摘 要

随着我国经济发展，散体货物的运输已成为制约生产水平的瓶颈之一。而散体货物的运输主要依靠各种连续输送机机械，其中螺旋输送机在各种连续输送机械中承担了巨大的作用。如今，螺旋输送机已经成为衡量现代机械化流水作业水平的标志之一。螺旋输送机在提高我国工业机械化和劳动生产率发挥了巨大的作用，提高螺旋输送机的输送效率，降低其能源消耗就显得尤为重要。

本文对螺旋输送机进行三维模型的建立，并对螺旋输送机输送过程中颗粒在料槽中的运动进行了仿真分析。采用LS315型螺旋输送机作为实验载体，使用SolidWorks对螺旋输送机进行三维模型建立，并将简化后的模型导入EDEM中。随后在EDEM中对水平螺旋输送机的输送过程进行仿真模拟，再对仿真结果进行分析，具体分析了颗粒在螺旋输送过程中的质量流量、轴向速度、矢量速度等数据。通过分析对比，最后总结出螺旋输送机输送过程中部分参数对输送效率的影响。

最后还对于螺旋输送机的优化进行经济性和环保性的分析总结，符合当下可持续发展的指导战略。对于螺旋输送机的实际应用有一定的参考意义。

关键词：水平螺旋输送机，EDEM，输送效率，离散单元法

Abstract

With the development of Chinese economy, the transportation of bulk cargo has become one of the bottlenecks restricting the production level. The bulk cargo transportation mainly includes bulk transport and containerization transportation. Bulk transport equipment mainly includes: belt conveyor, bucket elevator, screw conveyor, scraper conveyor and so on. Nowadays, the spiral conveyor has become one of the indicators to measure the level of modern mechanized assembly line. The spiral conveyor has played an important role in improving industrial mechanization and labor productivity in China.

In this paper, the three-dimensional model of the screw conveyor is established, and the movement of particles in the material trough during the conveying process of the screw conveyor is simulated and analyzed. Using LS315 screw conveyor as the experimental carrier, SolidWorks was used to build a 3d model of the screw conveyor, and the simplified model was introduced into EDEM. Then in the transport process of horizontal screw conveyor in the EDEM simulation, and analysis of simulation results, the concrete analysis of particle mass flow rate in the process of screw conveyor, the axial speed, vector data, etc. Through analysis and comparison, the effect of some parameters on conveying efficiency of screw conveyor is summarized.

Finally, the optimization of screw conveyor is analyzed and summarized in economy and environmental protection, which is in line with the guiding strategy of sustainable development at present. It has certain reference significance for the practical application of screw conveyor.

Key Words：horizontal screw conveyor；EDEM；transmission efficiency；discrete element simulation

