摘 要

螺旋输送机作为一种无挠性牵引构件的连续输送机械，可以对多种散粒物料进行中短距离的输送，是一种常用的工业输送设备。本文在传统设计方法的基础上，通过使用离散单元法分析研究散粒物料的水平螺旋输送过程，从而进一步认识水平螺旋输送性能的主要影响因素。论文主要完成工作如下：

（1）针对螺旋输送原理、选型设计、离散元仿真及有限元技术的应用四个方面，进行了螺旋输送机的相关国内外研究现状文献综述；（2）完成了给定参数的LS型水平螺旋输送机的设计计算，包括主要设计参数的计算、螺旋叶片与螺旋轴的选型、螺旋体的强度校核以及驱动装置的选型计算。（3）使用SolidWorks软件建立了该设备的装配体三维模型，并按工程图规范完成了主要零部件工程图；（4）建立了螺旋输送过程离散元仿真模型，设计并完成了仿真实验方案，完成了11组不同参数下的EDEM仿真，并对仿真结果进行了分析。

仿真结果明确了各参数条件下的水平螺旋输送中物料的质量流量和颗粒轴向输送速度，并得到了同一螺旋转速及不同物料填充系数条件下物料颗粒的位置分布及螺旋体的驱动转矩，得出了该设备实现最佳输送性能的填充系数与螺旋转速。论文研究内容及结论可对水平螺旋输送机的优化设计及提高输送性能提供较好的参考数据。

关键词：螺旋输送机； EDEM仿真；螺旋转速；填充系数

Abstract

As a continuous conveying machine with inflexible traction components, screw conveyor can transport a variety of loose materials in short and medium distances. It is a common industrial transportation equipment. Based on the traditional design method, this thesis analyzed the horizontal screw conveying process of the bulk material by using the Discrete Element Method (DEM) to further understanding the main influencing factors of the horizontal screw conveying performance. The main work of the thesis is as follows:

(1) Based on the principles of screw conveying, selection and design, DEM simulation and application of finite element technology, literature review of domestic and international research status of screw conveyors had been carried out; (2) LS type with given parameters has been completed. The design calculation of the horizontal screw conveyor included the calculation of the main design parameters, the selection of the helical blades and the screw shaft, the strength check of the screw and the selection calculation of the drive device. (3) Using SolidWorks to establish the three-dimensional model of the assembly of the equipment, and completed the main parts engineering drawing according to the engineering drawing specification; (4) Established DEM simulation model of screw conveying process, and designed and completed the simulation experiment program. 11 sets of EDEM simulations with different parameters were completed and the simulation results were analyzed.

The simulation results clearly defined the mass flow rate and the axial conveying speed of the material in the horizontal screw conveying under each parameter condition, and obtained the position distribution of the material particles and the driving torque of the screw under the conditions of the same screw speed and different material packing fraction. The packing fraction and screw speed of the device for optimal transport performance are shown. The research contents and conclusions of the thesis can provide better reference data for the optimization design of the horizontal screw conveyor and improving the conveying performance.

