在水平处理稻谷时螺旋输送机功率和吞吐量的分析

Hemad Zareiforoush（第一作者）；Mohammad Hasan Komarizadeh ；Mohammad Reza Alizadeh ；Mahdi Masoomi Urmia大学 机械工程系的农业机械、农业学院

——这项研究是由以下农业工程学院资助的:University of Urmia, Urmia, Iran and Rice Research Institute of Iran (RRII).

摘要：这项研究报告的测试表明了螺旋直径，螺杆间隙和螺旋转速在螺旋输送机水平处理水稻谷粒时对其吞吐量和功率产生了很大的影响。两个直径分别为20和25厘米的双螺旋输送机,在四个螺杆间隙分别为6 ，9，12和15毫米，五个螺旋转速分别为200、300、400、500和600r/min的条件下进行评测。结果显示，对于这两个输送机，随着螺旋转速的提高,吞吐量会逐渐增加达到最大值点，在最大值点后,吞吐量会减小。继续提高螺旋转速，会导致功率需求增加，吞吐量反而减小。输送机的吞吐量和功率会随着螺旋直径的增大而增大(P lt; 0.01指在概率为1%的水平上)，随着螺杆间隙的增大而减小(P lt; 0.01)。

关键词：螺旋输送机、、功率、性能、输送、螺杆间隙、螺旋转速。

1.介绍

螺旋输送机是农产品运输的常用设备。成千上万的便携式螺旋输送机在谷物进出仓的运输或提升中被使用。很多螺旋输送机被作为完整的连续运输系统的组成部分，进而在某些方面上促进了农业机械化。螺旋运输机是一种非常有效输送自由流动或相对自由流动的散装固体的设备，由于结构简单、效率高，成本低和维护容易，能够提供良好的吞吐量控制，也可以很好的处理环境问题。螺旋输送机的直径有75毫米到400毫米不同的规格，长度有比1米短的，也有比30米长的(Athanasiov等人，2006)。螺旋运输机可以作为独立的运输工具，也可以作为收割机、仓储、烘干机等系统，以及物料混匀和分配系统的一部分。螺旋输送机的性能，体现于吞吐量、容积效率和功率需求，受输送机的几何形状和尺寸，材料的性能，输送机的螺旋转速和输送角度等因素影响 (Srivastava 等人， 2006)。

为了节约安装成本并且拥有可靠的性能，系统中的每个部件的体积和功率需求必须准确的考虑。近年来,螺旋运输机的实用价值得到了研究人员的肯定，一些论文如下：

Chang and Steele，(1997)研究了双螺旋输送机进料口的性能特点。Nicolai 等人(2004)确定了螺旋直径为20厘米，25厘米的输送机在运输谷物过程中，当螺旋转速为250 – 1100r/min，倾斜角度为13、20和30度时的容积效率和功率需求。Moysey and Thompson (2005)设计了一种新的单螺旋固体输送机并利用DEM做出一个3 d模型。该模型已被证实是研究固体在螺旋管道内运动现象的最合适的工具。Maleki 等人 (2006)研究了种子分布的均匀性，并设计了多螺旋输送作为谷物计量的装置。Dai and Grace (2008) 在考虑散装固体力学的具体因素下，建立了一个螺旋给料机的扭矩需求的理论模型。Asghari 等人(2008)研究了螺旋转速和空气流量在对甘蔗渣卸料时的影响。

然而，回顾文献显示，目前还没有关于在处理水稻谷物时螺旋输送机的性能研究报告。如今，在水稻收割及收割后的设备中，螺旋输送机被广泛使用。例如，在水稻收割机系统里面，用螺旋输送机把农作物输送到谷物仓,清理谷物仓底部的谷物,接着从谷物箱卸到货车或卡车上。在谷仓和农场里也用输送机来使物料颗粒混合使其分布均匀。此外，Nicolai等人（2006）证实了螺旋输送机的功率需求，最大吞吐量变化的函数由很多参数决定，螺旋输送机的性能特征包括螺杆转速、螺旋直径、倾角、进料口的设计，螺杆间隙，螺旋叶片到外壁的距离，材料的类型。本次课题的目的是为了研究螺旋输送机在运输稻谷的过程中吞吐量和功率需求的变化。实验报告表明了这些参数对螺旋输送机在处理农业粮食时吞吐量和功率需求方面有很大的影响。测试的三个变量是螺旋直径，螺杆间隙和螺杆转速。考虑到这种类型的输送设备在农业上的广泛使用，这个研究的结果在材料的使用、规格的选取方面，以及对螺旋输送机合理性设计，以及调整螺旋输送机的性能上，会是很有用的。

