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摘要：外筒驱动型垂直螺旋输送技术是一种新型的垂直螺旋输送技术，其工作原理是螺旋叶片与机架固定连接，通过外筒旋转驱动物料沿螺旋叶片上升。对外筒驱动型垂直螺旋输送技术垂直输送大豆的输送特性进行仿真模拟与分析，其具体步骤为：首先建立外筒驱动型垂直螺旋输送机模型，然后将模型导入EDEM软件进行数值模拟，分析其输送特性，最后总结外筒驱动型垂直螺旋输送技术的优点和研究方向。
关键词：散体物料输送；大豆；外筒驱动技术；垂直螺旋输送；外筒旋转；螺旋固定
中图分类号： TH224 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0201-04
螺旋输送技术是物料输送的一种重要技术，可以用来水平、倾斜或者垂直输送散体物料。垂直螺旋输送机用于垂直输送物料，其工作机理是：螺旋叶片旋转速度在高于临界转速时，在离心力、摩擦力及重力的合力下完成散体物料垂直输送。另外，垂直螺旋输送机必须采用重力式或者强迫式给料方式，只依靠螺旋叶片旋转很难完成物料垂直输送。重力式进料适用于流动性好的物料，需要注意的是轻质物料不适合重力进料方式；强迫式进料须要加装其他装置强迫向垂直螺旋输送机供料。在物料提升高度较大的场合须要布置中间轴承，消除螺旋主轴挠曲变形[1-3]。外筒驱动螺旋垂直输送技术原理如图1所示，外筒和进料板刚性连接，外筒在驱动力作用下旋转，物料进入料斗后，一部分物料被旋转的进料板铲进外筒内，在外筒内壁-物料、物料-物料之间的摩擦力驱动下沿螺旋叶片上表面螺旋上升。笔者所在课题组已经开展了外筒驱动型垂直螺旋输送技术的研究，试验现场如图2所示，图2-a 为试验现场照片，输送物料为油页岩颗粒如图2-b，颗粒度1.6，颗粒密度1 200 kg/m3，提升高度5.5 m，输送量 8～9，输送时，不须要强迫进料装置，中间支撑轴承结构更加简单，且不存在临界转速问题。为了分析其输送粮食作物的可行性和输送特性，EDEM软件是分析散体物料输送的可靠软件[4-7]，因此本试验以图2所示的外筒驱动型垂直螺旋输送机为研究对象，通过EDEM软件仿真研究外筒驱动型垂直螺旋输送技术输送大豆的过程。
2 仿真参数选择
目前，我国垂直螺旋输送机没有统一的定型产品，只有某些企业为适应市场需要自行设计的产品，同时也没有外筒驱动形式的垂直螺旋输送机[1]，采用类比的方法设计外筒驱动垂直螺旋输送机。某厂自行设计的LC型垂直螺旋输送机输送粮食时技术性能参数[1]和外筒驱动型垂直螺旋输送机参数如表1所示。
根据表1建立的外筒驱动型垂直螺旋输送机仿真样机三维模型如图1所示，其螺旋直径为193 mm，外筒壁直径 203 mm，外筒高度400 mm，螺距180 mm，进料板高度 200 mm，进料板开口宽度50 mm；仿真颗粒选择大豆，大豆颗粒建模参数如表2所示，全局变量如表3所示[3]，最终获得的大豆颗粒模型如图3所示，仿真大豆颗粒13万个，分别仿真模拟外筒转速在40、80、120、160、200 r/min情况下输送大豆的特性。
3 EDEM仿真分析
根据参考文献[7-12]，选定外筒大豆速度、大豆角速度、质量流率、充填率、输送效率作为数据分析对象。
3.1 外筒转速对大豆速度的影响
由图4可知，外筒驱动型垂直螺旋输送机不存在临界转速的问题。传统垂直螺旋输送机输送粮食时临界转速是 120～130 r/min，外筒驱动型垂直螺旋输送机在40 r/min情况下也能够正常工作。因此，外筒驱动型垂直螺旋输送机不存在临界转速问题，在低转速情况下也能够输送物料。随外筒转速增大，大豆沿z轴方向的速度分量与合速度的比值越来越小，所以随外筒转速增大，大豆沿z轴方向运动产生的动能与其总动能的比值越小。因此，设备输送效率随外筒转速增大而降低。从取样点分布可知，外筒转速和大豆沿垂直方向速度以及外筒转速和大豆速度之间均可近似为线性关系。
