摘 要

螺旋输送机是现代工农业生成中不可或缺的散体物料连续运输设备，在化工产业、粮食产业、矿石产业，尤其是在散货码头的运输作业中承担着至关重要的角色。随着全球经济一体化，世界散货化运输的高速发展，螺旋卸船机因其性能优良、环保节能等许多有点，得以在各大港口广泛应用。作为螺旋卸船机的核心组成部件，垂直螺旋输送机更是学者工 程师们研究的重点。

本文以螺旋卸船机的垂直螺旋部分为研究对象，从设计计算和离散元仿真两个方面出发，对垂直螺旋输送机的输送机理和取料能力进行了深入的研究。首先，本文介绍了螺旋输送机的主要特点和国内外研究现状，并根据已有设计计算基础理论结合生产要求对垂直螺旋输送机完成了参数结构设计。并在离散元仿真之前，通过堆积角和堆积密度仿真实验对垂直螺旋输送机的仿真参数进行了校正，结合已有文献，以谋求仿真情况的最大真实性。然后以离散单元法为基础理论，结合离散单元分析软件EDEM,对垂直螺旋输送机的取料输送过程进行仿真和分析。

本次设计与传统设计方式相比，运用了EDEM软件对螺旋输送机的取料和输送过程进行了仿真，研究了螺旋输送机设计参数对输送性能的影响，通过多组变参数对比仿真，得出了进料口布置对输送性能的影响关系，并根据分析结果对螺旋输送机的结构参数进行了优化设计，打破了传统设计方式的局限性。

关键词：垂直螺旋输送、离散元仿真、进料口布置

Abstract

Screw conveyor is an indispensable continuous transportation equipment for bulk materials in modern industrial and agricultural production. It plays a vital role in the chemical industry, grain industry, ore industry, especially in bulk cargo terminals.With the global economic integration and the rapid development of the world's bulk cargo transportation, the screw unloader has been widely used in major ports due to its excellent performance, environmental protection and energy saving.As the core component of the screw ship unloader, the vertical screw conveyor is the focus of scholars' engineers.

In this dissertation, the vertical spiral part of the screw unloader is taken as the research object. From the two aspects of design calculation and discrete element simulation, the conveying mechanism and the reclaiming capacity of the vertical screw conveyor are deeply studied.First of all, this dissertation introduces the main characteristics of the screw conveyor and the research status at home and abroad, and completes the parameter structure design for the vertical screw conveyor according to the existing design calculation basic theory combined with the production requirements.Before the discrete element simulation, the simulation parameters of the vertical screw conveyor were corrected by the stacking angle and bulk density simulation experiments, and the existing literature was used to find the maximum authenticity of the simulation.Then based on the discrete element method and combined with the discrete unit analysis software EDEM, the reclaiming and conveying process of the vertical screw conveyor is simulated and analyzed.

Compared with the traditional design method, this design uses EDEM software to simulate the feeding and conveying process of the screw conveyor. The influence of the design parameters of the screw conveyor on the conveying performance is studied. The influence of the inlet arrangement on the conveying performance is derived, and the structural parameters of the screw conveyor are optimized according to the analysis results, which breaks the limitation of the traditional design method.

Key words: vertical spiral conveying, discrete element simulation, feed port layout

目录

第1章 绪论 1

1.1螺旋输送机概述 1

1.2螺旋输送机的主要特点 1

1.4国内外研究现状 1

1.5研究内容意义及技术路线 2

第2章 垂直螺旋输送机设计计算 4

2.1技术要求 4

2.2主要参数设计机算 4

2.3驱动装置选型 8

2.4本章小结 9

第3章 离散单元法理论以及EDEM软件简介 10

3.1离散单元法简介 10

3.2离散单元法的基础理论 11

3.3EDEM软件简介 11

第4章 电煤颗粒的离散元仿真参数的校正 14

4.1实验目的及意义 14

4.2堆积角仿真 14

4.3堆积密度仿真 18

4.4仿真数据分析与结论 21

4.5本章小结 22

第5章 EDEM离散元仿真 23

5.1颗粒模型的选取和颗粒尺寸 23

5.2仿真参数的设置 23

5.3离散元模型的建立 24

5.4仿真过程 25

5.5仿真结果分析 27

5.6本章小结 28

第6章 经济性与环境影响分析 29

第7章 总结与展望 30

7.1全文总结 30

7.2展望 30

参考文献 31

致谢 32

绪论

1.1螺旋输送机概述

螺旋输送机是一种无挠性牵引构件的连续输送设备^[2]。结构简单紧凑而且经济环保，适用于输送块状、颗粒状、以及粘性不大的散粉状物料，故在农业领域和工业领域中得以广泛的应用。螺旋输送机不仅可以用于中短距离输送谷物、矿产品、水泥、化学药品、纸浆、等众物料，还可以在输送过程中对物料进行多种处理，如：飞灰处理、除臭过滤、加热冷却处理。还可以用于码头、工厂等地运输各种成件产品。

螺旋输送机一般由电机、减速机、联轴器、前端支座、中间支座、尾端支座、壳体、入料口、卸料口、螺旋轴组成，当螺旋输送机较长时将由多段壳体、多段螺旋轴组成，并且在中间会设置若干个吊轴承作支撑，一般设置吊轴承的间距为 3 ～ 4m，也可以根据挠度设计计算确定设置间距，吊轴承应尽量少设置，因为在吊轴承处容易发生物料阻塞现象。壳体一般选用厚度不小于 4mm 钢板或是钢管制成^[2]。

