焦傲鹏李郁
武汉理工大学物流工程学院武汉
摘要：螺旋卸船机的输送能力是港口转运效率的关键，为了对取料过程中的运动规律及取料效率进行分析，利用离散元法模拟了大型螺旋卸船机在船舱中的卸船作业过程。首先通过基于堆积角的离散元法对仿真参数进行标定，根据螺旋卸船机的运转特性将取料过程分为掘进阶段与行进阶段，分析了掘进段物料的运动规律，并研究了不同作业工况下行进阶段的稳定输送效率，对不同作业方式的螺旋卸船机进行性能评估。结果表明，在掘进阶段物料具有较大的受力波动，增加掘进阶段的入料深度能够增加螺旋卸船机的输送效率，且倾斜30°的布置形式会使输送效率有所降低。
关键词：螺旋卸船机；离散元；取料装置；输送效率
中图分类号：U..+1文献标识码：A文章编号：-（）23--05
0引言
螺旋卸船机广泛应用于散粮、煤粉、水泥等涉及散装货物的领域，随着运输行业集装化和散装化的发展，以及散装货物需求量的增加，对于散货输送设备的研究越来越受到学者的重视。在当今工业规模不断增大、装卸运输节奏不断加快的形势下，对螺旋卸船机的取料效率也提出了更高的要求，需要其在船舶有效的停靠时间内完成卸船作业，分析螺旋卸船机的取料机理及作业工况，能够有效改善港口码头的运转效率，因此对螺旋卸船机的取料过程进行研究具有实际意义。
目前国内对于螺旋卸船机的研究有很多，蒋琼珠[1]等基于散体力学建立运动方程与数学模型，利用计算机模拟得到输送过程的临界转速，定量地分析螺旋卸船机物料的输送规律与性能；李郁，李勇智和陈定方[2]对螺旋卸船机取料装置的叶片、支架、取料口等结构进行了改进，提高了工作速度，使取料装置的输送性能得到了改善；宋斌和孟文俊[3]对实际的螺旋卸船机取料装置的取料器数据进行了采集与分析，拟合出了取料器的截面曲线，为研究取料装置提供了借鉴；陈庆为和黄国庆[4]对取料装置取料器的结构和工作原理进行了研究与分析，在理论角度得到了取料器各项参数对于取料能力的影响，为取料器的结构优化提供了参考。本文聚焦于螺旋卸船机的取料过程，通过离散元法对取料及垂直输送过程进行仿真，分析其取料行为及输送性能，为实际生产中提高卸船效率提供借鉴与参考。
1离散元仿真参数标定
离散元法是研究散体物料与机械结构接触的有效方法，其中EMEM软件是应用离散元技术来模拟颗粒物料系统地CAE软件[5]。而离散元仿真参数是仿真能够正常运行、分析结果准确可靠的前提条件，因此，需要对仿真参数进行标定。本文采用最常见的漏斗式堆积角的方法对煤粉的仿真参数进行校准。如图1所示为离散元仿真中的堆积角测定。
图1离散元仿真参数
如图1所示，漏斗首先置于承料台正上方，下端开口贴近平台表面使漏斗处于下端封闭状态，在漏斗内部生成个颗粒，待状态稳定后，漏斗开始以0.05m/s的速度垂直提升，直到漏斗内物料全部流出并在承料台上形成锥型料堆。在漏斗提升过程中，物料逐渐堆积在承料台上，后下落的物料会对先堆积的料堆形成冲击与挤压，多余的物料沿着料堆外层滑落出承料台。待料堆堆积完成并静止后，从X向与Y向两个方向用量角器工具测量料堆的堆积角，取其平均值作为最终的堆积角。查阅相关文献中对于煤粉参数的确定，并反复进行多次堆积角试验最终确定离散元仿真参数如表1、表2所示。
2取料过程仿真试验
螺旋卸船机的模型选用港口常见的差动式螺旋卸船机，取料装置由内外螺旋构成，外螺旋搅拌并向下堆积物料，内螺旋使物料垂直提升。将螺旋卸船机的三维模型导入离散元软件中，同时建立方形料仓并生成20万个颗粒。利用已标定好的参数，完成螺旋卸船机取料过程的离散元仿真。螺旋卸船机的取料过程包括两个阶段：掘进阶段，整机以0.3m/s的速度垂直向下进入船舱中的料堆；行进阶段，以0.5m/s的速度在料堆中水平行进。
2.1掘进阶段仿真
如图2所示为螺旋卸船机取料过程掘进阶段的离散元仿真图。图中颗粒颜色表示速度的大小，低速为蓝色，高速为红色。掘进阶段初期，螺旋卸船机取料装置内外旋转进入料堆，并以0.3m/s的速度垂直向下运动，8s后停止，此时取料装置的掘进深度为2.4m，外螺旋全部没入料堆中。
(a)初始掘进阶段(b)最终掘进阶段
图2取料过程掘进阶段仿真图
2.2行进阶段仿真
如图3所示为取料过程行进阶段的离散元仿真图。当螺旋卸船机取料装置没入料堆中后，整机开始做水平运动，以完成仓内全部物料的卸船作业。在行进阶段，螺旋卸船机以0.5m/s的速度在料堆中做水平行进，并来回往返做重复运动，直到仓内物料全部作业完成。图中螺旋卸船机从右向左水平行进，行进中对吸取并输送物料，取料装置左边料堆明显高于右边料堆。
图3取料过程行进阶段仿真图
3掘进阶段运动分析
