國(guó)內(nèi)外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)

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1、國(guó)內(nèi)外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì) 　　0引言 　　1887年,美國(guó)出現(xiàn)了第一臺(tái)螺旋輸送裝置;此后,由于糧食、化工、冶金、碼頭等多種行業(yè)的需求,不斷完善,逐漸研制出了多種系列的螺旋輸送裝置.該裝置輸送過(guò)程中能完成揉搓、壓縮、攪拌、混合等處理[1-2],在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和準(zhǔn)確控制輸送量[3],是污泥、柵渣等的專用設(shè)備,同時(shí)也是喂料或卸料專用裝置. 　　隨著螺旋輸送裝置在多個(gè)行業(yè)中應(yīng)用的普及,對(duì)其性能要求也越來(lái)越高.適用性強(qiáng)、可靠性高、節(jié)能環(huán)保、效率高、功耗低等特點(diǎn)已成為今后螺旋輸送裝置發(fā)展的主要方向.目前,國(guó)際上對(duì)螺旋輸送裝置的研

2、究基本集中在應(yīng)用先進(jìn)的方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)裝置進(jìn)行理論分析并改進(jìn)設(shè)計(jì)、對(duì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、進(jìn)一步修正經(jīng)驗(yàn)公式、研發(fā)新產(chǎn)品及其用新的控制技術(shù)等. 　　1國(guó)內(nèi)外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r 　　1.1國(guó)外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r 　　1.1.1理論分析方面 　　國(guó)外螺旋輸送裝置適用于多種流動(dòng)性好的物料的中短距離的輸送和提升,通常用來(lái)輸送散裝物料和干燥的固體顆粒,并能準(zhǔn)確地控制輸送量.有很多學(xué)者通過(guò)對(duì)水平和垂直螺旋輸送裝置的輸送過(guò)程進(jìn)行理論分析,對(duì)輸送性能進(jìn)行評(píng)估,并找出了影響因素及其因素之間的關(guān)系.其中,ChrisRorres等人研究了機(jī)器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸送性能的影響[4-6];Philip

3、J.OWEN,PaulW.CLEARY等人研究了輸送對(duì)象的特性對(duì)輸送性能的影響[7-8].但是,設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)螺旋輸送裝置的理論分析不夠完善,對(duì)一些參數(shù)的計(jì)算仍根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定,導(dǎo)致機(jī)器在輸送過(guò)程中出現(xiàn)生產(chǎn)率低、功耗大等問(wèn)題. 　　1.1.2設(shè)計(jì)制造方面 　　國(guó)外研制的螺旋輸送裝置除了常規(guī)結(jié)構(gòu)以外也根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)出的特種結(jié)構(gòu)型:錐形直徑螺旋、錐形軸及變螺距螺旋和錐形軸變螺距螺旋等.這些螺旋輸送器由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、功耗大,所以不適應(yīng)生產(chǎn)需求,沒(méi)有被廣泛的應(yīng)用,需要進(jìn)一步完善. 　　除了以上提及的螺旋輸送裝置以外,把不同規(guī)格的水平螺旋輸送機(jī)和垂直螺旋輸送機(jī)組合起來(lái)形成一個(gè)卸船

4、機(jī)系統(tǒng).在國(guó)外,很早以前就開(kāi)始對(duì)螺旋卸船機(jī)進(jìn)行了研究,其中技術(shù)領(lǐng)先的公司有瑞典的Siw-ertell和Carlsen公司、意大利的VAM公司以及法國(guó)的IBAV公司,單機(jī)卸船能力都能達(dá)到1000t/h以上,其中Siwertell公司研發(fā)的螺旋卸船機(jī)卸船能力達(dá)到了2700t/h. 　　1.1.3仿真研究方面 　　根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)得知,國(guó)外對(duì)螺旋輸送裝置的性能分析方面主要集中在利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控及可視化研究. 　　20世紀(jì)70年代Cundall開(kāi)發(fā)了離散單元法(DEM),能準(zhǔn)確模擬仿真顆粒在系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況[9-10].在輸送領(lǐng)域中,GrOger首次利用DEM法分析了管道輸送裝

