料和螺旋输送机叶片的磨损机理,并通过试验得出了叶片的磨损规律[19].
国内常见螺旋面可分为4种类型:实体螺旋、带式螺旋、浆状叶片和齿状叶片,根据所输送物料的种类和物理特性来选定.其中,应用最广的是实体螺旋,它具有结构简单、生产率高的优点,适合输送干燥的粉状、粒状以及有粘附性的物料;带式螺旋多用于块状、较大颗粒状和稍带粘性的物料,输送的物料较为均匀,也可用在两种物料的混合上;浆状叶片适用于输送易被挤压成块和潮湿发粘的物料,输送过程中对物料具有强烈的松散、搅拌作用;齿形螺旋适合输送腐蚀性强、粘性大的物料,同时也有松散和搅动作用[20].
1.2.2设计理论研究方面
我国很多学者针对各种水平和垂直螺旋输送装置的各个参数进行过大量的试验研究,结果表明各种机型基本上能满足输送要求.但同时指出,随着螺旋输送装置在各行业中应用的拓展,对其性能要求也越来越高,因此完善设计理论分析,并深入研究其工作性能,对于有效地解决实际应用过程中遇到的问题,提高劳动生产率,实现输送机械化和自动化都具有现实意义.
根据文献得知,多数研究主要集中在对螺旋输送装置的输送机理进行理论分析并给出计算方法,对螺旋轴进行设计和校核以及寿命预测,对于螺旋叶片的设计,外密封装置的研制,制造材料的应用分析,传动装置的设计及驱动电机的选择等方面做了研究,并给出了计算公式[21-29].但是,对于传统的设计理论和设计方法而言,过程繁琐且精度低,未能避免实际应用过程遇到的生产率低、功耗大等关键问题.
随着计算机技术的发展,有学者开始利用先进的虚拟样机技术对输送装置进行选型和设计,并对其进行有限元分析.其中,屈少敏利用SolidWorks软件具有的系列零件的设计表配置和驱动功能实现了碾米机上螺旋输送器零件模型的快速创建,克服了传统设计方法繁琐,降低了人为造成的偏差,提高了精度和设计效率[30].胡树林等对煤矿螺旋输送机的主要参数进行了设计,并用ANSYS软件对其关键部件进行有限元分析,结果表明该设计能满足实际要求[31].李英通过分析垂直螺旋输送机内物料的运动和受力情况,以其最佳输送状态理论为基础,得出了最佳转速和最大输送效率的计算理论,并在VisualC++60平台下开发了快速设计计算垂直螺旋输送机的界面.通过实际应用证明:该用户界面使用方便,能满足快速客户化的生产模式要求[32].郭维城等设计出了一种秸秆物料专用垂直螺旋输送机,利用SolidWorks软件对其进行建模优化,它结构简单、操作安全方便、截面积小、造价成本低,能完全满足实际需求[33].
国内对螺旋输送装置的产品介绍很多,并在多种秸秆类粗饲料的输送和喂入场合使用,如联合收割机、压块机和膨化机上都设计到;但是对输送过程的理论分析文章尚不多见.黄石茂通过分析纤维物料输送过程中堵塞的原因,并对影响因素进料口的几何形状进行了改进设计,减少了堵塞,提高了输送能力[34].螺旋输送机由于结构简单、占地面积小、安装灵活及密封性好等优点,在粗饲料加工过程中被受广泛的应用.白晓虎等研制出了秸秆螺旋输送装置,并对其工作性能进行了试验研究.实验结果表明:其可满足不同粒度和含水率的秸秆物料的喂料要求[35].
国内很多学者对现有的产品基础上做大量的改进设计,同时提出了对新型产品(如弯曲母线螺旋面、变螺距、变直径等螺旋输送装置)开发利用的展望.也有学者研发了新产品,杨丽珍研发出了一种输送过程中伴有密封及高压要求的新型高压密封螺旋输送机[36].
1.2.3优化研究方面
随着螺旋输送装置在各行业中应用的扩大,对其性能要求也越来越高.目前,在实际应用过程中仍存在功耗大、生产率低等的问题,解决这些问题的方法就是利用先进的手段对输送过程进行动态监控及对机构性能进行优化设计.
