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改进的螺旋传输-混合-离散的元素建模方法
螺旋输送机广泛应用于食品工业，建筑和采矿公司，化工，农业和加工行业，主要在中短距离内用来提升或者运输散装材料。尽管他们看起来很简单，但运输的参数改善是一项非常艰巨的任务，设计师通常必须依赖于数据调查的经验积累。
本文介绍了一种具有改进几何形状的15条水平的单距螺旋输送机，在材料运输过程中，对预拌料的长度进行了研究。所有的调查都是用离散单元法（DEM）进行实验和数值模拟的。
螺旋长度的影响：观察到的几何变化和不同类型的螺杆设计。摘要讨论了在材料运输过程中螺旋输送器的性能。辅助混合作用（用于改善混合过程）是在材料运输过程中实现的。螺旋输送机的几何形状是通过三个同样的或者相反的方向的补充螺旋来改变的。被运输的物质颗粒从螺旋的顶端向下滚到下一个自由的表面，这段螺旋被用于额外的混合动作。根据实验和DEM分析，粒子路径的长度是通过观察螺旋输送机修改的，改进了几何形状，提高了混合的质量。
1介绍
螺旋输送机广泛应用于运输和提升颗粒的控制和稳定。它们被用于不同的工业部门，例如采矿业，农业，建筑、化工、加工、食品等行业。
螺旋输送机也被称为蜗杆式输送机，用于自由流动的材料。现代的输送带由螺旋形在U型槽或封闭的管道组成。它们可以用水平或倾斜来提升材料。螺旋输送机不像带式输送机那样有效。低效率的原因是固体和螺丝的飞行之间的摩擦。但是，它们更便宜，更容易维护。它们被用来在短距离内传递固体颗粒和需要起升一定高度的时候。
尽管它们表面上看起来很简单，但优化传输参数是一项非常费力的任务，设计者通常必须依赖于经验调查所获得的数据。操作螺旋输送机的转速、螺旋输送机的倾斜度以及其体积填充等条件对螺杆输送机的性能有很大的影响。
螺旋输送机有不同的结构，具有相同或可变的螺距。螺旋叶片的形状也是可变的。螺旋输送机的正确设计对运输至关重要。如果设计不适合运输材料，就会出现一些问题:飙升和不稳定的流速，不准确的计量和剂量，产品的不均匀性，颗粒的变形或熔化，产品的退化，过度的功率吸引，高启动扭矩，高设备磨损和可变的停留时间。而种族隔离，增加能源消耗，最终产品的成本增加，最终产品的质量下降。
颗粒的具体形状和重量上的差异对粉末材料的分离有很大的影响。但是，螺旋输送器的长度对于设计者来说也是非常重要的参数。制造商在增加螺旋输送器的长度方面存在问题，特别是由于长螺杆的变形，在这种情况下需要在最初和最后的轴承箱增加额外的支撑。
摘要介绍了螺杆式输送机目前的设计方法及存在的问题。对螺旋输送机的理论特性的描述可以在很多文章中找到。数值模型(离散单元法)表明，在捕捉粒子的相互作用和预测混合过程的混合过程中，是可靠和有用的。Cundall和Strack开发的软球方法是第一个在公开文献中发表的颗粒动力学模拟技术。
DEM是一种数值计算方法，用于预测碰撞主导粒子流的行为。跟踪流中的每个粒子，并对粒子和边界之间的所有碰撞进行建模。粒子允许重叠，重叠的程度与接触力定律结合使用，以提供瞬时的力量，从而了解粒子的当前位置，方向，速度和粒子的旋转。