目 录

第一章·绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2螺旋输送机概述 1

1.3国内外研究现状及发展趋势 2

1.3.1国内研究现状 2

1.3.2国外研究现状 3

1.3.3发展趋势 4

1.4课题内容及意义 4

1.4.1课题内容 4

1.4.2课题意义 5

第二章·螺旋输送机设计结构及参数 6

2.1螺旋输送机主要构件 6

2.1.1螺旋体 6

2.1.2料槽 7

2.1.3中间轴承 7

2.2螺旋输送机设计依据 7

2.3螺旋输送机参数确定 7

2.3.1LS型螺旋输送机输送能力 8

2.3.2LS型螺旋输送机的螺旋直径 9

2.3.3LS型螺旋输送机的主轴转速 10

2.3.4螺旋输送机最终选型 11

第三章·模型的建立 12

3.1螺旋输送机仿真模型建立 12

3.1.1自上而下建模方式 12

3.1.2自下而上的建模方式 12

3.1.3建模方式的确定 13

3.2螺旋输送机模型简化 13

第四章·EDEM仿真及结果分析 14

4.1EDEM软件简介 14

4.2EDEM仿真建立 15

4.2.1模型描述 15

4.2实验设计 16

4.3EDEM仿真 16

4.4仿真结果分析 17

4.4.1质量流量分析 18

4.4.2角速度分析 20

4.4.3轴向速度分析 21

4.4.4矢量速度分析 23

第五章·经济性与环保性分析 25

5.1经济性分析 25

5.2环保性分析 25

第六章·总结 27

6.1总结 27

6.2展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第一章·绪论

1.1课题研究背景

经济的发展必然离不开生产力的增长，而如今散体货物的运输能力已成为制约生产力发展的瓶颈之一。其中散体货物的运输方式有散装化运输和集装化运输两种。散装运输是指各种没有外包装的散体物料在各种输送设备中由装货点运输到卸货点的过程。一般情况下，散装运输主要使用斗式提升机、带式输送机、刮板输送机、螺旋输送机等连续输送机械来达到运输的目的。散装化运输的输送方式和设备拥有高效、结构简单、低劳动成本、使用灵活、自动化程度高等优点，在现代物料输送中有着十分重要的地位。散体物料输送机械目前广泛应用于我国各行各业，在化工产业、建材行业、采矿机械、电力系统、农业机械及食品等行业散体输送机械都有广泛应用^[2]。而螺旋输送机的用途主要是输送数量庞大的散货物料，如矿石、煤炭、化肥、粮食等。此外，螺旋输送机在一些大型工业场所也有使用 ^[3]。

如今，螺旋输送机的发展水平已成为衡量现代机械化作业水平的标志之一，螺旋输送机的飞速发展大大提高了我国的工业机械化水平和生产效率，同时也减少了对于人工劳动力的需求 ^[7]。

1.2螺旋输送机概述

螺旋输送机也被称为蜗杆式输送机，其工作原理是利用螺旋叶片的旋转运动、往复运动，推动货物按照预计的轨迹在料槽中运动。螺旋输送机在现代工业生产和散体物料运输中占据了十分重要的地位，螺旋输送机的广泛应用在减轻了人力成本，提高了生产效率，促进了散体物料运输的机械化和自动化 ^[4]。

螺旋输送机可以以需要的速度，使物料沿着预定的轨迹移动。达到物料从装载点到达卸载点的目的，在整个输送过程中可以形成连续或脉动的物料流，但螺旋输送机仍存在局限性，不适用在长距离的输送过程中。

螺旋输送机的输送方向可以分为水平和倾斜两个方向，倾斜的最大角度可以达到90度。主要分为水平螺旋输送机和垂直螺旋输送机^[5]。此外，螺旋输送机可以在输送物料的同时完成对物料的预处理，如混合、压缩等。由于上述特点，螺旋输送机已经广泛应用在重工业和交通运输部门等各行各业^[1]。

1.3国内外研究现状及发展趋势

1.3.1国内研究现状

在新中国成立前，我国的输送机械制造业相对较落后，大部分的机械设备仍需要从国外进口。而在新中国成立后，随着我国经济发展，和对工业制造业的重视，我国的械制造业的发展也开始逐步走上正轨，形成了一套自己特有的发展模式。自改革开放以来，我国的专家学者对国外先进技术的学习，并结合我国基本国情，形成了富有中国特色的螺旋输送机设计制造技术。经过长时间的摸索、学习和研究并对一些具体项目的学习，我国螺旋输送机的设计生产水平有了很大的提升。目前我国已经具备生产各种类型螺旋输送机的能力，生产规模和生产技术水平与世界水平差距越来越小，甚至已经可以达到世界先进水平 ^[6]。

经过长时间的摸索和武汉水运工程学院对水平螺旋输送机的输送过程进行了详细分析，得出填充系数对螺旋输送机输送效率具有主要影响这一结论^[8]。此外，华南理工大学对螺旋输送机对各种不同特性物料的输送过程进行了详细分析，得出了在造纸生产中螺旋输送机的主要技术参数的确定方法，并且可以根据此方法改进传统螺旋输送机，可以设计出符合造纸行业的螺旋输送机^[9]。南昌大学的教授也给出了计算螺旋输送机功率和输送量的相关公式，同时还提出了一种可以改进螺旋输送机叶片耐磨性的方法。武汉理工大学利用各种材料在螺旋输送过程中的不同情况，对螺旋输送机的输送过程进行了详细分析和研究，结合客观规律和实际条件分析验证了螺旋输送机的主要参数对实际输送过程的影响^[10]。

螺旋输送机的主要技术参数也慢慢的得到了改进，并进一步对关键部位零件进行研究、改进、发展，使其强度更大，耐磨性更好，抗疲劳强度更好，综合性能更好使用寿命增加。并在螺旋输送机的驱动方式上进行研发改进，使用以PLC为核心的电控装置对螺旋输送机经行启动和制动，使其控制更灵敏，节约能耗提高安全系数。

基于摩擦理论，洛阳工业高等专科学院对螺旋输送机进行多次实验，推导出了螺旋输送机效率的计算公式，得到了螺旋输送机输送效率最高时的公式。赵红霞和王淑珍运用数学方法计算得到了螺旋输送机输送效率最高的情况下的螺距，并使用最小二乘法对计算公式进行了拟合，得出了最优螺距计算的通用公式。