2.材料和方法

2.1样品制备

当前研究中使用的水稻颗粒是从伊朗(RRII),雷什特,伊朗水稻研究所获得。在这个实验中采用的水稻品种是Hashemi，它是本地伊朗地区北方的稻谷品种，特点是细长粒和长芒(Alizadeh et al，2006)。实验开始前，清洗并去除样本外面所带的杂物，如沙砾、谷壳、稻草和茎。样品的初始含水量采用pan等人（2008）的烘箱干燥法，在130plusmn;1°C的环境下 24 h烘干后测量。Zareiforoush 等人（2009）的研究表明此时样品显示的初始含水率为11.2%(WB)。大部分水稻颗粒的密度在这种测量下的水分含量是390公斤每立方米。

2.2.实验过程

(Alizadeh et al., 2006)在螺旋直径,螺杆间隙和螺旋转速等方面对螺旋输送机的性能特点进行了研究。螺杆间隙是指螺旋叶片旋转时叶片与螺旋管道外壁之间的距离。具有不同尺寸的双螺旋输送机在当前条件下测试吞吐量和功率需求，它们的尺寸分别为：20cm（8英尺）的螺旋直径为17.5cm(7英尺)，螺旋轴径为4.5（1.8英尺）；25cm(10英尺)的螺旋直径为22.5（9英尺），螺旋轴径为6cm（2.4英尺）。两个被测试的螺旋输送机长150厘米，间距为标准螺距（间距被定义为两个相邻螺杆之间的距离)。

为了研究螺杆间隙对螺旋输送机的性能的影响，现有6、9、12和15毫米四个螺杆间隙来做测试。为了实现这些要求，专门设计一个装置，该装置可以调整螺杆旋转叶片之间的螺杆间隙(图1)。通过输送机的起升机构可以调整螺杆间隙。输送机的进料口部分是32厘米。输送机是由1.5千瓦的电机通过皮带和滑轮驱动。
选择螺旋转速分别为200、300、400、500和600 r/min的五个螺旋输送机对螺旋输送机的性能进行测试：螺旋转速通过与驱动电机相连的变频器调节（韩国LG模型IC5），螺旋输送机的螺旋转速通过与输送机螺旋轴相连的数码/接触式转速表测量（Lutron模型dt - 2236,台湾）。

在每个实验中，水稻谷粒被从一个大型的流动性的漏斗中进入输送机的进料口部分，并且要求输送在相同选择条件运行几分钟。这段时期称为输送机磨合期。在实验中，从大型漏斗进入输送机进料口部分的谷物要确保输送机的进料口部分被完全充满。

螺旋输送机能力是通过在相同一段时间内运输的谷粒的质量来测量的。此次测量谷物质量的精度为0.01 g(PTS10000 FLINTEC模型,瑞典)，实际吞吐量用蒲式耳来表示(每小时一蒲式耳= 1.244立方英尺)(ASABE,2006)。在现实中螺旋输送机的实际吞吐量远远小于理论吞吐量，这将导致容积效率的损失。Srivastava et al （2006）定义了容积效率：

这里:Qa是实际的吞吐量量(m3/min)

Qt是理论上的吞吐量(m3/min)。

Qt可以通过下面的公式表达 ：

这里:dsf螺旋飞直径(m)；

dss是螺旋轴直径(m)；

lp是节距长度(m)；

n是螺旋转速(r/min)。

为了用体积容量表达螺旋输送机的吞吐量，Srivastava 等人表示Qa的值和Qt应该乘以输送颗粒的体积密度。Zareiforoush等人研究发现当前11%含水率的水稻品种体积密度为390公斤每立方米。

由于输送机是通过一个电动机驱动的,它的功率是通过一个具有功率监测能力的功率表来测量的(Roohi,2003;Roohi et al,2005)。计算机不断监控电力数据每秒钟的瞬时值。在每个试验中，功率数据是由一个计算机软件程序记录下来，并将记录的数据存储在一个电子表格中，以供以后的统计分析和回归分析。

2.3.实验设计和统计分析

这个实验进行了一个阶乘性的统计设计。考虑到多种测试因素的组合，对40个实验组进行了完全随机的统计。在每个组中，重复四次实验，然后计算平均值。实验数据分析使用方差进行分析，并在5%概率水平上运用邓肯的多个范围校验方法于SPSS16软件分析应用程序中利用Microsoft Excel 2007软件进行了回归分析，将其分离出来。

3.结果和分析讨论

如表1所示，分析方差数据表明:螺旋直径，螺杆间隙，螺旋转速，体积容量,容积效率和功率需求，都在概率为1%的水平。螺旋直径和螺旋转速的相互影响在1%的概率水平上对容积效率和输送机功率的影响值得注意，螺旋轴径和螺杆间隙之间的互相影响在1%的概率水平上对容积效率的影响也是值得注意的。而彼此之间没有相互影响的组合：螺杆间隙和螺旋转速，螺旋直径和螺杆间隙，螺旋转速、螺旋直径和螺杆间隙，这些组合对输送机功率的需求和容积效率的影响也是值得注意的。在接下来的段落，全面讨论每个因素对螺旋输送机吞吐量和功率需求的影响。