利用DEM在螺旋输送机中实验颗粒流在记录中是首次。这次实验，研究了水平和垂直螺旋输送机的性能，并与经验方程的结果进行了比较。摘要介绍了一种周期切片模型的使用情况，探讨了一种长螺旋输送机的性能。Cleary使用了DEM研究一个45°倾斜的螺旋输送器中提取出了一种模式。这项研究为了研究颗粒形状对料斗和螺旋输送机输送特性的影响，对其影响进行了扩展。文章中对螺旋加料器中粘性颗粒的流动进行了研究。研究了螺杆的内聚力和螺杆转速的影响，以及螺杆长度对相关的充电容器和容器设计的影响。本研究的目的是找出一种方法来克服由内粒子内聚引起的堵塞问题。文章中，采用离散单元法对单螺杆挤压机的固体进流和固体输送进行了建模。该技术允许对螺旋通道内的局部交通现象进行基础研究。钟和Orsquo;Callaghan分析了在水平螺旋输送器上的进料口形状对性能的影响。Fernandez et al研究了螺杆设计对水平螺旋给料机的颗粒料减少的影响。DEM用于预测水平螺杆进料器系统的颗粒输送，包括一个可变的螺距机构，可变的外径和可变的核心直径。研究了螺杆选择对颗粒质量流量的影响，颗粒从料斗的均匀度、功耗、螺杆磨损和墙面摩擦变化等方面的影响。Cleary使用了一种现实的粒子，是在一种犁的混合机中混合了颗粒物。由于与相邻粒子的接触次数增加并且不能失败，所以使用更加真实的粒子形状可以更好的表示床的强度。Moysey和Thompson提出了一种新的方法，在一个挤出机中模拟固体运输，使用离散的元素方法来进行非等温的固体输送区的三维模拟。为改善应用程序的应用，他们还对常用的聚合物的接触机制进行了评估。Moysey和Baird使用DEM在一个填充层表面使用镍球隔离。
关于工作流体对颗粒的行为有显著影响的装置，链接CFD(计算流体动力学)和DEM证实了比单独使用DEM分析更可靠，更有效。
螺旋输送机也用于测量或测量微量的微量物质，如颗粒状物料或从贮罐中获取的粉末或颜料。给药的剂量通常是通过增加频率转换器来达到速度变化，并根据需要的数值来调整剂量。在这种情况下，正确选择螺旋输送器的几何形状是非常重要的。通过改变螺杆的几何形状，可以实现材料的均匀性和减少材料的分离，并在螺杆上焊接几个附加的元素。
螺旋输送机经常用于从筒仓或罐中取出粉状或颗粒状物料，并将其输送到混合器中。为了获得同类产品，必须对所有单独的颗粒进行彻底的混合。在混合过程被执行之前，使用某种类型的辅助混合机进行一些预混操作是一种常见的做法。许多类型的混合器，都是用来做这个动作的，主要是反螺杆类型，以及最近在工业中使用的特殊的叶片混合机。
图1静态混合器工业应用程序的示意图(1)筒仓(2)螺杆式预混料，(3)料斗(4)主搅拌器。
图1显示了用于辅助混合作用的螺杆输送器的典型工业应用。改进的螺旋输送器用来将粉末或颗粒从筒仓中移出，再将其输送到料斗，然后输送到主搅拌器。在混合过程进行之前，利用在运输过程中螺杆混合机的几何形状特性进行预混操作。
本文的主要思想是分析螺旋输送机的运输过程，并在材料进入主搅拌器之前，对螺纹叶片的改进几何形状进行评估。螺旋输送器的容积充填水平取决于许多加工参数，并存在改进预混工艺的可能性。通过在螺旋体的边缘，在相同或相反的方向上，插入一个或多个螺旋或螺旋条或者插入一条或多条螺旋线，可延长运输路径。特定粒子的速度显著增加，混合的可能性也提高了(考虑到距离的距离要长得多)。