Key Words：Screw conveyor; EDEM Simulation; Screw Speed; Packing fraction

目 录

第1章 绪论 1

1.1 螺旋输送机概述 1

1.2 离散单元法简介 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 螺旋输送机的发展趋势 3

1.3.2 国内外研究现状 3

1.4 研究意义及研究内容 5

1.4.1 研究意义 5

1.4.2 研究内容 5

第2章 水平螺旋输送机的设计计算 7

2.1 设计要求 7

2.2 主要参数设计计算 7

2.2.1 螺旋直径D 7

2.2.2 螺旋标准转速n 8

2.2.3 螺旋叶片 8

2.2.4 物料填充系数ψ 9

2.2.5 计算输送量Q_r 9

2.3 驱动装置选型 10

2.3.1 驱动方案 10

2.3.2 驱动功率及转矩计算 11

2.3.3 TY型驱动装置选型 12

2.3.4 联轴器 12

2.4 轴承选型 12

2.5 螺旋体强度校核 13

2.6 本章小结 14

第3章 基于SolidWorks的三维建模 15

3.1 建模方法 15

3.2 建模思路 16

3.3 建模过程 16

3.3.1 螺旋体建模 16

3.3.2 标准件建模 17

3.3.3 装配 17

3.4 装配体效果图 17

3.5 本章小结 19

第4章 基于EDEM的水平螺旋输送仿真 20

4.1 EDEM软件简介 20

4.2 EDEM仿真模型与参数设置 21

4.2.1 水平螺旋输送机简化模型 21

4.2.2 物料颗粒模型 22

4.2.3 EDEM仿真实验方案 22

4.2.4 EDEM仿真实验参数设置 23

4.3 仿真结果分析 24

4.3.1 颗粒轴向运动速度 24

4.3.2 颗粒质量流量 28

4.3.3 颗粒的位置分布 31

4.3.4 螺旋体的阻力转矩 33

4.4 本章小结 34

第5章 经济性与环境影响分析 36

5.1 经济性 36

5.2 环境影响 36

第6章 总结与展望 38

6.1 总结 38

6.2 展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1 螺旋输送机概述

螺旋输送机在粮食、化工、矿石加工和机械制造业等领域广泛应用，可以在短距离内输送各种粉状、粒状、小块状物料，但是不易输送易变质的、粘性大的、易结块的及大块的物料。在输送物料的过程中，螺旋输送机还可以对物料进行搅拌、混合、加热和冷却等加工工艺，它可以比较好的控制输送物料的质量流量，且能提供带式输送机不具有的环境保护功能^[1]。

图 1.1 水平螺旋输送机结构示意图

1-驱动装置；2-联轴器；3-末端轴承；4-盘根盒；5-进料口；6-螺旋体；7-料槽；8-中间轴承；9-首端轴承；10-卸料口

螺旋输送机的结构形式一般有水平、倾斜、垂直及空间可弯曲的四种类型，在目前生产中使用比较多的是前面三种类型。典型水平螺旋输送机的结构如图1.1所示，驱动装置带动螺旋体旋转，物料通过进料口进入料槽，从出料口出来。

垂直螺旋输送机的结构形式和水平螺旋输送机有一些差别，如其螺旋轴轴线是在竖直方向，螺旋叶片的螺距要求不同，垂直螺旋输送机还可以通过重力式或强迫式装料等。在垂直螺旋输送机的提升高度较高时，需要在其内部设置中间轴承，避免垂直段螺旋轴的振动，影响输送效率^[1,2]。

对于水平螺旋输送机，其工作原理是，物料在重力的作用下贴紧料槽，随着螺旋体旋转，物料颗粒与料槽之间的摩擦阻力会阻止物料跟着旋转，物料因此向前输送。对于垂直螺旋输送机，物料会在因重力所产生的侧压力和离心力的共同作用下贴紧管壁，随着螺旋体旋转，管壁与物料之间的摩擦阻力会阻止物料与螺旋轴同步旋转，从而实现物料的上升运动^[1,2]。虽然螺旋输送机的工作原理简单，但是物料在料斗和输送过程中，其状态可能是比较复杂的。

根据水平螺旋输送机的工作原理，可以判断物料在料槽中的输送方向。如图1.2所示，给定了螺旋为右旋及螺旋转速的方向，则可以根据螺旋为右旋用右手定则，判断螺旋所受的轴向力方向为向左，根据相互作用力定律知螺旋推动物料向右移动。

图 1.2 水平螺旋输送机的物料输送方向示意图

1.2 离散单元法简介

离散单元法是一种分析颗粒离散物料的方法，最早由美国学者Cundall P.A.教授在1971年基于分子动力学原理提出。离散单元法在岩土工程和颗粒离散体工程方面应用广泛，使用离散单元法对离散物料进行模拟，可以获取大量离散物料不易测量的信息，可以用来分析粒子流的运动、受力、热量和能量传递等^[3]。