不仅如此，我国学者专家在螺旋输送机的输送功率方面也做了大量的研究。在一般情况下，按照经验公式计算出的轴功率通常比实际输出的需求功率要低，根据这一点，武汉食品工业学院对螺旋输送机的输送功率进行了详细的分析和研究，总结出一个推荐公式，利用这一公式对各种类型的螺旋输送机进行功率计算，最后的计算结果与实际结果的拟合程度更高，具有更高的参考价值。

螺旋输送机的使用寿命主要取决于螺旋轴的使用寿命，螺旋轴的抗弯扭性能更好，使用寿命高则对于提升整个螺旋输送机的使用寿命有很大的帮助。宋诚生、李延峰等人对螺旋轴的优化设计以及使用寿命的延长做了大量的研究，对受到弯曲和扭转作用的螺旋轴进行了系列化设计，并且对螺旋输送机的疲劳寿命做出了预测，这项研究结果对螺旋输送机的实际应用和寿命预测具有重要的指导意义^[11]。

1.3.2国外研究现状

螺旋输送机在国际上迅速发展，主要体现在以下两点^[19]，第一是在功能上更加全面，在应用上更加广泛。目前螺旋输送机的种类种类繁多，各自特点不同，适用场合也不尽相同，各种机型的应用与推广，使得螺旋输送机在空间上可以满足更加复杂的情况，也有了更广泛的应用；第二是螺旋输送机的辅助技术和设备的结构有了更好的发展，特别是可以承担大运量、长距离输送任务的大型螺旋输送机是目前各国专家学者主要的研究方向。辅助技术则是指动态分析软件，对螺旋输送机经行实时的监控，实现智能化控制。这项技术的发展对螺旋输送机的整体性能监控和安全性的提高有巨大帮助^[18]。

各行业机械设备的发展是科学技术和机械制造技术进步所产生的必然结果。目前国际上的螺旋输送机主要有以下几个特点^[20]：设备大型化、机电一体化、多电机驱动与中间驱动以及新型可靠的元部件。机械设备大型化是指设备能够满足高产量高效率的生产需要。机电一体化是指利用现代计算机技术对设备经行监管和控制，保障设备良好的运行性能，提高运输效率。多机驱动和中间驱动可以突破原本单机驱动在运行长度上的限制，使的设备能够满足更多的输送环境。新型可靠的元部件技术则是可以提高螺旋输送机的新能，从而达到提高运输能力和生产效率的目的^[19]。

1.3.3发展趋势

螺旋输送机的广泛应用，减轻了劳动强度，提高了生产效率，实现了物料输送过程的机械化和自动化。根据目前我国螺旋输送机的发展趋势以及国外研究成果综合分析来看，螺旋输送机未来的发展方向分为以下几点^[12]：

（1）提高输送量、输送速度、延长使用寿命。这是螺旋输送机的主要发展方向，也是大部分工业机械的主要发展方向。拥有更高的输送量和输送速度必然会提高生产效率，减少时间成本。延长使用寿命则是对螺旋输送机零部件的质量有着更高的要求。

（2）降能源消耗。螺旋输送机在输送过程中由于各种原因必然会出现能源的损耗和浪费，摩擦阻力的能源消耗占据了主要地位，这也是导致螺旋输送机输送效率比较低的主要原因。降低能源消耗主要就是要降低摩擦过程中的能源消耗。

（3）智能化监控。随着计算机技术的飞速发展，螺旋输送机的每一步都可以向智能化靠近，实现智能化监控调节。在输送过程中对物料状态的监控以及对设备状态的监控都可以通过程序控制、智能操作来实现计算机管理，提高管理效率，减少人力成本。

（4）增强辅助功能。螺旋输送机虽然可以在物料输送的同时进行预处理，但处理效果一般，仍然有提升空间。另外在低温、高温、腐蚀性、放射性等恶劣条件下的运输性能仍然有待加强。

（5）绿色、环保设计。如今，工业发展必然会造成或多或少的环境影响，但随着人们的环保意识加强，绿色环保的机械设备是社会发展的必然结果。

1.4课题内容及意义

1.4.1课题内容

本文主要针对水平螺旋输送机对大豆颗粒的输送过程进行研究，利用SolidWorks对螺旋输送机进行模型的建立，再将其导入EDEM中，利用EDEM软件生成大豆颗粒模型，模拟大豆颗粒在螺旋输送机中的输送过程。研究了不同填充系数下颗粒的流动性和输送效率等因素，并对仿真结果经行分析对比。总结颗粒在螺旋输送机中运动的规律。