通过这种方式，螺旋输送器可以被视为运输工具，同时也可以作为连续的预混料设备。采用DEM分析方法对预混过程和颗粒运输过程，在螺旋几何条件下的变化对其影响的影响进行了研究，目的是保持物料的流动不被破坏。摘要介绍了在预混合过程中特定粒子的轨迹，并分析了其对粒子轨迹、持续时间和混合过程质量的影响。所有数值模拟都经过适当的实验结果验证。使用已知的相对标准偏差(RSD)标准对混合过程的质量进行了分析。
2．材料和方法
2.1 实验方法
在散装材料运输过程中安装了15个螺旋输送机，并测试了混合能力。五种改良的螺杆运输器和每一种改良的螺杆式输送机的长度均为400、600或800毫米。所有在实验中使用的螺旋运输器是由透明的树脂玻璃制成的。每一项试验都采用不同类型的改良螺杆输送器，以及不同长度的转运体。上入口分为两个隔间，有一个挡板和一个移动面板。由沸石制成的球形颗粒被放置在两个隔间中，第一个隔间的红色颗粒和第二个隔间的蓝色颗粒。表1给出了颗粒的特性和参数的参数，并在表2中打印了修改后的螺旋输送特性。
接下来，我们考虑了15种不同的代表性案例(5种不同的螺旋输送机和3种不同长度的螺杆运输器)。结果表明，该数值计算结果与实验结果吻合较好，比较了混合过程的质量，对RSD标准进行了比较。每一项实验都重复了6次，实验的结果都很均衡。
2.2 模型描述
在DEM模型定义中，每一个粒子的运动都是由粒子和粒子之间的运动所组成的，它模拟了每一个粒子的运动，并模拟了粒子与壁之间的碰撞。在这种情况下,由于螺旋输送机的几何形状，粒子与墙之间的相互作用非常复杂。螺旋输送机近似于螺旋，当两个表面相交时，有几个表面和边缘。这种螺旋结构的复杂几何结构在建模中是最大的困难，稍后将会在本文中讨论。螺旋输送器的边界几何结构是用CAD构建的，并将其作为一个小的三角形面网（IGES文件）导入到DEM中。这提供了无限的灵活性，可以指定三维的几何形状，粒子之间的相互作用.这些粒子近似于球体，直径为4毫米(也就是小的三角形表面)。
在DEM中设定粒子是软的(软粒子的方法)的假设，而粒子是允许重叠的，这一模型的建模技术是基于这种假设的。确定了重叠的数量，而正常的和切向的相对速度决定了碰撞力。碰撞的力是由粒子的重叠程度来表示的，而不是考虑固体的实际变形。正常的力只会产生平移加速度，而切向（或剪切）力则会导致平移和旋转加速度。该模拟被用于跟踪其他粒子和表面的位置和速度，以参考感兴趣的粒子。所有作用于粒子上的力的总和必须在每一步中确定。根据牛顿第二运动定律计算出，作用于粒子的所有力(接触和体)的总和的加速度是由牛顿第二运动定律计算出来的。粒子的速度和位置可以在每一步中计算。通过这种方法，可以在复杂的三维几何图形中模拟颗粒流的动态行为。在运输过程中，考虑到螺旋输送机螺旋结构的几何形状的差异，对每个粒子在运输过程中的轨迹进行了分析。
在螺旋输送机中，散装物料通过装有动态移动叶片的管道输送。摘要研究了五种改性螺旋输送器的流量，并对三种不同的长度进行了分析。通过对悬浮物轨迹的计算，并对预混作用的质量进行了评价，从而对混合性能进行了评价。
由于粒子的变形，两个粒子之间的接触发生在一个有限的区域上，这相当于两个刚体的接触，这两个刚体的接触可以在DEM分析中略微重叠。接触牵引分布在这个区域可以分解为一个组件在接触平面(或切向平面)和一个正常的平面，而评估总力和扭矩作用于粒子与许多几何和物理因素,如形状、材料特性和运动状态的粒子。通常采用简化模型来确定粒子之间的接触所产生的力和扭矩。
根据DEM模型，任何时候粒子的平移和旋转运动，都可以用牛顿运动定律来描述：和
