英语原文共 10 页
部分充填卧式螺旋输送机颗粒输送的DEM研究
L. Oreficea, J.G. Khinasta, b, *
制药工程研究中心(RCPE)GMBH，Graz 8010，奥地利bGraz工业大学，工艺和粒子工程学院，Graz 8010， 奥地利
文章信息
文章历史：2016年5月13日收到修订表格2016年9月11日接受2016年9月26日在线提供2016年9月29日
关键词：螺旋输送机离散单元法卷 体积流率
理论
建立了卧式螺旋输送机的离散单元方法模型，并应用该模型对颗粒物料的体积流量进行了研究。作为两个操作参数的函数，对生产量进行了监视。 传动参数：输送机的灌装水平和螺杆的转速。对于一个稳定的流动，它的速度足够慢，以避免粒子离心，体积吞吐量是线性比例的。 螺旋速度。然而，相对填充水平的依赖是非线性的.颗粒通过旋转的叶片横向提升，通常被限制在一边，在旋转的叶片之间。有轴和套管。但是，如果颗粒水平足够高，粒子就会从中间轴跳到前一个螺纹(原来的螺纹后面)，从而降低生产量。这两种主要影响对轴的左右两面的颗粒水平以及相对于螺杆表面和几何形状的相对速度都有很大的影响。我们的摘要研究了颗粒体积流量与相对轴向尺寸的关系，以及颗粒与壁间摩擦系数对相对轴尺寸的影响。设备的效率。数值计算结果可用于根据传动轴的相对尺寸确定最佳运行参数，以最大限度地提高输送效率。
2016年由Elsevier B.V.出版。
- 介绍
螺旋输送机是运输物料的简单机械装置。机械部件由外壳(一般为圆柱形)和内部旋转的螺旋面(螺钉)组成。根据需要运输的材料，刀片可以缠绕在圆柱形轴上(通常是这种情况)，也可以有多个螺纹[1]转动速度 所述旋转叶片可改变以达到所需的材料吞吐量。如有必要，输送机可以保持水平或倾斜，以任何期望的角度，这对后混合影响[2]螺旋输送机在工业中被广泛应用于固体或半固体颗粒材料的运输，其应用范围从进料装置(通常来自填充料斗[3，4])。 举升装置，如谷物螺旋[5-7]和水提泵。此外，在运输过程中，物料可以脱水或干燥.尽管机械简单，粒子的物理 螺旋输送机内部的输送并不简单。由于依赖关系，在许多工业过程中，进料(通常是用螺旋进料)通常被认为是一个瓶颈。 流量(以千克/小时计)对材料性能(和加工历史)以及操作和设计参数不清楚。此外，要实现非脉动是很困难的。 在脉动中运输，特别是在低吞吐量的情况下。为了更好地了解这一过程，进行了许多研究。关于螺旋输送的第一批开拓性研究[5] ORS处理由斜螺丝钉垂直从料斗中拖出的颗粒的体积流量，以及后者的倾角和速度如何影响d的体积效率。 逃避。螺旋叶片边缘与圆柱输送机之间的径向间隙不仅会影响体积吞吐量，还会导致输送过程中的粮食损坏。 参考文献。[8].在参考文献中，对输送的粒状物质的运动进行了分析。[6]螺旋旋转所继承的颗粒流动与后者的形状有关。 由于螺旋进给器通常是从填充螺旋器中拖动物料，现有的部分文献研究了螺旋输送机从这些装置中的阻力，目的是将螺旋设计与螺杆的设计联系起来。 阻力均匀性[3，4，9]进给过程中的功率消耗也是设计过程中的重要制约因素，因此有必要对转矩要求和相关功率进行研究。 消耗，作为不同的工艺条件和螺杆速度的函数[5，7，10]。随着计算机的发展和计算能力的相应提高，输送过程也随之发生了变化。 对火炮进行建模和数值研究，主要采用离散元法(DEM)建模[11]。参考文献就是一个例子。
RC螺杆套管半径[cm]
R S螺杆轴半径[cm]
RB螺杆刃半径[cm]
L螺钉总长度[cm]l螺距长度
[cm]n个螺纹匝数[·]
d螺旋叶片厚度[cm] ]
QS重标度轴半径[·]
rP粒子平均半径[cm]
v粒子平均速度[cm/s]
Y粒子杨氏模量[MPa]
mPoisson粒子泊松比[·]
l PP颗粒-颗粒摩擦 n系数[·]
l PC颗粒输送部件摩擦系数[·]
l CC输送机部件对部件摩擦系数
[·]4螺杆初始填充水平[·]
y螺旋旋转 速度[rpm]
V·输送机体积吞吐量[cm3/s]
V·输送机平均体积吞吐量[cm3/s]
V·max最大运输机平均体积吞吐量[cm3/s]
hl/R左/右重标度粒子水平[·]
c 机组人员螺旋角[rad]
vx/y/z x/y/z-颗粒速度的分量[cm/s]
vr粒子速度的径向分量 曲面[·]
