<span id="qcshm"></span>

1、前言
    氣墊帶式輸送機(jī)是以氣墊代替托輥支撐的膠帶輸送機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于其新型的出力方式減少了運(yùn)輸阻力，具有節(jié)省維修費(fèi)，改善勞動條件等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受到有關(guān)使用單位的歡迎。氣墊帶式輸送機(jī)是20世紀(jì)70年代初首先在荷蘭研制成功的，世界上一些發(fā)達(dá)國家如英、美、日、俄、加拿大等國也相繼開始研制生產(chǎn)，主要制造公司有荷蘭SLUIS公司、英國SIMON CARVES公司和NUMEC公司、美國WOLVERINC公司等。在國內(nèi)，太原重型機(jī)械學(xué)院于20世紀(jì)80年代首先開始研究氣墊帶式輸送機(jī)。到目前為止，國內(nèi)的氣墊帶式輸送機(jī)已經(jīng)具有一定的發(fā)展規(guī)模，如江蘇吳江江達(dá)機(jī)械制造有限公司研制生產(chǎn)的輸送機(jī)系列最大帶寬達(dá)到1400 mm、最大輸送能力達(dá)到1500 t／h�？偨Y(jié)國內(nèi)外的氣墊帶式輸送機(jī)發(fā)展情況，可以知道這種帶式輸送機(jī)具有良好的發(fā)展前景。
    在實(shí)際的應(yīng)用中，皮帶機(jī)在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生膠帶跑偏現(xiàn)象。雖然理論上只要做到輸送帶居中、料斗校準(zhǔn)、使落料對中就不會跑偏，但在實(shí)際作業(yè)中仍然較常出現(xiàn)空載運(yùn)行時膠帶不跑偏而加載后跑偏的問題。引起氣墊皮帶機(jī)膠帶跑偏的主要原因是物料偏心堆積、張力沿帶寬分布不均等。在加料點(diǎn)處對膠帶加料不正，或者前后兩條輸送帶在垂直接續(xù)的情況下，前面輸送帶上的物料以拋物線拋下，形成布料不均，都可能導(dǎo)致物料偏心堆積。當(dāng)輸送帶跑偏量超過一定的限度時，可能會出現(xiàn)輸送帶擦邊、壓死和輸送能力減弱等現(xiàn)象，更甚至?xí)�造成輸送機(jī)無法正常工作給工廠造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，防止氣墊帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏已經(jīng)成為氣墊帶式輸送機(jī)研究的一個重要方向。
    在防止氣墊帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏的裝置中，按照調(diào)節(jié)方式可以分為自動調(diào)節(jié)防跑偏裝置和手動調(diào)節(jié)防跑偏裝置，另外按照調(diào)節(jié)裝置的工作原理可以分成機(jī)械調(diào)節(jié)防跑偏裝置和自動調(diào)節(jié)防跑偏裝置等。所謂平衡孔是在項(xiàng)目專利申請?zhí)枺?00710040373的專利中提出的在盤槽上開設(shè)的一個小孔，利用氣墊帶式輸送機(jī)本身氣源，通過附屬裝置檢測輸送帶跑偏量控制小孔打開程度以達(dá)到矯正輸送帶跑偏的效果。在盤槽上開設(shè)平衡孔并增加附屬控制調(diào)節(jié)裝置來達(dá)到防止氣墊帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏的方式是其他防跑偏方式無法達(dá)到的。這種防跑偏方式的優(yōu)點(diǎn)有：(1)防跑偏裝置與輸送帶直接接觸面積少，所產(chǎn)生的摩擦力小，大大減少了摩擦所產(chǎn)生的能源損耗；(2)不需要另外附加氣源；(3)加工簡單，成本低廉等。
2氣墊流場三維數(shù)值模擬