5、置的輸送性能[11].隨后,YoshiyukiShimizu,PhilipJ.OWEN等人前后利用DEM法對(duì)不同形狀的散粒物料在不同狀態(tài)下的螺旋輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真,并把得出的結(jié)論與試驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)值比較,結(jié)果表明他們所采取的方法是可行的[12-13].JigarPatel等通過(guò)分析DEM法在螺旋輸送機(jī)輸送過(guò)程仿真方面的研究現(xiàn)狀,并提出了建議:未來(lái)有限元法能代替離散單元法實(shí)現(xiàn)物料在輸送機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)整個(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)觀察及分析[14]. 　　1.2國(guó)內(nèi)螺旋輸送裝置的研究狀況 　　1.2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)和螺旋葉片形狀方面 　　由于我國(guó)螺旋輸送裝置被廣泛應(yīng)用于多種行業(yè),其結(jié)構(gòu)參數(shù)和葉片的形狀種類較多

6、.從結(jié)構(gòu)參數(shù)方面來(lái)講,有變速、變螺距、變外殼直徑、變軸徑、大傾角、可伸縮等螺旋輸送裝置[15].除此之外,有無(wú)軸螺旋輸送裝置,適用于污泥、垃圾處理,也適合輸送農(nóng)作物秸稈等粗飼料.但是由于造價(jià)成本高,以及受到結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的影響沒(méi)有被廣泛推廣應(yīng)用.很多學(xué)者針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸送裝置進(jìn)行了大量的研究,結(jié)果表明,合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)解決實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的堵塞、效率低、功耗大、壽命短等問(wèn)題都具有現(xiàn)實(shí)意義. 　　對(duì)于螺旋輸送裝置堵塞問(wèn)題,很多學(xué)者做過(guò)多方面的研究.通常是因?yàn)槁菪~片和殼體的間隙小,被輸送物料的流動(dòng)性差或者輸送長(zhǎng)度大于5m時(shí)所用吊軸承所導(dǎo)致.針對(duì)以上實(shí)際問(wèn)題,李學(xué)哲對(duì)小直徑的螺旋輸送機(jī)

7、堵塞原因進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)措施[16].通過(guò)試驗(yàn),證明改進(jìn)后的輸送機(jī)完全能避免堵塞. 　　對(duì)于輸送裝置易磨損、效率低、功耗大、壽命短等問(wèn)題,學(xué)者們通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究找出了原因,并提出改進(jìn)措施.楊志勇等通過(guò)分析指出螺旋輸送機(jī)在使用過(guò)程中常因葉片、螺旋端頭和吊軸承的嚴(yán)重磨損而導(dǎo)致輸送效率降低甚至報(bào)廢等情況[17].馬曉錄為了減小快速螺旋輸送機(jī)螺旋葉片和機(jī)筒間的摩擦,對(duì)其間隙進(jìn)行了研究,給出了兩者之間間隙的設(shè)計(jì)及計(jì)算公式,指出了方便有效的方法,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明結(jié)果合理可靠[18].商興國(guó)分析其工作原理及固體材料和螺旋輸送機(jī)葉片的磨損機(jī)理,并通過(guò)試驗(yàn)得出了葉片的磨損規(guī)律[19]. 　　國(guó)內(nèi)常