ncirc;x/yx/y-螺旋叶片表面相对于minus;y半轴[rad]
r点距螺旋轴[c]
0角的法向分量 侧围区和花后区之间的M]
C阈值常数[·]co
[2]，对螺旋输送机的性能进行了系统的研究。 不同的螺杆倾角、速度和充填水平。最近的数值研究也集中在螺杆设计上，通过研究颗粒扩散是如何影响颗粒混合的[12]。 在螺杆中加入辅助螺旋。最后，颗粒性质在进料过程中起着核心作用，尤其是粘合材料在可控硅移动时会造成实际的并发症。 喂料由于其低的流动性和倾向于拱和堵塞。有关这一课题的数值研究见参考文献。[13，14]。我们的研究目的是用数值方法来研究这一问题。 部分填充水平螺旋输送机的Me流量(流量)和体积吞吐量效率，重点研究了颗粒流动特性的变化及其对输送的影响。 过程. 特别是对旋转螺杆中颗粒流动力学的研究。利用DEM对卧式螺旋给料机的系统仿真数据，对其体积节流进行了研究。 密封在螺旋输送机中的球形颗粒。通过改变两种主要操作条件(螺杆转速和颗粒填充水平)，我们考察了颗粒的流动情况。受到螺杆轴相对于螺杆壳体的尺寸和颗粒与进料器的机械部件之间的相对摩擦的影响。简而言之，在转发期间或 在螺杆中流动的粒子不断雪崩。这些雪崩的方向和轮廓是由输送机的几何形状和颗粒摩擦以及相互作用决定的。 颗粒填充水平。在防止颗粒离心的螺杆速度下，随着填充水平的增加，颗粒被螺旋叶片提起并推到一边。 叶片的表面几何[6]。在一定的填充比下，提升和推开的颗粒可以保持在中间轴和输送机的外圆柱形壁之间。这些动力学现象，以下简称“侧限”，负责一种高效的物质运输。然而，在较高的填充比下，颗粒在前进时上升，可能是超过中间轴进入下一个螺纹的螺丝。这些动力学，被称为粒子“回流”，在一定的填充阈值之后变得系统化，降低了设备的质量吞吐量。更好地理解这些过程可以帮助优化螺旋输送机的充填水平，并可能导致更高的运输效率。因此，它可以在 适用这些工艺条件的工业部门。
- 模型细节
这些数据是通过一个无限长的封闭螺旋输送机的DEM模拟来收集的。螺旋叶片被模拟成一个半径为Rb=1.75cm，厚度d=0.5cm的螺旋面。 音高长度为1=3厘米。螺钉总长度为L=15 cm，整体n=5次。在轴向施加了周期边界条件，有效地产生了无穷大的边界条件。 长长的传送带。螺钉轴和套管为沿z轴中心的同心圆柱，半径RS=0.95cm，RC=1.95cm。因此，在sc之间有一个很大的间隙。 为了避免太高的剪切率。螺杆原理图如图1所示。在我们的模拟中，螺旋输送机部件的建模是用立体图三角法进行的。 方法(STL)，几何采取科马雷克B050H卧式实验室压力输送机[15]。将粒子模拟为均匀分布半径rp=0.1cmplusmn;10%的球体，w 软管的相互作用遵循Hertzian弹簧罐模型，杨氏模量Y=5 MPa，泊松比mPoisson=0.45(大致相当于橡皮球)。每隔0.05秒一次该部分的快照。 取圆柱形位置和速度。摩擦系数分别设为LPP=0.5和LPC=0.25。本研究所使用的模拟 Re使用开源DEM粒子模拟代码LIGGGHTS[16]执行。在每一次模拟中，粒子被加载到输送器中，直至满载，并允许使用 重力作用（指向负y轴）。接下来，根据期望的填充水平4(参见图3)。2)移除颗粒并将螺钉设置为运动。螺杆旋转VE 细胞密度在27~48 rpm之间，低到足以防止粒子离心。填充水平被定义为一个无量纲参数，取决于螺杆套管半径为
其中y是输送机内颗粒顶层的高度。因此，minus;1lt;elt;1的定义。所分析的填充率在满载能力的5%至100%之间。 n常数增量
图1.螺旋输送机原理图。前视图a)：外部实心线代表螺杆套管(RC=1.95cm)，而凸起的则代表螺杆刀片的边缘(Rb=1.75cm)。内固体l InES代表模拟中使用的3种不同的螺旋轴：黑色(RS=0.95 cm)、蓝色(RS=1.15 cm)和红色(RS=0.75 cm)。刀片部分被省略了。 为了清晰起见。侧面视图b)：圆点虚线表示螺旋旋转轴，而内部实心线代表3种不同的轴(如a)。