1.2螺旋输送机的主要特点

在工程运用中螺旋输送机的优点概括如下：1）结构紧凑，经济性高；2）作业稳定，维护方便；3）进料和卸料口可根据实际情况多点布置；4）整个输送过程为密封输送，噪声和扬尘小、环境污染较低；5）料槽刚性较好，承载能力强^[3]；6）在传输过程可对物料进行预处理。

难以回避的是，螺旋输送机也有一些缺点：1）高能耗，机械效率不高；2）输送距离受限，小于30m；3）由于物料和螺旋输送机间的摩擦力很大，易造成颗粒的破损和叶片的损坏。

1.4国内外研究现状

1.4.1螺旋输送机的发展趋势

结合近年来运输机械制造行业的研究成果和工程应用实际情况，螺旋输送机的发展趋势可概括如下：1）为扩大产品的使用范围，输送机的辅助功能方面增强，将螺旋输送的范围扩充到粘性大、大块的散粒物料；2）优化产品设计，参数达到最佳匹配，降低设备能耗，在提高产品效率的同时，更加注重对环境的影响；3）开发新的设备，最求智能化控制，同时提高产品的适应性和互换性；4）组合复合化、大型化，以满足大宗散货运输量的急剧增长

1.4.2国内外研究现状

作为工业革命的发源地，西方国家的理论研究和产品设计是先于国内的。目前以瑞典西沃特尔（Siwertell）公司、瑞士 Carlsen 公司、意大利 VAM 公司、德国 IBAU 公司等为代表一批优秀公司，已经在螺旋输送的大运量长距离输送、大倾角布置、低能耗运行、智能化控制等方面取得突破^[5]。并提出了螺旋卸船机系统的概念，将水平、垂直、倾斜输送相结合，以满足日益增长的卸船能力要求。

在仿真研究方面，根据现有的文献得知，Chris Rorres等人研究了机器本身的结构参数对输送性能的影响^[6-8]，Jigar Patel等结合离散单元法在散体物料输送仿真的研究现状，提出了未来有限元法能替代DEM法成为新的一种散粒物料在输送机内动态观察和分析的方法^[9]。这些研究成果的出现，这主要得益于国外学者们在散体力学投入了大量的精力与时间，特别是在离散单元法方面的研究。

设自新中国成立以来，我国逐渐建立起较为完备的工业体系，时至今日，已取得跨越式的发展。输送机械制造行业在几代人的努力下，经过国外先进技术引进和自身改革创新，也慢慢追上了西方发达国家的脚步并取得了长足的发展。作为工程中常见的连续运输设备，螺旋输送机的研究成果颇多。

仿真研究方面：就国内而言，许多学者做过螺旋输送动态监控方面的研究工作。孟文俊等对垂直螺旋输送机内散体物料的分布情况进行分析，表明机器内散体物料可视为非牛顿流体，利用 FLUENT软件对垂直螺旋输送机输送过程进行模拟仿真，得到物料在其内运动的密度分布规律^[10]。

结构设计方面：国内很多学者，研究分析了大量不同结构参数不同的螺旋输送设备。解决了许多工程实际问题，如螺旋输送机的堵塞、物料破损、能耗高等问题；并通过理论分析和模拟仿真对产品设计进行了参数的优化。

1.5研究内容意义及技术路线

1.5.1研究内容意义

通过大量文献阅读，掌握螺旋输送机的主要结构参数和工作机理。同时了解相关研究的发展趋势和国内外研究现状来指导本次设计。通过本次毕业设计，能够对垂直螺旋运输机有个全面的认识，对运输机的物料运输特性及其进料口的布置等都有了全面的认识，对垂直螺旋运输机的设计研究背景有较深的了解，通过总结已有产品的优缺点以及参数的设计调整，设计出一种方案更优的垂直螺旋输送机并确定进料口的布置方案。独立完成从理论分析计算到概念设计，最后到结构设计、三维建模、物料离散元仿真等工作。本次设计工作，是一个学以致用的机会，将书本理论与实际工程应用相结合的过程，同时对专业相关软件应用能力也得以锻炼。

先根据连续运输机设计手册，按生产技术要求，完成垂直螺旋输送机的参数设计和机构设计。在了解离散单元法理论的前提下，结合已有文献，通过不同参数的电煤颗粒仿真参数校正实验来确立与真实情况相符的参数组合，并以此为校正参数建立螺旋输送机的离散元模型，对其取料以及输料过程进行模拟仿真。通过仿真结果的分析，探究进料口布置、取料器转速与螺旋输送机输送性能之间的关系；并以此来指导设计计算环节，对产品进行参数和结构的优化，同时对实际工程应用也具有一定的参考价值。

1.5.2技术路线

垂直螺旋输送机设计计算

2.1技术要求

原始设计资料如下：

1. 垂直螺旋输送机的生产能力Q=850t/h;
2. 垂直螺旋输送机的垂直输送高度H=10m；
3. 垂直螺旋输送的物料堆积密度ρ=0.85t/m³；
4. 垂直螺旋输送机的工作温度为室温，t≤45℃；
5. 垂直螺旋输送机为绝对垂直，倾角为0°；
6. 被输送物料于螺旋面之间的摩擦系数μ₁=0.2；
7. 被输送物料于机槽管壁之间的摩擦系数μ₂=0.2。

2.2主要参数设计机算

2.2.1螺旋直径

首先根据μ1、μ2以及β1查找图2.1，根据公式（2.1）：