8、見(jiàn)螺旋面可分為4種類型:實(shí)體螺旋、帶式螺旋、漿狀葉片和齒狀葉片,根據(jù)所輸送物料的種類和物理特性來(lái)選定.其中,應(yīng)用最廣的是實(shí)體螺旋,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn),適合輸送干燥的粉狀、粒狀以及有粘附性的物料;帶式螺旋多用于塊狀、較大顆粒狀和稍帶粘性的物料,輸送的物料較為均勻,也可用在兩種物料的混合上;漿狀葉片適用于輸送易被擠壓成塊和潮濕發(fā)粘的物料,輸送過(guò)程中對(duì)物料具有強(qiáng)烈的松散、攪拌作用;齒形螺旋適合輸送腐蝕性強(qiáng)、粘性大的物料,同時(shí)也有松散和攪動(dòng)作用[20]. 　　1.2.2設(shè)計(jì)理論研究方面 　　我國(guó)很多學(xué)者針對(duì)各種水平和垂直螺旋輸送裝置的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行過(guò)大量的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明各種機(jī)型基本上

9、能滿足輸送要求.但同時(shí)指出,隨著螺旋輸送裝置在各行業(yè)中應(yīng)用的拓展,對(duì)其性能要求也越來(lái)越高,因此完善設(shè)計(jì)理論分析,并深入研究其工作性能,對(duì)于有效地解決實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)械化和自動(dòng)化都具有現(xiàn)實(shí)意義. 　　根據(jù)文獻(xiàn)得知,多數(shù)研究主要集中在對(duì)螺旋輸送裝置的輸送機(jī)理進(jìn)行理論分析并給出計(jì)算方法,對(duì)螺旋軸進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核以及壽命預(yù)測(cè),對(duì)于螺旋葉片的設(shè)計(jì),外密封裝置的研制,制造材料的應(yīng)用分析,傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇等方面做了研究,并給出了計(jì)算公式[21-29].但是,對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法而言,過(guò)程繁瑣且精度低,未能避免實(shí)際應(yīng)用過(guò)程遇到的生產(chǎn)率低、功耗大等關(guān)鍵問(wèn)

10、題. 　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有學(xué)者開(kāi)始利用先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)輸送裝置進(jìn)行選型和設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行有限元分析.其中,屈少敏利用SolidWorks軟件具有的系列零件的設(shè)計(jì)表配置和驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)了碾米機(jī)上螺旋輸送器零件模型的快速創(chuàng)建,克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法繁瑣,降低了人為造成的偏差,提高了精度和設(shè)計(jì)效率[30].胡樹(shù)林等對(duì)煤礦螺旋輸送機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并用ANSYS軟件對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能滿足實(shí)際要求[31].李英通過(guò)分析垂直螺旋輸送機(jī)內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)和受力情況,以其最佳輸送狀態(tài)理論為基礎(chǔ),得出了最佳轉(zhuǎn)速和最大輸送效率的計(jì)算理論,并在VisualC++60平臺(tái)下開(kāi)發(fā)了快速

11、設(shè)計(jì)計(jì)算垂直螺旋輸送機(jī)的界面.通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明:該用戶界面使用方便,能滿足快速客戶化的生產(chǎn)模式要求[32].郭維城等設(shè)計(jì)出了一種秸稈物料專用垂直螺旋輸送機(jī),利用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行建模優(yōu)化,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作安全方便、截面積小、造價(jià)成本低,能完全滿足實(shí)際需求[33]. 　　國(guó)內(nèi)對(duì)螺旋輸送裝置的產(chǎn)品介紹很多,并在多種秸稈類粗飼料的輸送和喂入場(chǎng)合使用,如聯(lián)合收割機(jī)、壓塊機(jī)和膨化機(jī)上都設(shè)計(jì)到;但是對(duì)輸送過(guò)程的理論分析文章尚不多見(jiàn).黃石茂通過(guò)分析纖維物料輸送過(guò)程中堵塞的原因,并對(duì)影響因素進(jìn)料口的幾何形狀進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),減少了堵塞,提高了輸送能力[34].螺旋輸送機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、