在随后的模拟运行中占5%。当系统达到10秒的稳定状态时，数据收集就开始了.收集了三组数据：粒子平均速度v，粒子水平 螺旋轴HL和HR(图3A)和平均体积吞吐量V·。粒子的平均速度是每0.5秒获得一次粒子总速度的时间平均值(即超过10个快照)。 ).为了计算粒子水平，传送带沿其轴线分为75个部分，每一段2rp=2mm，计算出t的左右两面的最高粒子位置。 他拧轴。随后，计算了平均最大高度，并每隔0.5秒(与粒子速度相同的时间平均值)将输送机左右两侧的平均高度平均到g。 我和人力资源部(见图3A)。在螺杆完全填充的基础上，将颗粒高度级重刻度到无量纲坐标系。最后，平均体积吞吐量V·(4，y)为EV。 通过计算穿过系统五个轴向截面的颗粒的平均体积，确定一个螺纹的长度(图3B)，然后在时间上进行平均。
Fi图2.输送带中粒子的快照：垂直于旋转轴的平面上的投影(z=0厘米)，旋转是按时钟方向旋转的。顶部排：颗粒在装载、沉降后的位置 4种充盈率(从左至右：A1)为20%，a2为40%，A3为60%，A4为80%)。颜色表示粒子的半径，RP，均匀分布在1mm左右。下排：粒子位置i n在t=2.0s的螺旋运动后相同的系统(y=48 rpm)。根据粒子的径向速度VR对粒子进行着色。限制在一侧的粒子在b2和b3)，wh中清晰可见。 背向流动的粒子显然是明显的情况(B3)和b4)。为了清楚起见，
省略了螺旋输送机的机械部件。
图3.系统的快照在t=2.0s的填充水平4=minus;0.1和螺旋速度y=48 rpm，颗粒颜色根据大小。流动方向为正z半轴。(A)公共关系 x-y平面上的射影。虚线代表粒子的高度等级，点虚线代表粒子的初始水平。b)在传送带的一段y-z平面上的投影 r.虚线之间的距离代表一个螺纹的长度。对于粒子的级别评估，为了更好地分辨顶层，这些线程中的每一个被划分为int。 15片。(C)包括进给螺杆元件在内的前一段的三维视图。(B)和(C)都是关于y-z平面的镜像，使粒子从左向右流动。
3.结果
3.1.颗粒体积流量
我们期望体积流量(流量)与螺杆速度和填充水平成正比。因为本文所研究的速度机制 r相对较低(为了防止颗粒在输送机内离心)，我们预计颗粒吞吐量与螺杆速度之间的关系为线性[17]，即V·(e，y) prop;y.此外，无论是“颗粒侧围”还是“回流”，都不会在低填料中发挥任何作用，因为只有当颗粒高度大致在竖井处时，这些效应才会发生。 水平。围流和回流有不同的充填阈值，前者发生在后者之前.在高填料时，我们期望颗粒的回流接近恒定值。 由于颗粒的水平在螺旋轴上方是恒定的。同样，在较高的4，边限制应该消失，因为跳跃的粒子应该填充在传送带的右侧。乌辛普 考虑到吞吐量对填充的非线性依赖：v·(e，y)prop;f(e)。图4显示了不同角度的天鹅绒的体积吞吐量随填充水平的变化而变化。 螺丝钉。令人惊讶的是，当4接近轴的顶部边缘时，吞吐量显示出所有旋转速率的最大值和最小值。造成这种情况的原因是f 变亮：传送带左侧的颗粒层沿螺旋轴不均匀，在螺旋叶片附近有一个峰值，螺旋叶片会不断地提升颗粒(见图3B和图c)。 ).由于这种不均匀性，粒子在轴上的跳跃距离仅为长度的一小部分，而不是整个长度，为此，要求粒子级为Constan。 高于轴顶边缘水平QS=RS/RC=0.49。因此，当反流沿整个长度工作时，我们期望达到最小的体积吞吐量，这是在 充填水平与井顶水平相吻合，即e=QS。当填充比高于此阈值时，回流对体积吞吐量的贡献变得恒定。相对应 AST，较高的填充比意味着更高的吞吐量对任何给定的螺旋速度。因此，我们观察到egt;QS的吞吐量有所增加。请注意，在饥饿喂养的传送带中，体积通过。 UT是常数，对应于一条水平线。因此，在一定的吞吐量范围内，可能会实现不同的填充比，因为水平线有三个交叉口，即低、中、低三个交叉口。 三介质和高填充水平。这种现象被称为多重性，并可能对材料的控制和加工产生重大影响[18]。
图4.平均体积吞吐量作为一个函数的灌装水平在不同的螺杆速度。实心垂直线表示轴的顶部边缘位置；点虚线是螺旋轴.
3.2.为了验证这一假设，在Rplusmn;S=RSplusmn;2RP(相对比分别为0.59和0.38)的情况下，对两组轴径进行了相同的模拟。 )，即一个比初始轴大或小的平均颗粒直径。与螺旋角速度有关的体积通量标准化如图5所示。可归因曲线 对于相同的井筒尺寸塌陷为一，表明体积吞吐量与y成线性关系的假设。此外，还证实了重标度的qs是一个临界p。 用于确定
资料编号：[4936]
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