mi、Ii、vi和xi分别是粒子的质量、惯性矩、平动和旋转速度，在粒子上作用的力是普通力Fn,i、剪切力Fs,i和重力mig。
模型中的粒子相互作用最先由沃尔顿、布劳恩和沃尔顿提出。
碰撞的力是由粒子的重叠(a)的程度来表示的，而不是考虑固体的实际变形。
这种方法被称为“软粒子”：方法。法向力(Fn)的大小为
k1和k2是刚度常数，a0是重叠在零的正常力的值。
第二个刚性常数，k2在模型中被取为常数(尽管它可以是影响速度的函数)，它给出了一个恒定的补偿(e):
切向力也由沃尔顿和布劳恩的模型决定，它包括平移和旋转加速度。
切向（或剪切）力的大小是基于上一个步骤的切向滑移量和接触的历史，并且受到摩擦系数的限制，u对uFn。
剪切力(Fs)被定义为:
u是摩擦系数。
这种方法已经被提出，而且它是基于在碰撞过程中粒子与螺旋面之间的重叠的数量。切向面滑动是根据两个球的转动和接触点的相对表面速度计算的，考虑摩擦系数。粒子的剪切力粒子接触仅限于upFn，其中up是摩擦系数。
对于粒子--壁接触，最大剪切力是用uw定义的，它代表了墙的摩擦系数。
这堵墙被定义为螺旋，为了解决粒子墙接触力，必须用适当的数学模型来描述螺旋结构。 粒子--墙接触力的建模方式类似于粒子—粒子根据沃尔顿和布劳恩的方法，前一节描述的粒子力。由于螺旋状结构的性质，螺旋飞行中的接触检测需要模型中最具计算性的操作。
2.3 螺旋模型的描述
为了解决数值描述的问题，需要用适当的几何形状来近似螺旋输送机。螺旋可以被描述为螺旋。柱坐标的参数描述是：
p是螺旋的音高，半径R和h角从x轴到xy平面参考图2。
颗粒与颗粒的中心与螺丝的边缘之间的距离可以定义为:
距离d3的距离必须小于一个粒子的半径R，为了与前进的飞行进行接触。
在DEM中对与实验相同的条件的粒子(粒子的数目、粒子的大小和形状)进行了模拟。
对各种螺旋输送机的配置进行了数值计算。螺杆运输混合器充满了约1万个粒子（5000个红色和5000个蓝色的粒子），而墙是由螺旋输送器的另一端表示的。重力的影响被考虑进去，它代表了把粒子带到底部的力。
图2 螺旋形的螺旋形图的展开图
3结果与讨论
本文研究了改性螺旋输送机几何形状对单粒子运动和粒子轨迹的影响。运用DEM分析方法，探讨了在运输过程中，不同的螺旋几何结构与观测到的粒子的大小和形状的相互影响。分析是从球形粒子进入螺旋输送机的时候开始，轨迹的终点在粒子离开传送器的时刻。并且分析了搅拌磨机单粒子的颗粒轨迹。
摘要分析了轴向方向的粒子轨迹和粒子色散系数，从而预测了可能的分离点。DEM允许我们检查整个过程任何给定粒子的碰撞历史。单个粒子的粒子路径显示了粒子在系统中的大部分时间，并告诉我们在它通过预取设备的过程中，单个粒子的速度和力的信息。 这些信息帮助我们理解粒子的运动和混合通过使用虚拟的追踪粒子。
一维扩散模型用于描述轴向粒子混合,这被认为是一个随机的或随机过程,可以推算,粒子运动的统计规律和没有影响过去运动粒子在其未来的运动。
色散系数D是由爱因斯坦建立的，可以这样写：
在这里，Dx2是指在时间间隔中考虑的平均轴向位移。粒子的运动被跟踪，考虑到数据的每一个数据点作为起始点，然后在时间t后发现粒子的轴向位移。
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