12、安裝靈活及密封性好等優(yōu)點(diǎn),在粗飼料加工過(guò)程中被受廣泛的應(yīng)用.白曉虎等研制出了秸稈螺旋輸送裝置,并對(duì)其工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:其可滿足不同粒度和含水率的秸稈物料的喂料要求[35]. 　　國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上做大量的改進(jìn)設(shè)計(jì),同時(shí)提出了對(duì)新型產(chǎn)品(如彎曲母線螺旋面、變螺距、變直徑等螺旋輸送裝置)開(kāi)發(fā)利用的展望.也有學(xué)者研發(fā)了新產(chǎn)品,楊麗珍研發(fā)出了一種輸送過(guò)程中伴有密封及高壓要求的新型高壓密封螺旋輸送機(jī)[36]. 　　1.2.3優(yōu)化研究方面 　　隨著螺旋輸送裝置在各行業(yè)中應(yīng)用的擴(kuò)大,對(duì)其性能要求也越來(lái)越高.目前,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在功耗大、生產(chǎn)率低等的問(wèn)題,解決這些問(wèn)

13、題的方法就是利用先進(jìn)的手段對(duì)輸送過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控及對(duì)機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì). 　　螺旋輸送過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控方面,一些學(xué)者做過(guò)這方面的研究工作.其中,太原科技大學(xué)的學(xué)者們針對(duì)垂直螺旋輸送裝置的研究較多,并且得到了一定的科研成果.孟文俊等對(duì)垂直螺旋輸送機(jī)內(nèi)散體物料的分布情況進(jìn)行分析,表明機(jī)器內(nèi)散體物料可視為非牛頓流體,利用FLUENT軟件對(duì)垂直螺旋輸送機(jī)輸送過(guò)程進(jìn)行模擬仿真,得到物料在其內(nèi)運(yùn)動(dòng)的密度分布規(guī)律[37];同時(shí)指出,用以上的原理可以計(jì)算出垂直螺旋輸送機(jī)內(nèi)任意位置的物料的分布情況.李海燕在顆粒仿真軟件(EDEM)內(nèi)建立被輸送散體顆粒的實(shí)體模型,并用離散單元法(DEM)進(jìn)行了模擬仿真垂直螺旋輸

14、送裝置的性能參數(shù)對(duì)輸送性能的影響情況,同時(shí)也分析了散體顆粒在機(jī)器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)[38].程敬愛(ài)等從宏觀和微觀上分析散體的流動(dòng)性能,建立特定型號(hào):LS1000垂直螺旋輸送機(jī)的實(shí)體模型,采用EDEM軟件對(duì)其不同表面摩擦因數(shù)的散體在不同轉(zhuǎn)速的立式螺旋輸送機(jī)內(nèi)的流態(tài)進(jìn)行仿真,得到了散體速度矢量圖[39]. 　　優(yōu)化研究方面,螺旋輸送裝置的參數(shù)多,確定時(shí)復(fù)雜又繁瑣,常規(guī)的設(shè)計(jì)很難得到其最佳匹配的值. 　　因此,學(xué)者們利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)螺旋輸送裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真并優(yōu)化研究.趙紅霞等對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化,找出效率最優(yōu)時(shí)的螺距計(jì)算理論模型,利用摩擦理論推導(dǎo)出效率優(yōu)化公式;選用了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)手段

15、,計(jì)算出了輸送機(jī)在效率優(yōu)化后的螺距,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;利用MATLAB最小二乘法擬合出輸送效率最優(yōu)時(shí)螺距的通用計(jì)算公式[40]. 　　舒服華以質(zhì)量最輕和傳動(dòng)效率最大為雙優(yōu)化目標(biāo),建立螺旋輸送機(jī)的優(yōu)化模型,利用蟻群算法進(jìn)行了優(yōu)化求解[41].結(jié)果表明,在滿足螺旋輸送機(jī)使用性能的前提下,有效地降低了機(jī)器的質(zhì)量,并提高了輸送效率. 　　徐展等也用以上兩個(gè)參數(shù)為目標(biāo)函數(shù),建立了螺旋輸送機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化模型,利用粒子群算法編程來(lái)求解數(shù)學(xué)模型,并用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化和求解.結(jié)果表明,機(jī)器的質(zhì)量減少了8.2%,輸送效率也提高了4.5%[42].螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)根據(jù)具體的工程實(shí)際建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件

