U型渠掘进衬砌一体机螺旋输送设计与仿真

孙春光，周远才，王忠元

（湖北楚峰水电工程有限公司，湖北 荆州 434020）

U型渠掘进衬砌一体机螺旋输送设计与仿真

孙春光，周远才，王忠元

（湖北楚峰水电工程有限公司，湖北 荆州 434020）

以U型渠掘进衬砌一体机的施工土壤性质为条件，设计了螺旋输送机的叶片直径，通过经验公式确定了螺旋输土机构的转速。分析了螺旋输送机的物料运动学简图，得出螺旋输送机的最佳螺距。探讨了螺旋输送装置的倾角影响因素，最后确定最佳倾角为11°。计算了螺旋输送机构的驱动功率。利用EDEM离散元软件，模拟了螺旋输送装置工作过程，对螺旋输送装置的设计提供了建议。

U型渠掘进衬砌一体机；螺旋输送；设计；离散元；仿真

U型沟渠因其诸多优点在农田水利灌溉中大量运用，目前U型沟渠的施工有预制施工和现浇施工两种，都是依靠人力施工，这两种施工方式浪费了大量的人力、物力。响应农业部农业科技化的号召，设计了一种U型沟渠掘进——衬砌一体机（以下简称一体机）。沟渠成型的质量与挖掘后产生的碎土的输送有直接关系。文章对一体机输土机构进行了设计，并对螺旋输送机进行分析与仿真。

1 工作原理

U型渠掘进衬砌一体机的输土机构是由开沟叶片、螺旋输土机构、倾斜传送带、水平传送带构成的，如图1所示。开沟叶片在切碎土壤的同时将土壤运输到螺旋输送机的工作区域，将土壤进一步向后输送，经过T型布置的倾斜、水平传送带最后将土壤运输到沟渠两侧。螺旋输送机的设计对于U型渠掘进衬砌一体机的施工非常重要，合理的设计不仅能够加大输土机构的输送效率，同样能够节约能量消耗。

图1 输土机构简图

2 螺旋输送机设计

（1）螺旋叶片直径的计算。输送物料为泥土，螺旋输送时具体参数如表1所示。

表1 物料综合特性系数

螺旋叶片直径为：

式中：D为螺旋叶片直径（m）；K为物料综合系数；Q为输送量（t/h）；C为倾角系数；γ为物料容量（t/m3）；φ为填充系数。

已知输送量Q为50.4t/h，物料容量γ为2t/m3，查表可知，取填充系数φ为0.15，查相关文献可得到物料综合系数K为0.0795，倾角系数C为0.94。故螺旋叶片直径D为632mm，由于进料口的直径为600mm，则取螺旋叶片直径D为560mm。

（2）螺旋轴转速的计算。在合适转速范围内，螺旋输送机的输送效率随着转速的增加而增加，但增加到一定值后（超过最高临界转速），过高的转速对于一体机的土壤输送只能起到搅拌作用，而不能提高输送效率，所以这部分增加的转速是浪费一体机能量的，同样转速过高也会使泥土离心附在管壁与叶片间隙处，导致输土机构的堵塞所以还需要对转速n进行一定的限定，不能超过某一极限值。

螺旋轴转速的经验公式

可求得：n≤141

根据工作需求，螺旋输送机与绞土叶片同轴，则取转速n=130r/min，满足极限转速的要求。

（3）倾斜角度的确定。螺旋输送机的倾角对输送效率有非常大的影响，一般的规律为倾斜角度越大，输送能力越低，主要是因为倾角影响了螺旋输送机的许多参数，主要有填充系数，倾角越大，填充系数越小。所以在一体机选用的螺旋输送机时应该尽量要小角度，由于一体机施工工艺要求，保证碎土能够成功输送到倾斜传送带的工作区域，同样考虑到螺旋输送机倾角大，倾斜传送带的倾角能够适当减小，所以综合考虑后，螺旋输送机的倾斜角度取11°。

（4）螺距的计算。根据螺旋输送机螺距设计经验公式，许用螺距为：

此外，还要保证各点的轴向速度均大于圆周速度V1≤V2

由此可得

因此在2r=D（在螺旋外径处），可将上式写成

对于标准输送机，通常螺距S=（0.8～1）D；当倾斜布置或输送物料流动性较差时，S≤0.8D。因为，螺旋轴的倾斜角度为11°，所以取螺距S=0.35D=200mm。

（5）驱动功率的计算。螺旋输送机的驱动功率，是用于克服在物料输送过程中的各种阻力所消耗的能量，主要包括以下5个部分：①使被运物料提升高度所需的能量；②被运物料对筒壁和叶片的摩擦所引起的能量消耗；③物料内部间的相互摩擦引起的能量消耗；④物料沿螺旋轴运动造成在止推轴承处的摩擦引起的能量消耗；⑤中间轴承和末端轴承处的摩擦引起的能量消耗。

