螺旋輸送裝置的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展分析論文
0引言
1887年，美國出現(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。該裝置輸送過程中能完成揉搓、壓縮、攪拌、混合等處理，在實(shí)際生產(chǎn)過程中還能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和準(zhǔn)確控制輸送量，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)己成為今后螺旋輸送裝置發(fā)展的主要方向。目前，國際上對(duì)螺旋輸送裝置的研究基本集中在應(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.國內(nèi)外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r
1.1國外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r
1.1.1理論分析方面
國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)者通過對(duì)水平和垂直螺旋輸送裝置的輸送過程進(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，Chris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CLEARY等人研究了輸送對(duì)象的特性對(duì)輸送性能的影響。但是，設(shè)計(jì)過程中對(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)公式來確定，導(dǎo)致機(jī)器在輸送過程中出現(xiàn)生產(chǎn)率低、功耗大等問題。
1.1.2設(shè)計(jì)制造方面
國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)組合起來形成一個(gè)卸船機(jī)系統(tǒng)。在國外，很早以前就開始對(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2 700t/h。
1.1.3仿真研究方面
根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)得知，國外對(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。在輸送領(lǐng)域中，Groger首次利用DEM法分析了管道輸送裝置的輸送性能。隨后，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Patel等通過分析DEM法在螺旋輸送機(jī)輸送過程仿真方面的研究現(xiàn)狀，并提出了建議:未來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)過程的動(dòng)態(tài)觀察及分析。
1.2國內(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。從結(jié)構(gòu)參數(shù)方面來講，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。除此之外，有無軸螺旋輸送裝置，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)用過程中的堵塞、效率低、功耗大、壽命短等問題都具有現(xiàn)實(shí)意義。
對(duì)于螺旋輸送裝置堵塞問題，很多學(xué)者做過多方面的研究。通常是因?yàn)槁菪~片和殼體的間隙小，被輸送物料的流動(dòng)性差或者輸送長度大于時(shí)所用吊軸承所導(dǎo)致。針對(duì)以上實(shí)際問題，李學(xué)哲對(duì)小直徑的螺旋輸送機(jī)堵塞原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。通過試驗(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、壽命短等問題，學(xué)者們通過理論分析與試驗(yàn)研究找出了原因，并提出改進(jìn)措施。楊志勇等通過分析指出螺旋輸送機(jī)在使用過程中常因葉片、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。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)過試驗(yàn)證明結(jié)果合理可靠。商興國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，并通過試驗(yàn)得出了葉片的磨損規(guī)律。
國內(nèi)常見螺旋面可分為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選定。其中，應(yīng)用最廣的是實(shí)體螺旋，它具有結(jié)構(gòu)簡單、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。
1.2.2設(shè)計(jì)理論研究方面
我國很多學(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)行過大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明各種機(jī)型基本上能滿足輸送要求。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)用過程中遇到的問題，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，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。但是，對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法而言，過程繁瑣且精度低，未能避免實(shí)際應(yīng)用過程遇到的生產(chǎn)率低、功耗大等關(guān)鍵問題。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者開始利用先進(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。胡樹林等對(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。李英通過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)下開發(fā)了快速設(shè)計(jì)計(jì)算垂直螺旋輸送機(jī)的界面。通過實(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。
國內(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)輸送過程的理論分析文章尚不多見。黃石茂通過分析纖維物料輸送過程中堵塞的原因，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，提高了輸送能力螺旋輸送機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、安裝靈活及密封性好等優(yōu)點(diǎn)，在粗飼料加工過程中被受廣泛的應(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。
國內(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)出了一種輸送過程中伴有密封及高壓要求的新型高壓密封螺旋輸送機(jī)。
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)其要求也越來越高。目前，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在功耗大、生產(chǎn)率低等的問題，解決這些問題的方法就是利用先進(jìn)的手段對(duì)輸送過程進(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)。
螺旋輸送過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控方面，一些學(xué)者做過這方面的研究工作。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;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)。程敬愛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。
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，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。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 %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，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程中生產(chǎn)率低、功耗大等主要問題的理論研究不夠系統(tǒng)、深入，沒有把兩者結(jié)合起來考慮，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、可靠性不高
螺旋輸送裝置在輸送過程中受輸送對(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)該問題進(jìn)行理論分析并提出了相應(yīng)的對(duì)策，但沒能從根本上有效的解決實(shí)際應(yīng)用過程中遇到的磨損失效問題。
2.3缺乏粗飼料輸送過程的理論分析與研究
螺旋輸送裝置己成為秸稈類粗飼料收集、儲(chǔ)存、加工工程中的必要設(shè)備，但是輸送過程中存在嚴(yán)重的堵塞、翻滾等現(xiàn)象導(dǎo)致輸送裝置的生產(chǎn)率低功耗大等問題。國內(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
農(nóng)作物秸稈是我國重要資源，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)，要開發(fā)新設(shè)備，提高適應(yīng)性。
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