图6是输送过程中大豆的转速矢量图，箭头代表方向，颜色从白到黑代表转速值从小到大。总的来说，在同一个过z轴的截面上，大豆转速的大小和方向比较接近，与其位置关系不大，可以认为大豆以层流形式沿螺旋叶片方向逐步提升。
3.3 质量流率分析
从图7可知，外筒转速在40～120 r/min区间时，外筒转速和大豆质量流率近似为线性关系；当外筒转速大于 120 r/min 时，质量流率增幅趋势逐渐变缓。根据质量流率计算模型输送量如表5所示，拟合输送量和外筒转速关系多项式如式（4）所示：
Q=44.39ω4-661ω3 2 632ω2 1 285ω 1 924。（4）
式中：Q表示输送量，t/h；ω表示外筒转速，r/min。
参考表1中某厂螺旋直径200 mm的LC型垂直螺旋输送机参数，当螺旋转速为160 r/min时，其输入量约 10.1 m3/h，输送物料大豆时输送量约为12.4 t/h；由图7计算得到外筒驱动型垂直螺旋输送机输送量为18.24 t/h。理论上，外筒驱动型垂直螺旋输送机比某厂螺旋直径 200 mm 的LC型垂直螺旋输送机输送量高47%。特别需要注明的是，LC型垂直螺旋输送机须要依靠水平螺旋给料机进料，而外筒驱动型垂直螺旋输送机只须料斗中物料高于进料板即可。
3.4 充填率分析
大豆的充填率是外筒内大豆体积与外筒和螺旋叶片围成空间体积的比值。由图8可知，在不同外筒转速情况下，外筒中大豆充填率是不同的。计算充填率时，截取一段外筒，這段外筒中的大豆总体积除以这段外筒和螺旋叶片围成的空间体积，得到的结果就是充填率。不同外筒转速条件下大豆充填率的具体分析结果如图9所示，大豆充填率随外筒转速增大而降低，总体呈线性趋势。采用线性拟合的方法拟合充填率和外筒转速的关系函数见式（5）：
kV=0.001ω 0.682。（5） 式中：kV表示充填率；ω表示外筒转速，r/min。
从图8-a中可观察到大豆几乎充满外筒，从图8-b中可观察到大豆充填率超过50%；但图9显示，当外筒转速在40、200 r/min时，充填率分别为63%、42%。图8和图9不相符的原因是在大豆之间存在大量空隙。以外筒转速 40 r/min 为例，在高于进料板的位置选取50 mm高的一段外筒为分析
对象，通过EDEM分析可知50 mm高的一段外筒包含5 707个大豆；50 mm高的一段外筒和螺旋叶片之间空间为 0.001 29 m3；通过计算得到图3中每个大豆模型占用最小网格空间为0.260 mm3。按照最小网格空间的体积计算，理论上50 mm高的一段外筒内最多可存放4 962个大豆模型网格，很明显少于仿真得到的大豆颗粒数，理论结果和仿真结果之间存在差别的原因是大豆可以嵌入其他大豆网格空间的空隙，可见是大豆之间的空隙造成图8和图9中大豆充填率不相符。
3.5 驱动功率分析
由电机功率和转矩的关系公式（6）可知，通过分析仿真模型中外筒的转矩，可以求得仿真模型的驱动功率。
T=9 550P/n。（6）
式中：T表示转矩，N·m；P表示外筒驱动功率，W；n表示外筒转速，r/min。
由图10可知，外筒转矩随外筒转速增大而增大。外筒驱动最小功率如图11所示，拟合得到外筒驱动功率外筒转速和外筒转速的关系函数如式（7）所示。在实际运行中还存在机械损耗、摩擦损耗、大豆碰撞能量损耗，图11中数据比实际数据偏小。
P=0.008ω2 1.886ω 21.11。（7）
式中：P表示外筒驱动功率W；ω表示外筒转速，r/min。
3.6 输送效率
