螺旋不连续定量加料性能影响因素分析与试验研究

摘要

不连续定量加料广泛应用于粉粒物料的定量包装及配料生产中，而当前粉粒物料不连续定量生产存在加料成本高，装置密闭性差、环境污染大，且加料不准确等问题。螺旋加料装置具有结构简单、输送密闭等特点，但其不连续定量性能的影响因素暂未清晰，因此开展螺旋不连续定量加料性能影响因素分析与试验研究，将有助于提高螺旋不连续定量性能，促进其在工农业生产中的应用。
　　本文采用具有分料装置的螺旋加料系统，对3～5 mm直径颗粒以间歇转动60。的方式进行不连续加料。针对螺旋头数及颗粒尺寸，理论分析输送中颗粒物料的动力学规律，采用PFC3D(Particle Flow Code in3 Dimensions)软件对3种转速下单双头螺旋、同转速下3种颗粒尺寸时螺旋不连续加料进行数值仿真，并利用同结构螺旋装置进行试验验证。具体内容如下:
　　首先，理论分析螺旋头数及颗粒尺寸对加料的影响。其中利用料群理论分析得到:双头螺旋输送中，叶片施加于物料的周向摩擦力增大，而料管施加于物料的周向摩擦力减小，因此双头中物料易产生周向位移。借助细观力链分析得到，随颗粒间平均接触力减小，均匀浓密分布的力链有助于增加物料运动的一致性，提高加料量准确性及稳定性。
　　其次，基于无粘结的线性本构关系，利用离散元软件PFC3D建立仿真模型，并将转速作为影响因素进行仿真模拟。仿真结果表明:(1)随转速增加，同螺旋结构时颗粒间平均接触力增加，且趋近出料口处的颗粒体系力链粗壮，加料量稳定性及准确性变差。但力链的分布并未显著改变，物料运动及混合未受影响，平均加料量最大变化2％。(2)同转速下，单头螺旋中力链分布的均匀性比双头好，物料运动稳定也较好。但由于单头输送时颗粒间平均接触力高出双头14％，出料口处物料易产生迸发式出料及滑落，导致单头螺旋的加料性能差于双头螺旋。同时单头螺旋时物料的轴向位移较大，同转角内平均加料量高出双头螺旋50％。(3)在转速为60 r/min时，3 mm颗粒填充数大于4 mm及5 mm颗粒，颗粒间接触力平均值减小，力链分布浓密均匀，颗粒间运动的稳定一致性增强。加料量标准差及最大相对误差减小到1.148、±0.267，加料性能提高。
　　最后，利用螺旋加料试验台对以上2组数值仿真进行验证，试验结果表明:(1)随转速增加，同结构螺旋中物料的轴向位移较为一致，转速对物料的运动规律影响不大。(2)同转速下，单头螺旋中物料的轴向位移能力强，加料量平均值较大，混合趋势弱于双头，但加料准确性及稳定性差于双头。(3)同转速下，随颗粒尺寸减小，料管内颗粒保持一致运动的能力增强，混合受到抑制，加料准确性及稳定性增加。(4)以上3个试验结论与仿真结果一致。但同时发现，由于试验物料为非理想的球形，导致颗粒流动性小于仿真中颗粒，加料时随机滑落减少，使得试验中获得的各参数指标比仿真中的小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 螺旋加料力学理论研究进展

1．2．2 螺旋加料规律研究现状

1．3 课题研究目的和意义

1．4 主要研究内容及章节安排

第二章 螺旋不连续定量加料过程动力学分析

2．1 螺旋不连续定量加料过程概述

2．1．1 螺旋不连续定量加料装置简介

2．1．2 螺旋不连续定量加料过程及颗粒运动特点

2．1．3 螺旋不连续加料影响因素分析

2．2 螺旋不连续定量加料细观力链分析

2．2．1 螺旋加料细观力链介绍

2．2．2 单头与双头螺旋加料力链分析

2．2．3 不同尺寸颗粒时螺旋加料力链分析

2．3 螺旋不连续定量加料过程颗粒群动力学分析

2．3．1 螺旋槽内颗粒群划分与受力分析

2．3．2 单双头螺旋输送时颗粒群运动分析

2．3．3 不同尺寸颗粒螺旋输送时颗粒群运动分析

2．4 本章小结

第三章 螺旋不连续定量加料离散元仿真建模

3．1 离散元仿真软件简介

3．2 离散元基本假设与接触模型

3．2．1 离散元法的基本假设

3．2．2 离散元法的接触模型

3．3 离散元接触本构关系与基本方程

3．3．1 离散元接触刚度模型

3．3．2 离散元粘结模型

3．3．3 离散元滑动模型

3．3．4 离散元基本方程

3．3．5 离散元阻尼

3．4 螺旋不连续定量加料仿真参数选取与模型建立

3．4．1 仿真模型属性参数选取

3．4．2 仿真运行时步选取

3．4．3 仿真模型几何尺寸选取

3．4．4 仿真模型建立

3．5 本章小结

第四章 螺旋不连续定量加料仿真研究

4．1 螺旋不连续定量加料仿真研究内容与方案

4．1．1 仿真研究的内容

4．1．2 不连续定量加料性能仿真指标

4．2 不同转速下单双头螺旋不连续定量加料仿真分析

4．2．1 物料力链对比分析

4．2．2 颗粒群运动对比分析

4．2．3 不连续加料量对比分析

4．3 不同尺寸颗粒时螺旋不连续定量加料仿真分析

4．3．1 物料力链对比分析

4．3．2 颗粒群运动对比分析

4．3．3 不连续加料量对比分析

4．4 本章小结

第五章 螺旋不连续定量加料试验研究

5．1 螺旋不连续定量加料试验设计

5．1．1 试验系统设计

5．1．2 试验研究内容及方案

5．2 不同转速下单双头螺旋不连续定量加料试验分析

5．2．1 颗粒群运动试验分析

5．2．2 不连续加料量试验分析

5．3 不同尺寸颗粒时螺旋不连续定量加料试验分析

5．3．1 颗粒群运动试验分析

5．3．2 不连续加料量试验分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文与申请的专利