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气垫带式输送机盘槽平衡孔参数优化
发布时间：2013-07-19 08:28 来源：未知
1、前言
气垫带式输送机是以气垫代替托辊支撑的胶带输送机，其结构如图1所示。由于其新型的出力方式减少了运输阻力，具有节省维修费，改善劳动条件等优点，因而越来越受到有关使用单位的欢迎。气垫带式输送机是20世纪70年代初首先在荷兰研制成功的，世界上一些发达国家如英、美、日、俄、加拿大等国也相继开始研制生产，主要制造公司有荷兰SLUIS公司、英国SIMON CARVES公司和NUMEC公司、美国WOLVERINC公司等。在国内，太原重型机械学院于20世纪80年代首先开始研究气垫带式输送机。到目前为止，国内的气垫带式输送机已经具有一定的发展规模，如江苏吴江江达机械制造有限公司研制生产的输送机系列最大带宽达到1400 mm、最大输送能力达到1500 t／h。总结国内外的气垫带式输送机发展情况，可以知道这种带式输送机具有良好的发展前景。
在实际的应用中，皮带机在运行中经常发生胶带跑偏现象。虽然理论上只要做到输送带居中、料斗校准、使落料对中就不会跑偏，但在实际作业中仍然较常出现空载运行时胶带不跑偏而加载后跑偏的问题。引起气垫皮带机胶带跑偏的主要原因是物料偏心堆积、张力沿带宽分布不均等。在加料点处对胶带加料不正，或者前后两条输送带在垂直接续的情况下，前面输送带上的物料以抛物线抛下，形成布料不均，都可能导致物料偏心堆积。当输送带跑偏量超过一定的限度时，可能会出现输送带擦边、压死和输送能力减弱等现象，更甚至会造成输送机无法正常工作给工厂造成一定的经济损失。因此，防止气垫带式输送机输送带跑偏已经成为气垫带式输送机研究的一个重要方向。
在防止气垫带式输送机输送带跑偏的装置中，按照调节方式可以分为自动调节防跑偏装置和手动调节防跑偏装置，另外按照调节装置的工作原理可以分成机械调节防跑偏装置和自动调节防跑偏装置等。所谓平衡孔是在项目专利申请号：200710040373的专利中提出的在盘槽上开设的一个小孔，利用气垫带式输送机本身气源，通过附属装置检测输送带跑偏量控制小孔打开程度以达到矫正输送带跑偏的效果。在盘槽上开设平衡孔并增加附属控制调节装置来达到防止气垫带式输送机输送带跑偏的方式是其他防跑偏方式无法达到的。这种防跑偏方式的优点有：(1)防跑偏装置与输送带直接接触面积少，所产生的摩擦力小，大大减少了摩擦所产生的能源损耗；(2)不需要另外附加气源；(3)加工简单，成本低廉等。
2气垫流场三维数值模拟
为了准确地研究气垫带式输送机盘槽开设平衡孔在复杂的气体流动情况下的气垫流场状况，我们采用CFD软件模拟气垫流场的方式来观察平衡孔的开设对输送带的水平平衡效果。模拟实验选择了Fluent软件来进行j维数值模拟气垫带式输送机气垫流场。在气垫带式输送机实际运行工况中，气垫流场是一个三维的空间气体流场，由于在下料点处的下料不均匀和输送带拉紧力不均匀等因素影响，采用二维模型进行数值模拟分析只能描述出气垫流场横向截面的气体大概流动状况，这显然没有考虑到气体的横向流出时相互之间的影响所带来的气体流动不对称性，所以采用二维数值模拟气垫流场是不能够精确描述气垫的实际气体流动状况的。三维模型数值模拟除能够全部得到二维模型数值模拟能够得到的参数情况以外，更能表现出气流在气垫径向的流动和相互影响的整体情况，更加接近于实际的气垫流场气体流动情况。
Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，只要涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题，都可以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。例如，石油天然气工业上的应用就包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散／聚积、多相流、管道流动等。
2.1模型建立
气垫流场j维数值模拟模型是采用CAD软件建立的。建立气垫流场三维数值模拟模型时，气垫带式输送机气垫横截面坐标模型如图2所示，根据项目的参数要求选取输送带宽B-1 400 mm，最大盘槽位置角∮＝30°，通过圆的几何属性计算得到盘槽半径R-1 337 mm;参考文献中的气垫厚度选取方式：气垫两端出口处的厚度为0.5 mm，中心处的气垫厚度为最小气垫厚度的7倍。同时鉴于在盘槽气孔排布优化模拟实验中选取中心厚度为3.5 mm时，气垫中心区域大面积形成压力联通，因此在本模拟实验中选取气垫出口厚度hmin=0.5 mm，最大气垫厚度（即气垫横截面中心厚度）hmx一2mm;以盘槽上表面为基准面，然后分别以hmax和^min值确定的三点作圆弧得到输送带的位置；气孔行间距Lh =20 mm,取3列孔为有效单元长度计算得到气垫长度L-40 mm;盘槽气孔排布方式采用压扁的正六边形排布其俯视形状如图3所示，参考项目参数选取气孔排数n-7，每一排气孔的盘槽位置角度θ分别为：8，16，24；防跑偏气孔开设在模型纵向对称面上，选取平衡孔开设盘槽位置角度θ分别为20和27。