16、,有學(xué)者指出應(yīng)用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解才能更準(zhǔn)確地達(dá)到優(yōu)化目的.張東海利用遺傳優(yōu)化算法建立參數(shù)化的螺旋輸送機(jī)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化,利用改進(jìn)后的遺傳算法得到了能解決實(shí)際問(wèn)題及對(duì)螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)有參考價(jià)值的可行的優(yōu)化結(jié)果. 　　2存在的問(wèn)題 　　2.1理論研究不夠系統(tǒng)、完善 　　對(duì)螺旋輸送裝置在工作過(guò)程中生產(chǎn)率低、功耗大等主要問(wèn)題的理論研究不夠系統(tǒng)、深入,沒(méi)有把兩者結(jié)合起來(lái)考慮,作為對(duì)螺旋輸送裝置總體分析和優(yōu)化的對(duì)象. 　　沒(méi)有從系統(tǒng)角度出發(fā)對(duì)螺旋輸送裝置的各個(gè)性能參數(shù)之間的最佳匹配關(guān)系和輸送對(duì)象的各個(gè)特征參數(shù)對(duì)輸送性能的影響進(jìn)行相關(guān)研究. 　　2.2產(chǎn)品的適應(yīng)性差、可靠

17、性不高 　　螺旋輸送裝置在輸送過(guò)程中受輸送對(duì)象特性的影響,在同一個(gè)行業(yè)內(nèi)輸送不同特征參數(shù)的物質(zhì)時(shí)其結(jié)構(gòu)參數(shù)也是多樣的均為不成系列,缺乏適應(yīng)性強(qiáng)的輸送裝置,其各種部件及易損壞件之間不能互換. 　　工作過(guò)程中主要磨損部位為螺旋端頭、葉片和吊軸承.這些部件一旦發(fā)生故障將影響整個(gè)輸送工作,因此可靠性是進(jìn)一步提高工作效率的關(guān)鍵.目前有學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行理論分析并提出了相應(yīng)的對(duì)策,但沒(méi)能從根本上有效的解決實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中遇到的磨損失效問(wèn)題. 　　2.3缺乏粗飼料輸送過(guò)程的理論分析與研究 　　螺旋輸送裝置已成為秸稈類粗飼料收集、儲(chǔ)存、加工工程中的必要設(shè)備,但是輸送過(guò)程中存在嚴(yán)重的堵塞、翻滾等現(xiàn)象導(dǎo)致輸送

18、裝置的生產(chǎn)率低功耗大等問(wèn)題.國(guó)內(nèi)外對(duì)粗飼料螺旋輸送裝置的研究研究極少,制約了螺旋輸送裝置在粗飼料行業(yè)中的發(fā)展. 　　3發(fā)展趨勢(shì) 　　農(nóng)作物秸稈是我國(guó)重要資源,對(duì)秸稈類粗飼料螺旋輸送裝置進(jìn)行研究是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中流水線作業(yè)的迫切需求.因此,應(yīng)加大該方面的科研投入力度,對(duì)螺旋輸送裝置,特別是針對(duì)粗飼料輸送設(shè)備進(jìn)行理論研究,對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,參數(shù)達(dá)到最佳匹配,從而提高工作性能、降低功耗;與此同時(shí),要開(kāi)發(fā)新設(shè)備,提高適應(yīng)性. 　　參考文獻(xiàn): 　　[1]孫磊.螺旋輸送器在PTA裝置中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].石油化工設(shè)計(jì),1995,22(2):19-21. 　　[2]李昊,珊珠,張文瑞,等.關(guān)于水平螺

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