3.1.吞吐量和容积效率

表2中给出了双螺杆式螺旋输送机不同的螺杆间隙和螺旋转速条件下的吞吐量和容积效率的平均值。可以看出，吞吐量随着螺旋输送机的螺旋直径的增大而增大。这可以归因于随着螺旋直径的增大，为输送谷物提供了更大的空间。图2中显示了不同的螺杆间隙和螺旋转速下的螺旋输送机的吞吐量，结果表明,随着螺旋转速的提高，吞吐量增加达到最大值点，在这一点以后，吞吐量开始下降。Srivastava 等人 (2006)的研究表明,可能有两个因素导致这种情况:

(1)由于螺旋输送机的进料口的限制；

(2)由于旋转的离心力使粮食在输送机内部混乱的运动。

Konig and Riemann (1990)研究了螺旋输送机的进料口螺旋直径对输送能力的影响，研究发现进料口的螺旋直径对输送量的影响在吞吐量没达到最大值之前接近线性增长，在达到最大值点之后，吞吐量会下降。Bloome 等人(1996)研究了长3米的输送机，螺旋直径为15厘米，进料口处的螺旋直径为30cm在螺旋转速从400r/min提高到600r/min时处理水分为14.5%的谷物吞吐量从850增加到1160t/h。Chang和斯蒂尔(1997)研究了输送机的进料口部分螺旋直径为15.2厘米(6英尺)的一段螺旋输送机。他们的研究报告指出，进料口处的螺旋输送机在螺旋转速从413r/min增加到690r/min的时候，吞吐量分别从32.1t/h增加到42.8t/h和24.9t/h增加到34t/h。

这些结果同时表明了增加螺杆间隙也会引起的输送机吞吐量的减少(图2)。可能是由于减小了螺旋叶片和输送机外壁之间的距离所引起的。从图2可以看出，在旋转速度为400r/min和500r/min之间的时候，输送机的吞吐量达到最大值。在这个范围的螺旋转速下，吞吐量的最大值与螺杆直径和螺杆间隙的关系是相互独立的。Nicolai 等人 (2004)报道称20和25厘米长的螺旋运输机在处理相同条件的谷物时最大吞吐量发生在784r/min和853r/min之间。比较当前相应的螺旋运输机研究中的发现与获得的结果，可以得出结论:螺旋输送机的吞吐量和螺旋转速在提升输送机输送能力的时候也会受材料性能的影响。因为水稻颗粒的体积密度低于谷物，当水稻谷粒成螺旋状填满每个螺旋叶片之间的空间，也就是充满螺旋输送机的时候，水稻谷粒真实输入物料的质量低于谷物。这也可以阐述材料运动产生的离心力对高速旋转的螺旋涡流的影响。涡动产生内部摩擦，颗粒和螺旋叶片的表面的材料之间摩擦，漩涡一起运动，物料在输送机的填充程度影响容积效率，因此影响螺旋输送机的吞吐量(Roberts，1999)。

通过图3可以看出，随着螺旋转速的增加，螺旋输送机的容积效率逐渐下降。看来，如果螺旋转速增加过大，离心力会受到限制，使容积效率下降。从图3中也可以看出，增大螺杆间隙，容积效率也会降低。Brusewitz and Persson (1969)报道，螺杆间隙会影响容积效率，研究表明5 - 7%的径向间隙对容积效率没有什么影响，但之后每增加1%的间隙，容积效率预测会下降0.7%。

如表2所示，螺旋输送机的容积效率的平均值在不同的螺杆间隙和螺旋转速下得到了接近相等的结果。Nicolai 等人 (2004)的调查表明螺杆间隙和旋转速度对大约20到25厘米的螺旋输送器的容积效率低于相应的螺旋输送机的容积效率。这个结果也可以用来解释为什么不同的材料属性会影响螺旋输送机的性能。螺旋转速与容积效率之间关系的方程、螺杆间隙的确定系数(R2)展示在表3。

3.2.电源要求

在不同螺杆间隙和螺旋输送机旋转速度的两个条件下，功率需求的平均值如表4所示。如图所示， 随着螺旋直径的增加，螺旋输送机的功率需求增加。功率需求增加，是因为螺旋输送机有较大的螺旋直径，所以输送的物料的体积也比较大，物料体积越大,则功率要求更高。从表4也可以看出，提高螺旋转速，输送机功率需求增加。这可能是由于提高了螺旋转速，螺旋输送机携带物料旋转所需的功率增加。此外，物料的体积越大则需要水平螺旋旋转速度越高。Srivastava等人(2006)得到的结论rsquo;rsquo;功率的需求随着螺旋转速增加而增加rsquo;rsquo;证实了这一结果。Chang 和 Steele (1997)报道称，螺旋转速从413r/min提升到690 r/min， 输送机进料口部分为15.2厘米，在输送两种不同的谷物的时候，功率需求分别从189w增加到338 w，209 w增加到 350 w。White (1962)在研究了3米(10英尺)长

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