从另外的角度，也可以这样分：物料与筒壁间摩擦消耗的功率；物料与螺旋叶片间摩擦消耗的功率；轴承处摩擦消耗的功率；提升物料及物料间相互运动消耗的功率。土壤具体性质如表2所示。

表2 物料参数表

这样，螺旋输送机的驱动功率，就由机构运动过程中所产生的阻力来决定。阻力主要由以下6个部分组成：①物料与筒壁之间的摩擦阻力；②物料对叶片的摩擦阻力；③物料倾斜向上输送时的阻力；④物料悬挂轴承下的堆积阻力；⑤物料被搅拌所产生的阻力；⑥轴承的摩擦阻力。

在计算功率的时候，为简便起见，可以总结螺旋输送机功率为以下主要部分，即总的轴功率Pw应包括物料运行需要功率P'，空载运转所需功率P''，以及由于倾斜引起的附加功率P'''等三个部分。

所以螺旋输送机总的轴功率：

式中：Pw为螺旋输送机的驱动功率，kW；Q为输送量，t/h；L为输送距离，m；H为倾斜高度，m，H=Lsinβ；D为螺旋叶片直径，m；M为物料运行阻力系数；

将上述以求得的参数代入式中，并考虑螺旋输送机的工况，取功能储备系数ξ=1.6，则计算得螺旋输送机的驱动功率

P3=Pξ=1.51kW

3 螺旋输送机模拟仿真

利用离散元软件EDEM对一体机的螺旋输土工作过程进行了模拟仿真，模型简图如图2所示。物料选用圆形颗粒，直径1～2.5mm（正态分布），泊松比0.35，剪切模量1.7e+07pa.密度1800kg/m3，物料间摩擦系数为0.58，物料与边界间摩擦系数为0.25，输送倾斜角度可以在软件中通过改变物料重力加速度方向得到。

图2 模型结构简图

如图3所示，对于一体机中螺旋输送机，粒子在绞龙前端面形成堆积，到达顶端后，大多数粒子从堆积面上坍塌，少量粒子落在绞龙轴之后，有少部分粒径较小的物料（蓝色物料）高度集中在一起并与绞龙的前端面接触，而粒径较大的物料（红色）则集中在堆积面的外侧部位。这表明由于绞龙叶片表面的剪切作用，不同尺寸的物料开始出现了一定程度的分层。有较小的颗粒从叶片与筒内壁的间隙中掉落，所以筒壁与叶片间间隙需要合理控制。

图3 物料分布图

图4中根据物料速度不用进行着色，速度较慢的物料为蓝色，速度较快的物料为红色，观察图4（a）发现与叶片表面接触的物料速度大。与螺旋轴接触的物料速度较快而远离螺旋轴的物料速度较小。

图4 物料速度分布图

图5 物料轴向速度分布图

图5根据物料轴向速度方向（即物料的有效输送方向）进行作色，轴向速度较快的为红色。观察发现，轴向速度的分布规律与总速度分布规律完全相反，其原因在于物料的圆周速度较大。

综上所述可以得出结论，与叶片接触的物料输送能力较强，相反远离叶片表面的物料输送能力较弱；与螺旋轴接触的物料输送能力较弱，靠近筒壁的物料输送能力较强；可以通过降低物料的圆周运动来达到提升物料输送效率的目的。

4 结语

对U型渠掘进衬砌一体机的输土方案及装置进行了设计，并重点对螺旋输送装置进行了参数及结构的设计分析。目前输送装置在一体机中应用情况良好。

［1］魏溪.浅谈U型渠道砼衬砌施工［J］.甘肃科技，2013，29（8）：116－118.

［2］蒋琼珠.连续运输机［M］.北京：人民交通出版社，1986.

［3］王国强，郝万军，王继新，等.离散元法及其在EDEM上的实践［M］.西安：西北工业出版社，2010.

Design and Simulation of U-shape Canal Excavating Lining Machine Screw Conveyor

SUN Chun-guang，ZHOU Yuan-cai，WANG Zhong-yuan
（ChuFeng Hydropower Engineering Co.，LTD.，Jingzhou，Hubei 434020，China）

Taking u-shape canal soil properties of the lining of the machine construction as condition，the paper designs a blade diameter of screw conveyor，and determines screw lose soil mechanism by the empirical formula of speed.The paper analyzes the screw conveyor materials kinematic diagram，concludes the best pitch screw conveyor，discusses the dip angle of the spiral conveyer influencing factors，finally determines the optimum tilt Angle of 11°as well as calculates the driving power of a screw conveying mechanism.Using EDEM discrete element software，the paper simulates the working process of the screw conveyer and provides advice to the design of screw conveyer.

all-in-one u-shape canal excavating liningscrew conveyor；design；discrete element；the simulation

TV223.4

A

2095-980X（2017）01-0075-02

2016-12-10

孙春光（1950-），湖北荆州人，工程师，主要从事水利工程及机械工作。