输送效率为1 s提升大豆的势能和1 s电机做功的比值，不同外筒转速和输送效率的关系曲线如图12所示。随着外筒转速增大，设备输送效率呈下降趋势。大豆z轴方向动能和大豆总动能的比值如图13所示，外筒转速在40～80 r/min时，大豆z轴方向动能占大豆总动能的比值比较稳定；当外筒转速在80～200 r/min时，大豆z轴方向动能占大豆总动能的比值减幅很明显。综合分析图12和图13，在输送量满足要求的前提下，外筒运行在转速40～80 r/min情况下输送效率较高。拟合外筒转速-输送效率关系多项式如式（8）所示：
η=7E-07ω2 3E-5ω 0.052。（8）
式中：η表示输送效率；ω表示外筒转速，r/min。
4 结论
通过EDEM仿真模拟可知，外筒驱动型垂直螺旋输送技术能够应用于大豆垂直输送，同理它也能够广泛用于其他粮食的垂直输送。外筒驱动型垂直螺旋输送机的优点包括：第一，结构更加简单。首先，外筒驱动型垂直螺旋输送机不须要水平螺旋给料机强迫进料，极大节省设备成本。其次，外筒旋转相对于螺旋叶片旋转挠度更大，长距离输送不须要设计中间轴承。第二，外筒驱动型垂直螺旋输送机不存在临界转速问题，能够在低转速下输送物料，低转速输送时设备机械磨损和物料破损率更低。第三，外筒驱动型垂直螺旋输送机可以应用在有粉尘爆炸危险的场合。粉尘爆炸的三要素是粉尘云、充足的空气或氧化剂、火源或强烈振动与摩擦。外筒驱动型垂直螺旋输送机在低转速下能够做到高充填率，当物料充满外筒时就不会产生满足粉尘云和充足的空气这2个因素；因为不需要中间轴承，不会由于轴承强烈摩擦生热而形成火源。所以，外筒驱动型垂直螺旋输送机能够应用在有粉尘爆炸危险的场合。第四，外筒驱动型垂直螺旋输送机输送量大。理论上，在相同转速情况下外筒驱动型垂直螺旋输送机比LC型垂直螺旋输送机输送量高很多。
通过EDEM仿真模拟得到的外筒驱动型垂直螺旋输送机输送大豆时的输送特性，其中输送量、输送效率等公式是基于理论研究方面的，可以作为设计参考。但是，本研究得到的结论若要直接应用于设计生产，还须通过试验平台研究进行修正。同时，不同物料特性、螺旋升角、进料板形状和尺寸等参数对输送特性的影响也有待进行深入研究。总之，外筒驱动型垂直螺旋输送机应用范围广、结构更加简单、输送性能更好，有很大的科研价值和经济价值，有取代传统垂直螺旋输送机的潜力。
参考文献：
[1]王 鹰. 连续输送机械设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2001：734-783.
[2]乌兰图雅，王春光. 螺旋输送装置的研究现状及未来发展[J]. 农机化研究，2014（11）：244-248.
[3]陈 敏. 垂直螺旋输送槽内物料颗粒群力学特性研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2013：7-9.
[4]王福林，尚家杰，刘宏新，等. EDEM颗粒体仿真技术在排种机构研究上的应用[J]. 东北农业大学学报，2013，44（2）：110-114.
[5]吴 超，胡志超，吴 努. 基于离散单元法的螺旋输送机数值模拟与分析[J]. 农机化研究，2015（2）：57-70.
[6]胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2010：233-267.
[7]李海燕. 基于EDEM的垂直螺旋输送机性能参数仿真研究[D]. 太原：太原科技大学，2011：36-54.
[8]乌兰图雅，王春光，赵圆圆，等. 螺旋输送装置转速和喂入量对输送性能的影响试验研究[J]. 农机化研究，2015（7）：206-208，212.
[9]程敬爱，孟文俊，张启胤. 散体在垂直螺旋输送机内流动性研究[J]. 机械工程与自动化，2012（6）：1-3.
[10]李整民. 垂直螺旋输送机参数的分析[J]. 机械设计，1986（5）：22-28.
[11]高 健. 螺旋输送机理及設计方法的研究[D]. 太原：太原科技大学，2014：65-68.