1.4.2课题意义

国民经济的快速增长，使得螺旋输送机在各行业中应用日益广泛。提高螺旋输送机的输送效率可以大大提高生产效率，降低劳动成本，减轻劳动力。本次文通过EDEM对不同螺旋转速下螺旋输送机输送过程进行分析对比，总结出速度参数对于螺旋输送机输送效率的影响规律。为今后螺旋输送机的发展和实际应用有一定的参考意义。

第二章·螺旋输送机设计结构及参数

2.1螺旋输送机主要构件

水平螺旋输送机主要结构如图2.1所示。

图2.1 水平螺旋输送机

1-螺旋轴；2-料槽；3-中间轴承；4-末端轴承；

5-首端轴承；6-加料口及漏斗；7-中间加料口；

8-中间卸料口；9-首端卸料口；10-驱动装置。

由于物料在料槽中运动时可以只考虑螺旋体、料槽以及中间轴承的作用，因此只着重讨论这三个构件的作用以及特点，简化仿真模型以及过程。

2.1.1螺旋体

螺旋体主要由螺旋叶片和螺旋轴组成，螺旋叶片是螺旋体中最重要的组成部分。螺旋叶片根据外形可以分为浆式、带式、齿式、满面式等。每种螺旋叶片的形状不同则特点不同，适用场合也不同。桨式螺旋叶片主要用来输送潮湿、水分高和易挤成块的物料；带式螺旋叶片适用于输送颗粒大、黏性小易结成块的物料；齿式螺旋叶片适用于输送粘性大、容易变形以及腐蚀性强的物料；满面式螺旋叶片常用于输送散落性好、干燥的粒状、粉状的物料。

螺旋轴对螺旋叶片起支撑固定作用，在轴两端有短轴和轴承支撑，再通过电动机和减速箱带动其做旋转运动，使物料在螺旋叶片的推力下沿轴向运动。螺旋轴的性能好坏决定了整个螺旋输送机的整体性能。对于不同的输送环境可以选择不同的材料，碳素钢、合金钢、不锈钢、高分子聚合物等都可以作为螺旋轴的材料。综合材料的性能和成本，用碳素钢制作的空心轴结构性价比最高。这种结构在满足螺旋轴的基本强度刚度性能的同时还有成本低廉、自重轻的优点^[13]。

2.1.2料槽

料槽一般由薄钢板经过冲压成型，分为圆形和U型两种外形。料槽和螺旋叶片之间会存在间隙使物料通过，间隙的宽度主要由螺旋直径以及物料的特性共同决定。

2.1.3中间轴承

中间轴承是将长距螺旋输送机的螺旋轴链接支撑在一起的重要零件之一，中间轴承的使用增加了螺旋输送机的输送距离。但在螺旋输送机的结构中，中间轴承的装配，会导致螺旋叶片的螺旋面在中间轴承处形成断面间断的现象，从而使物料在此处的通过面积减小，叶片对于物料的推力减小，容易发生堵塞现象。中间轴承的结构合理性对于螺旋输送机的稳定性和输送效率都是至关重要的作用。

2.2螺旋输送机设计依据

目前，在我国普及率较高的螺旋输送机主要是LS型螺旋输送机和GX型螺旋输送机。LS型螺旋输送机相比于GX型螺旋输送机功能更全面，性能更好。

螺旋输送机的结构设计主要依据物料的特性、输送能力、工作环境以及输送距离来决定的。物料的堆积重度、物料颗粒度和最大块度、物料湿度、摩擦系数、磨损性等都是螺旋输送机设计中必须考虑的物料特性^[6]。输送能力则要求物料产生稳定的物料流时的输送量，应结合实际经济状况与需求，不能一味的增大螺旋输送机的设计运输量，这会产生资源浪费和成本提高的后果。此外，螺旋输送机的工作环境也是十分重要的设计标准，露天或室内、移动或固定、环保性要求等都是必须考虑的。最后螺旋输送机的输送距离则取决于螺旋轴或者驱动端轴节的最大有效扭矩^[14]。

2.3螺旋输送机参数确定

本此实验采用LS螺旋输送机作为颗粒的运动载体进行仿真分析。

2.3.1LS型螺旋输送机输送能力

LS型螺旋输送机的输送量可以根据下式进行计算^[1]：