螺旋卸船机的掘进阶段，整机内外螺旋运作并垂直进入料堆中。取料装置通过内外螺旋的旋转达到吸取物料的目的，其吸取效率是螺旋卸船机工作能力的关键。了解取料过程中物料颗粒的运动规律，可以更好地分析取料过程中的效率问题。螺旋卸船机的取料装置是一个复杂封闭的结构，难以通过实验手段直接研究内部物料的运动规律，离散元仿真则提供了一种简单有效的方式。为了清晰地看到螺旋卸船机运转过程中物料颗粒的整体流向及运动状态，在后处理中截图物料过程的竖直截面(X-Y，Z=0)和取料装置底部水平截面(X-Z，Y=6.5m)的速度矢量图，如图4所示。
(a)竖直截面(X-Y，Z=0)
(b)水平截面(X-Z，Y=6.5m)
图4掘进阶段物料速度矢量分布
根据物料颗粒速度的不同对其着色，图4a为速度大小标尺，蓝色表示低速，红色表示高速。在螺旋管径内部，靠近内壁的物料颗粒运动剧烈，靠近轴心的颗粒运动趋势渐缓。这与螺旋输送的运动机理有关，螺旋输送过程中主要靠内壁的摩擦力提供给物料颗粒垂直向上的合外力使物料垂直提升，在靠近内壁的物料摩擦严重运动剧烈。螺旋体外的物料整体运动较缓，靠近管壁外侧的物料运动趋势整体与螺旋旋向相同，取料装置的三个取料口使物料呈现三叶片螺旋状。
为了精确的分析物料颗粒在取料输送过程中的速度分布，标记并追踪颗物料颗粒，统计其在取料输送过程中的平均角速度，如图5所示为物料群取料输送过程中的平均角速度统计如图5所示，0~5.2s平均角速度持续增加，并带有微小波动，5.2s以后平均角速度趋于稳定。4.5s之前，物料颗粒在内外螺旋的作用下通过取料口进入螺旋体，5.5s后物料颗粒在输送段趋于稳定并逐渐提升。在物料颗粒进入螺旋体取料段中，物料通过取料口时与取料挡板及外壁发生剧烈碰撞，颗粒达到最大角速度，且波动较大。在进入螺旋体输送段后，物料颗粒角速度渐缓并趋于稳定。
图5掘进阶段物料平均角速度趋势
4行进阶段不同工况输送效率分析
螺旋卸船机在进入行进阶段时，整机的取料装置埋入料堆中在仓内做水平运动。效率问题一直是螺旋卸船机的关键，行进阶段的输送效率决定了港口的装卸速率，高的输送效率能够加快转运节奏，缓解港口的压力。在离散元软件中，取料效率可以通过监测取料装置输送段的质量流量来表示。仿真后处理中，在取料装置顶部0.5m处建立半径0.5m、高度0.03m的圆柱形质量流量监测器，监测器中心线与取料装置螺旋轴在同一直线，如图6所示。
图6质量流量监测器
在实际的卸船作业过程中，由于船舱特殊的结构外形，需要螺旋卸船机倾斜一定角度以更好地完成对内侧物料的吸取运输。同时，取料装置埋入料堆深度的不同，整机的功率以及取料效率都有差异。为了比较不同工况下行进阶段的输送效率，对取料装置的埋入深度与倾斜角度进行调整，完成四种工况下的螺旋卸船机取料过程的离散元仿真。四种工况的布置形式如图7所示。
如图7所示为仿真中行进阶段不同工况的布置形式，工况一为垂直埋入料堆1m，工况二为垂直埋入料堆2.4m，工况三为倾斜30°埋入料堆1m，工况四为倾斜30°埋入料堆2.4m。完成四种不同工况下螺旋卸船机取料过程的离散元仿真，并在后处理中统计行进阶段的质量流量变化趋势，整理四种工况的数据得到不同工况输送效率对比图。
图8所示为螺旋卸船机在行进阶段四种不同工况下的输送效率对比图。螺旋卸船机在进入行进阶段后，输送效率在稳定值上下作小幅波动，图中不同工况下的稳定值为各工况下输送效率的平均值。从图中可以看出，当取料装置入料的深度增加时，螺旋卸船机的输送效率会小幅上升。入料深度由1m增加到2.4m，垂直的布置形式输送效率由.05t/h增加到.87t/h，倾斜30°的布置形式输送効率由.05t/h增加到.01t/h。同时，对于倾斜30°的布置形式，其主要作用于内凹形的船舱结构，对边缘难以触及的物料进行吸取，相比较于垂直的布置形式，输送效率小幅降低。
图8行进阶段不同工况输送效率对比
5结论
本文利用离散元仿真对螺旋卸船机在取料过程的运动规律及输送性能进行研究，根据螺旋卸船机取料的运动特性，将取料过程分为掘进阶段与行进阶段。仿真研究结果表明，在掘进阶段物料具有较大的运动波动，取料装置外的物料整体呈三叶片螺旋状，靠近内壁的物料运动剧烈，物料的整体运动角速度趋势为先波动上升再趋于稳定。在行进阶段，增加取料装置入料的深度可以增加输送效率，整机倾斜30°的布置形式可以对内侧物料进行吸取但同时输送效率也有所降低。
参考文献
[1]蒋琼珠,刘雁.螺旋卸船机输送机理的数学模拟与优化设计[J].起重运输机械,(12):2-9.
[2]李郁,李勇智,陈定方.螺旋气力取料装置试验模型的改进研究[J].湖北工业大学学报,(3):6-8.
[3]宋斌,孟文俊.基于反向工程的螺旋卸船机喂料头喂料曲面特征分析[J].起重运输机械,(3):89-92.
[4]陈庆为,黄国庆.螺旋取料装置喂料头结构形式分析[J].起重运输机械,(4):78-80.
[5]胡国明.颗粒系统的离散元素法分析仿真[M].武汉:武汉理工大学出版社，.