[12]梁建龙. 粮食加工中LS型螺旋输送机型号规格的选择[J]. 农机化研究，2007（6）：45-46.张慧宁，郭红山. 基于改进萤火虫算法的模糊农业遥感图像增强效应[J]. 江苏农业科学，2017，45（1）：205-208.
关键词：散体物料输送；大豆；外筒驱动技术；垂直螺旋输送；外筒旋转；螺旋固定
中图分类号： TH224 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0201-04
螺旋输送技术是物料输送的一种重要技术，可以用来水平、倾斜或者垂直输送散体物料。垂直螺旋输送机用于垂直输送物料，其工作机理是：螺旋叶片旋转速度在高于临界转速时，在离心力、摩擦力及重力的合力下完成散体物料垂直输送。另外，垂直螺旋输送机必须采用重力式或者强迫式给料方式，只依靠螺旋叶片旋转很难完成物料垂直输送。重力式进料适用于流动性好的物料，需要注意的是轻质物料不适合重力进料方式；强迫式进料须要加装其他装置强迫向垂直螺旋输送机供料。在物料提升高度较大的场合须要布置中间轴承，消除螺旋主轴挠曲变形[1-3]。外筒驱动螺旋垂直输送技术原理如图1所示，外筒和进料板刚性连接，外筒在驱动力作用下旋转，物料进入料斗后，一部分物料被旋转的进料板铲进外筒内，在外筒内壁-物料、物料-物料之间的摩擦力驱动下沿螺旋叶片上表面螺旋上升。笔者所在课题组已经开展了外筒驱动型垂直螺旋输送技术的研究，试验现场如图2所示，图2-a 为试验现场照片，输送物料为油页岩颗粒如图2-b，颗粒度1.6，颗粒密度1 200 kg/m3，提升高度5.5 m，输送量 8～9，输送时，不须要强迫进料装置，中间支撑轴承结构更加简单，且不存在临界转速问题。为了分析其输送粮食作物的可行性和输送特性，EDEM软件是分析散体物料输送的可靠软件[4-7]，因此本试验以图2所示的外筒驱动型垂直螺旋输送机为研究对象，通过EDEM软件仿真研究外筒驱动型垂直螺旋输送技术输送大豆的过程。
2 仿真参数选择
目前，我国垂直螺旋输送机没有统一的定型产品，只有某些企业为适应市场需要自行设计的产品，同时也没有外筒驱动形式的垂直螺旋输送机[1]，采用类比的方法设计外筒驱动垂直螺旋输送机。某厂自行设计的LC型垂直螺旋输送机输送粮食时技术性能参数[1]和外筒驱动型垂直螺旋输送机参数如表1所示。
根据表1建立的外筒驱动型垂直螺旋输送机仿真样机三维模型如图1所示，其螺旋直径为193 mm，外筒壁直径 203 mm，外筒高度400 mm，螺距180 mm，进料板高度 200 mm，进料板开口宽度50 mm；仿真颗粒选择大豆，大豆颗粒建模参数如表2所示，全局变量如表3所示[3]，最终获得的大豆颗粒模型如图3所示，仿真大豆颗粒13万个，分别仿真模拟外筒转速在40、80、120、160、200 r/min情况下输送大豆的特性。
3 EDEM仿真分析
根据参考文献[7-12]，选定外筒大豆速度、大豆角速度、质量流率、充填率、输送效率作为数据分析对象。
3.1 外筒转速对大豆速度的影响
由图4可知，外筒驱动型垂直螺旋输送机不存在临界转速的问题。传统垂直螺旋输送机输送粮食时临界转速是 120～130 r/min，外筒驱动型垂直螺旋输送机在40 r/min情况下也能够正常工作。因此，外筒驱动型垂直螺旋输送机不存在临界转速问题，在低转速情况下也能够输送物料。随外筒转速增大，大豆沿z轴方向的速度分量与合速度的比值越来越小，所以随外筒转速增大，大豆沿z轴方向运动产生的动能与其总动能的比值越小。因此，设备输送效率随外筒转速增大而降低。从取样点分布可知，外筒转速和大豆沿垂直方向速度以及外筒转速和大豆速度之间均可近似为线性关系。
图6是输送过程中大豆的转速矢量图，箭头代表方向，颜色从白到黑代表转速值从小到大。总的来说，在同一个过z轴的截面上，大豆转速的大小和方向比较接近，与其位置关系不大，可以认为大豆以层流形式沿螺旋叶片方向逐步提升。