由于气孔的分布对称性，建立模型时只需选取气垫的一个中间有效单元，同时考虑单元之间的气流互相径向影响，最终选择3列孔双单元整体作为一个整体气垫流场三维模拟模型。完成输送带和盘槽之间的气垫模型后，在下表面增加盘槽气孔单元体，采用布尔加运算整合所有部分模型为整体，这样整个模型就建立完成如图4所示，前后为中间有效单元的镜像面，左右两边是气垫的出口，气垫下表面的气孔为气流人口。
模拟模型分成8组，笔者分别对图4中的两个基本模型进行参数修改，其中气孔5为气垫带式输送机的输送带防跑偏气孔（即平衡孔）。由于盘槽气孔理论直径一般在3 mm～5 mm左右，根据在盘槽气孔排布优化的结果选择第1排～第4排气孔直径分别为：4 mm，4 mm，4 mm，3 mm。其中具体实验小组的特征数据如表1所示。
2.2模拟求解
模型采用六面体和楔形混合体进行网格划分，网格划分结果如图5所示。边界条件设定：盘槽气孔入口表压为2 271 Pa，温度为300 K；气垫两端面出口表压为0 Pa(表压)，温度为300 K;前后断面设置为对称面。操作压力为0Pa（表压），重力加速度为9.8 m/s2。模型模拟采用f/uent三维双精度进行计算，气垫流动介质为气体，模型选取层流非耦合计算迭代。
2.3模拟结果分析
分析对比各组模型的模拟结果，可以看到模拟实验的方法基本上准确可靠。但是，由于数值模拟中所采用的模型是笔者参考前人的研究选取相应的数据建立的理想化模型，其中和输送机气垫的实际工况会有一定的差距，比如：气垫的最大厚度和最小厚度在实际情况中受到物料的分布不均匀和冲击等影响使其数值不是一个定值；气垫厚度在气流压力的不稳定下在实际中呈现出不完全对称性；输送机正常运行的速度对气垫压力分布的影响没有考虑等等，这些因素均会影响模拟计算结果与实际工况的一致性。
从图6中可以看到，气垫的压力分布和速度矢量分布由于平衡孔的开设而改变。其中平衡孔的开设增加了流出的气流量，使得总气流量达到0.054 157 1～0. 055 345 0 kg／(s．m)。同时增大的气垫的承载能力为268. 992 091 8～271. 867 959 2 kg/mz。平衡孔气流的出流改变了平衡孔附近气流压力分布和流动矢量分布形成小区域的缓冲干涉。
对比表1和表2可以得到如下结论： -
(a)其中奇数组的平衡孔直径是2 mm，偶数组的平衡孔直径是1 mm，所以根据相同的物理模型计算可以知道相同条件下大直径平衡孔模型所产生的气流喷射力要大于小直径平衡孔模型，而根据表2显示只有第(5)组和第(6)组模型符合上述特征。造成这一现象的原因可能是：①建立模型时的参数选择和简化带来的与实际的误差；②模型中气流的不完全对称性，在没有平衡孔影响时可能就有不同大小相反方向的偏移应力存在。在实际应用中，采用附加控制气流量大小的调节装置还是可以达到控制平衡孔作用效果的；
(b)比较前四组和后四组结果，我们可以发现开设平衡孔的盘槽位置在20。时要比在27。时平衡．孔产生的水平平衡力增大26.5%～67.8%。其产生的原因是由于在气垫边缘气垫压力小，而大流速气流更加减弱了平衡孔的作用力。所以，平衡孔的位置在20。要比270合理；
(c)相比同条件不同平衡孔中心轴指向的实验小组，我们可以通过计算得到：第(3)组比第(1)组增大21. 0%，第(4)组比第(2)组增大9.2%，第(7)组比第(5)组减小9.6%，第(8)组比第(6)组增大3.2%。从中我们发现开设平衡孔时，在大的位置角时平衡孔中心轴方向改变45。时，平衡力的百分比增大，而在小位置角时平衡孔中心轴方向改变459时，由于改变的角度过大，平衡力出现了负增加。由此可见，在大角度位置时平衡孔中心轴方向可变范围要比小位置角的可变范围大，也即在小角度位置时平衡孔中心轴方向改变产生的平衡力变化更加明显。要获得最佳的平衡孔平衡效果应选择合适的平衡孔中心轴方向角度。
总结以上分析后可以看到，第(5)组和第(8)组的平衡力比较大。从中可见最佳的平衡孔参数应该是选取小盘槽角度位置和在0。与45。之间一个合适的平衡孔中心轴方向角度。
3结论
(1)在气垫带式输送机的盘槽上开设的平衡孔具有一定的水平力作用，能够达到增加输送机运行稳定性的效果，开设平衡孔的方式增加运行稳定性在实际应用中是可行的。
(2)气垫带式输送机开设平衡孔的位置在20°时要比在27。位置时平衡孔产生的水平平衡力增大26.5%～67.8%。
(3)在气垫带式输送机盘槽大角度位置开设的平衡孔中心轴方向的可变范围要比小位置角度的可变范围大，也即在小角度位置时平衡孔中心轴方向改变产生的平衡力变化更加明显。