与有限单元分析方法不同，离散单元法的基本原理是，把研究对象作为一个一个相互独立的单元，根据单元之间的相互作用和牛顿运动定律，采用动态松弛法或静态松弛法等迭代方法进行循环计算，确定在每一个时间步长所有单元的受力及位移，并更新所有单元的位置。通过对每个单元微观运动进行跟踪计算，即可得到整个研究对象的宏观运动规律^[4]。

使用离散单元法对物料颗粒进行数值模拟时，常用的粒子单元的几何形状有圆形和球形两种类型。粒子单元之间的关系有接触或分离，接触关系中常用的力学接触模型有6种，分别是Hertz-Mindlin无滑动接触模型、Hertz-Mindlin粘结接触模型、线性黏附接触模型、运动表面接触模型、线弹性接触模型和摩擦电荷接触模型。在离散单元法中分析处理粒子单元之间的接触方式时，一般有硬球和软球两种模型^[3]。

离散单元法自提出以来就迅速发展，国内外有很多相关的研究，其相关的工程应用软件也得到应用发展，如UDEC、3DEC、PFC2D、PFC3D、EDEM等。

1.3 国内外研究现状

螺旋输送机近年来的发展趋势可归纳为智能化控制，高使用寿命，结构大型化及复杂化等，由此学者们展开了从螺旋输送原理，选型设计，离散元方法与有限元方法在此领域的应用等方面的深入。

1.3.1 螺旋输送机的发展趋势

1. 智能化控制

随着工业自动化的发展，机械设备的机电一体化发展成为必然趋势。对螺旋输送机倾角和转速的自动化控制、对设备运行状态的动态分析和检测技术会有更加深入的发展。

1. 部件更可靠

为了提升螺旋输送机的工作寿命，保证其工作可靠性，对螺旋输送机元部件的可靠性研究会更多，让螺旋输送机也能在高温或者低温、有腐蚀性或放射性的工作环境下正常工作。

1. 大倾角化

大倾角螺旋输送机在输送过程中由于受到夹角小于90°重力和离心力产生的联合作用，物料流内部会出现大量滚动和湍流，极大地增大了物料的传输阻力^[5]。为了满足特殊工况的要求，对大倾角螺旋输送机的研究会增多。

1. 组合化

为了满足高效的生产需求，会将各种连续输送机械进行组合，这时可能需要螺旋输送机朝大型化方向发展。

1.3.2 国内外研究现状

随着工业技术的发展，螺旋输送机作为一种常用的散货输送设备得到了广泛应用，国内外学者与专业技术人员针对螺旋输送设备的研制及输送性能的提升展开了深入研究。

1. 输送原理研究

国内很多学者都对螺旋输送机的工作机理做了深入的研究，对颗粒的力学特性进行了分析。如在1993年，武汉水运工程学院的宋祁群对水平螺旋输送机的生产率和输送过程中物料翻滚机理进行了研究，得出了充填系数是水平螺旋输送机的主要技术参数^[7]。很多研究人员在大量实验的基础上，得出了填充系数对螺旋输送机的输送性能很大，而填充系数并非越大越好的结论，关于螺旋输送机的生产率、螺旋直径、螺旋转速、输送功率等设计参数也给出了解释和推荐值。

1. 选型设计研究

一些学者根据不同的行业应用也做了对应的研究。王鹰在2001编写的《连续输送机设计手册》中，对各种螺旋输送机的结构和设计计算进行了说明，有很大的参考意义^[2]。在2010年，武汉理工大学的向冬枝和徐余伟对水泥工业用的螺旋输送机的设计参数进行选择和确定，分析了它们分别对螺旋输送机性能的影响^[8]。现在国内慢慢增加了对其它类型螺旋输送机的研究，如在2010年，尹忠俊、孙洁和陈兵等研究了开式螺旋输送机输送原理及参数选择^[9]。有一些学者在螺旋输送机的优化设计方面有一些研究，如在2006年，大连理工大学的张东海通过使用遗传优化算法建立了参数化的螺旋输送机的优化数学模型，并在此基础上对模型进行了参数化设计和优化，这对螺旋输送机的设计有参考价值^[10]。在2008年，湘潭大学的邱爱红、龚曙光、谢桂兰和许岚利用CFD建立了变径变螺距螺旋轴参数化模型并对其性能仿真，为螺旋轴的结构设计的工程应用提供了计算依据^[11]。在2014年，太原科技大学的高健通过使用VB、PFC3D等计算机软件技术，建立优化的数学模型和优化的设计程序等，对LS型为代表的水平螺旋输送的机理和设计方法进行了研究^[5]。孙晓霞和袁媛在2014年对垂直螺旋输送机空转时临界雷诺数进行了分析，分析出了螺旋转速、螺旋轴直径、螺距等参数与雷诺数Re之间的关系，对于垂直螺旋输送机的优化设计和提高输送机的输送效率是有帮助的^[12]。这可以看出影响螺旋输送机的输送性能的因素很多，它们的相互作用使得螺旋输送机的运行状态变得复杂，需要我们做一些更加细致的研究。