3.3 质量流率分析
从图7可知，外筒转速在40～120 r/min区间时，外筒转速和大豆质量流率近似为线性关系；当外筒转速大于 120 r/min 时，质量流率增幅趋势逐渐变缓。根据质量流率计算模型输送量如表5所示，拟合输送量和外筒转速关系多项式如式（4）所示：
Q=44.39ω4-661ω3 2 632ω2 1 285ω 1 924。（4）
式中：Q表示输送量，t/h；ω表示外筒转速，r/min。
参考表1中某厂螺旋直径200 mm的LC型垂直螺旋输送机参数，当螺旋转速为160 r/min时，其输入量约 10.1 m3/h，输送物料大豆时输送量约为12.4 t/h；由图7计算得到外筒驱动型垂直螺旋输送机输送量为18.24 t/h。理论上，外筒驱动型垂直螺旋输送机比某厂螺旋直径 200 mm 的LC型垂直螺旋输送机输送量高47%。特别需要注明的是，LC型垂直螺旋输送机须要依靠水平螺旋给料机进料，而外筒驱动型垂直螺旋输送机只须料斗中物料高于进料板即可。
3.4 充填率分析
大豆的充填率是外筒内大豆体积与外筒和螺旋叶片围成空间体积的比值。由图8可知，在不同外筒转速情况下，外筒中大豆充填率是不同的。计算充填率时，截取一段外筒，這段外筒中的大豆总体积除以这段外筒和螺旋叶片围成的空间体积，得到的结果就是充填率。不同外筒转速条件下大豆充填率的具体分析结果如图9所示，大豆充填率随外筒转速增大而降低，总体呈线性趋势。采用线性拟合的方法拟合充填率和外筒转速的关系函数见式（5）：
kV=0.001ω 0.682。（5） 式中：kV表示充填率；ω表示外筒转速，r/min。
从图8-a中可观察到大豆几乎充满外筒，从图8-b中可观察到大豆充填率超过50%；但图9显示，当外筒转速在40、200 r/min时，充填率分别为63%、42%。图8和图9不相符的原因是在大豆之间存在大量空隙。以外筒转速 40 r/min 为例，在高于进料板的位置选取50 mm高的一段外筒为分析
对象，通过EDEM分析可知50 mm高的一段外筒包含5 707个大豆；50 mm高的一段外筒和螺旋叶片之间空间为 0.001 29 m3；通过计算得到图3中每个大豆模型占用最小网格空间为0.260 mm3。按照最小网格空间的体积计算，理论上50 mm高的一段外筒内最多可存放4 962个大豆模型网格，很明显少于仿真得到的大豆颗粒数，理论结果和仿真结果之间存在差别的原因是大豆可以嵌入其他大豆网格空间的空隙，可见是大豆之间的空隙造成图8和图9中大豆充填率不相符。
3.5 驱动功率分析
由电机功率和转矩的关系公式（6）可知，通过分析仿真模型中外筒的转矩，可以求得仿真模型的驱动功率。
T=9 550P/n。（6）
式中：T表示转矩，N·m；P表示外筒驱动功率，W；n表示外筒转速，r/min。
由图10可知，外筒转矩随外筒转速增大而增大。外筒驱动最小功率如图11所示，拟合得到外筒驱动功率外筒转速和外筒转速的关系函数如式（7）所示。在实际运行中还存在机械损耗、摩擦损耗、大豆碰撞能量损耗，图11中数据比实际数据偏小。
P=0.008ω2 1.886ω 21.11。（7）
式中：P表示外筒驱动功率W；ω表示外筒转速，r/min。
3.6 输送效率
输送效率为1 s提升大豆的势能和1 s电机做功的比值，不同外筒转速和输送效率的关系曲线如图12所示。随着外筒转速增大，设备输送效率呈下降趋势。大豆z轴方向动能和大豆总动能的比值如图13所示，外筒转速在40～80 r/min时，大豆z轴方向动能占大豆总动能的比值比较稳定；当外筒转速在80～200 r/min时，大豆z轴方向动能占大豆总动能的比值减幅很明显。综合分析图12和图13，在输送量满足要求的前提下，外筒运行在转速40～80 r/min情况下输送效率较高。拟合外筒转速-输送效率关系多项式如式（8）所示：