螺旋输送过程的动态监控方面,一些学者做过这方面的研究工作.其中,太原科技大学的学者们针对垂直螺旋输送装置的研究较多,并且得到了一定的科研成果.孟文俊等对垂直螺旋输送机内散体物料的分布情况进行分析,表明机器内散体物料可视为非牛顿流体,利用FLUENT软件对垂直螺旋输送机输送过程进行模拟仿真,得到物料在其内运动的密度分布规律[37];同时指出,用以上的原理可以计算出垂直螺旋输送机内任意位置的物料的分布情况.李海燕在颗粒仿真软件(EDEM)内建立被输送散体颗粒的实体模型,并用离散单元法(DEM)进行了模拟仿真垂直螺旋输送装置的性能参数对输送性能的影响情况,同时也分析了散体颗粒在机器内的流动状态[38].程敬爱等从宏观和微观上分析散体的流动性能,建立特定型号:LS1000垂直螺旋输送机的实体模型,采用EDEM软件对其不同表面摩擦因数的散体在不同转速的立式螺旋输送机内的流态进行仿真,得到了散体速度矢量图[39].
优化研究方面,螺旋输送装置的参数多,确定时复杂又繁琐,常规的设计很难得到其最佳匹配的值.
因此,学者们利用虚拟样机技术对螺旋输送装置的结构参数进行计算机仿真并优化研究.赵红霞等对螺旋输送机进行了合理简化,找出效率最优时的螺距计算理论模型,利用摩擦理论推导出效率优化公式;选用了适当的数学手段,计算出了输送机在效率优化后的螺距,并对其进行数据处理;利用MATLAB最小二乘法拟合出输送效率最优时螺距的通用计算公式[40].
舒服华以质量最轻和传动效率最大为双优化目标,建立螺旋输送机的优化模型,利用蚁群算法进行了优化求解[41].结果表明,在满足螺旋输送机使用性能的前提下,有效地降低了机器的质量,并提高了输送效率.
徐展等也用以上两个参数为目标函数,建立了螺旋输送机的多目标优化模型,利用粒子群算法编程来求解数学模型,并用遗传算法进行优化和求解.结果表明,机器的质量减少了8.2%,输送效率也提高了4.5%[42].螺旋输送机的设计优化应根据具体的工程实际建立目标函数和约束条件,有学者指出应用遗传算法对其进行求解才能更准确地达到优化目的.张东海利用遗传优化算法建立参数化的螺旋输送机优化数学模型,并对其进行参数化设计和优化,利用改进后的遗传算法得到了能解决实际问题及对螺旋输送机设计有参考价值的可行的优化结果.
2存在的问题
2.1理论研究不够系统、完善
对螺旋输送装置在工作过程中生产率低、功耗大等主要问题的理论研究不够系统、深入,没有把两者结合起来考虑,作为对螺旋输送装置总体分析和优化的对象.
没有从系统角度出发对螺旋输送装置的各个性能参数之间的最佳匹配关系和输送对象的各个特征参数对输送性能的影响进行相关研究.
2.2产品的适应性差、可靠性不高
螺旋输送装置在输送过程中受输送对象特性的影响,在同一个行业内输送不同特征参数的物质时其结构参数也是多样的均为不成系列,缺乏适应性强的输送装置,其各种部件及易损坏件之间不能互换.
工作过程中主要磨损部位为螺旋端头、叶片和吊轴承.这些部件一旦发生故障将影响整个输送工作,因此可靠性是进一步提高工作效率的关键.目前有学者对该问题进行理论分析并提出了相应的对策,但没能从根本上有效的解决实际应用过程中遇到的磨损失效问题.
2.3缺乏粗饲料输送过程的理论分析与研究
螺旋输送装置已成为秸秆类粗饲料收集、储存、加工工程中的必要设备,但是输送过程中存在严重的堵塞、翻滚等现象导致输送装置的生产率低功耗大等问题.国内外对粗饲料螺旋输送装置的研究研究极少,制约了螺旋输送装置在粗饲料行业中的发展.
3发展趋势
农作物秸秆是我国重要资源,对秸秆类粗饲料螺旋输送装置进行研究是农业生产过程中流水线作业的迫切需求.因此,应加大该方面的科研投入力度,对螺旋输送装置,特别是针对粗饲料输送设备进行理论研究,对其进行系统优化,参数达到最佳匹配,从而提高工作性能、降低功耗;与此同时,要开发新设备,提高适应性.
参考文献:
[1]孙磊.螺旋输送器在PTA装置中的设计和应用[J].石油化工设计,1995,22(2):19-21.
[2]李昊,珊珠,张文瑞,等.关于水平螺旋输送器优化的积计算[J].农村牧区机械化,2006(1):29-30.
[3]蒙贺伟,坎杂,李亚萍.奶牛饲喂装置中螺旋输送器的设计及三维造型[J].农机化研究,2008(10):61-63.
[4]ChrisRorres.TheTurnoftheScrewOptimalDesignofanArchimedesScrew[J].JournalofHydraulicEngraulic2000,1(4):72-80.
[5]AlmaKurjak.TheverticalscrewconveyorpowderpropertiesandScrewconveyordesign[J].SE-22100Lund,Sweden,2005,30(3):586-590.