1. 离散单元法的应用

离散单元法可以分析螺旋输送机的输送过程中物料的流动状态。王国强、郝万军和王继新主编的《离散单元法及其在EDEM上的实践》和胡国明主编的《颗粒系统的离散元素法分析仿真》对于离散单元法和EDEM软件的学习很有帮助。国内的很多学者通过使用离散单元法，对螺旋输送机的输送过程做了一些研究，研究了螺旋输送机输送过程中物料颗粒的分布、受力和速度、质量流流量和功率消耗等，分析了螺旋转速、物料填充系数、摩擦系数等参数对输送性能的影响^[13-18]。如范召、胡国明和方自强等在2014年进行了水平螺旋输送机性能的离散元法仿真分析，应用离散元法模拟水平螺旋输送机输送过程，并进行动力学仿真，研究不同工况对螺旋输送机性能的影响^[18]。当然，EDEM软件的应用计算理论与实际还是有一些差别的，所以在做仿真实验前要考虑这个因素，关于仿真实验参数的校准，国内对此的研究比较少。在2015年，夏鹏、李郁和杨公波进行了散粒物料堆积角离散元仿真研究，用正交实验法对煤粉的EDEM仿真参数进行了校准^[19]。

在国外，用离散元的分析方法研究螺旋输送机的输送过程较早。Owen P J和Cleary P W在2009年通过应用离散单元法模拟具有周期性边界条件的单螺距螺旋输送机，研究这些运行条件（螺杆的转速、螺旋输送机的倾斜度和物料填充系数）如何影响螺旋输送机的性能^[22]。Grima A P和Wypych P W在2011年在建立和验证离散元模型的校准方法方面有所研究^[23]。Fernandez J W、Cleary P W和Mcbride W在2011年研究了六种不同螺杆设计对水平螺旋喂料器中球形颗粒下降的影响，具体研究了螺杆选择对颗粒质量流流量的影响、颗粒从料斗下降的均匀性、功率消耗、螺杆磨损、壁摩擦变化等方面的影响^[24]。Hou Q F、Dong K J和Yu A B在2014年用离散元素法研究了螺旋给料机内粘粒流动的影响^[25]。Pezo L、Jovanović A和Pezo M等人在2015年研究了螺旋输送机几何形状变化以及不同类型的螺杆设计对螺旋输送机及混合机在物料输送过程中的性能的影响^[26]。Han Y、Jia F和Zeng Y 等人在2017年做了立式碾米机进料螺杆件中颗粒输送的DEM研究，对垂直螺旋输送机的设计及结构的改进提出了建议，指出在筒壁内表面开轴向槽能够有效增加出口质量流量^[27]。

1. 有限元法的应用

关于螺旋输送机的EDEM-CFD耦合与EDEM-FEM耦合的研究比较少，这与离散元分析软件和有限元分析软件之间数据格式存在差异及网格划分不同有关系。有一些研究人员对螺旋输送机的关键零部件如螺旋体，做了静力学分析和模态分析。如分析在重力作用下螺旋体的变形，还有考虑到螺旋叶片受到的作用力比较复杂时，用简化的扭矩代替物料颗粒对螺旋叶片的作用力来分析螺旋体的应力应变^[20,21]。

1.4 研究意义及研究内容

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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