η=7E-07ω2 3E-5ω 0.052。（8）
式中：η表示输送效率；ω表示外筒转速，r/min。
4 结论
通过EDEM仿真模拟可知，外筒驱动型垂直螺旋输送技术能够应用于大豆垂直输送，同理它也能够广泛用于其他粮食的垂直输送。外筒驱动型垂直螺旋输送机的优点包括：第一，结构更加简单。首先，外筒驱动型垂直螺旋输送机不须要水平螺旋给料机强迫进料，极大节省设备成本。其次，外筒旋转相对于螺旋叶片旋转挠度更大，长距离输送不须要设计中间轴承。第二，外筒驱动型垂直螺旋输送机不存在临界转速问题，能够在低转速下输送物料，低转速输送时设备机械磨损和物料破损率更低。第三，外筒驱动型垂直螺旋输送机可以应用在有粉尘爆炸危险的场合。粉尘爆炸的三要素是粉尘云、充足的空气或氧化剂、火源或强烈振动与摩擦。外筒驱动型垂直螺旋输送机在低转速下能够做到高充填率，当物料充满外筒时就不会产生满足粉尘云和充足的空气这2个因素；因为不需要中间轴承，不会由于轴承强烈摩擦生热而形成火源。所以，外筒驱动型垂直螺旋输送机能够应用在有粉尘爆炸危险的场合。第四，外筒驱动型垂直螺旋输送机输送量大。理论上，在相同转速情况下外筒驱动型垂直螺旋输送机比LC型垂直螺旋输送机输送量高很多。
通过EDEM仿真模拟得到的外筒驱动型垂直螺旋输送机输送大豆时的输送特性，其中输送量、输送效率等公式是基于理论研究方面的，可以作为设计参考。但是，本研究得到的结论若要直接应用于设计生产，还须通过试验平台研究进行修正。同时，不同物料特性、螺旋升角、进料板形状和尺寸等参数对输送特性的影响也有待进行深入研究。总之，外筒驱动型垂直螺旋输送机应用范围广、结构更加简单、输送性能更好，有很大的科研价值和经济价值，有取代传统垂直螺旋输送机的潜力。
参考文献：
[1]王 鹰. 连续输送机械设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2001：734-783.
[2]乌兰图雅，王春光. 螺旋输送装置的研究现状及未来发展[J]. 农机化研究，2014（11）：244-248.
[3]陈 敏. 垂直螺旋输送槽内物料颗粒群力学特性研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2013：7-9.
[4]王福林，尚家杰，刘宏新，等. EDEM颗粒体仿真技术在排种机构研究上的应用[J]. 东北农业大学学报，2013，44（2）：110-114.
[5]吴 超，胡志超，吴 努. 基于离散单元法的螺旋输送机数值模拟与分析[J]. 农机化研究，2015（2）：57-70.
[6]胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2010：233-267.
[7]李海燕. 基于EDEM的垂直螺旋输送机性能参数仿真研究[D]. 太原：太原科技大学，2011：36-54.
[8]乌兰图雅，王春光，赵圆圆，等. 螺旋输送装置转速和喂入量对输送性能的影响试验研究[J]. 农机化研究，2015（7）：206-208，212.
[9]程敬爱，孟文俊，张启胤. 散体在垂直螺旋输送机内流动性研究[J]. 机械工程与自动化，2012（6）：1-3.
[10]李整民. 垂直螺旋输送机参数的分析[J]. 机械设计，1986（5）：22-28.
[11]高 健. 螺旋输送机理及設计方法的研究[D]. 太原：太原科技大学，2014：65-68.
[12]梁建龙. 粮食加工中LS型螺旋输送机型号规格的选择[J]. 农机化研究，2007（6）：45-46.张慧宁，郭红山. 基于改进萤火虫算法的模糊农业遥感图像增强效应[J]. 江苏农业科学，2017，45（1）：205-208.