    為了準(zhǔn)確地研究氣墊帶式輸送機(jī)盤槽開設(shè)平衡孔在復(fù)雜的氣體流動情況下的氣墊流場狀況，我們采用CFD軟件模擬氣墊流場的方式來觀察平衡孔的開設(shè)對輸送帶的水平平衡效果。模擬實(shí)驗(yàn)選擇了Fluent軟件來進(jìn)行j維數(shù)值模擬氣墊帶式輸送機(jī)氣墊流場。在氣墊帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況中，氣墊流場是一個三維的空間氣體流場，由于在下料點(diǎn)處的下料不均勻和輸送帶拉緊力不均勻等因素影響，采用二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析只能描述出氣墊流場橫向截面的氣體大概流動狀況，這顯然沒有考慮到氣體的橫向流出時相互之間的影響所帶來的氣體流動不對稱性，所以采用二維數(shù)值模擬氣墊流場是不能夠精確描述氣墊的實(shí)際氣體流動狀況的。三維模型數(shù)值模擬除能夠全部得到二維模型數(shù)值模擬能夠得到的參數(shù)情況以外，更能表現(xiàn)出氣流在氣墊徑向的流動和相互影響的整體情況，更加接近于實(shí)際的氣墊流場氣體流動情況。
    Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%，只要涉及流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等的工程問題，都可以用Fluent進(jìn)行解算。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。例如，石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用就包括燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散／聚積、多相流、管道流動等。
2.1模型建立
    氣墊流場j維數(shù)值模擬模型是采用CAD軟件建立的。建立氣墊流場三維數(shù)值模擬模型時，氣墊帶式輸送機(jī)氣墊橫截面坐標(biāo)模型如圖2所示，根據(jù)項(xiàng)目的參數(shù)要求選取輸送帶寬B-1 400 mm，最大盤槽位置角∮＝30°，通過圓的幾何屬性計(jì)算得到盤槽半徑R-1 337 mm;參考文獻(xiàn)中的氣墊厚度選取方式：氣墊兩端出口處的厚度為0.5 mm，中心處的氣墊厚度為最小氣墊厚度的7倍。同時鑒于在盤槽氣孔排布優(yōu)化模擬實(shí)驗(yàn)中選取中心厚度為3.5 mm時，氣墊中心區(qū)域大面積形成壓力聯(lián)通，因此在本模擬實(shí)驗(yàn)中選取氣墊出口厚度hmin=0.5 mm，最大氣墊厚度（即氣墊橫截面中心厚度）hmx一2mm;以盤槽上表面為基準(zhǔn)面，然后分別以hmax和^min值確定的三點(diǎn)作圓弧得到輸送帶的位置；氣孔行間距Lh =20 mm,取3列孔為有效單元長度計(jì)算得到氣墊長度L-40 mm;盤槽氣孔排布方式采用壓扁的正六邊形排布其俯視形狀如圖3所示，參考項(xiàng)目參數(shù)選取氣孔排數(shù)n-7，每一排氣孔的盤槽位置角度θ分別為：8，16，24；防跑偏氣孔開設(shè)在模型縱向?qū)ΨQ面上，選取平衡孔開設(shè)盤槽位置角度θ分別為20和27。由于氣孔的分布對稱性，建立模型時只需選取氣墊的一個中間有效單元，同時考慮單元之間的氣流互相徑向影響，最終選擇3列孔雙單元整體作為一個整體氣墊流場三維模擬模型。完成輸送帶和盤槽之間的氣墊模型后，在下表面增加盤槽氣孔單元體，采用布爾加運(yùn)算整合所有部分模型為整體，這樣整個模型就建立完成如圖4所示，前后為中間有效單元的鏡像面，左右兩邊是氣墊的出口，氣墊下表面的氣孔為氣流人口。
  模擬模型分成8組，筆者分別對圖4中的兩個基本模型進(jìn)行參數(shù)修改，其中氣孔5為氣墊帶式輸送機(jī)的輸送帶防跑偏氣孔（即平衡孔）。由于盤槽氣孔理論直徑一般在3 mm～5 mm左右，根據(jù)在盤槽氣孔排布優(yōu)化的結(jié)果選擇第1排～第4排氣孔直徑分別為：4 mm，4 mm，4 mm，3 mm。其中具體實(shí)驗(yàn)小組的特征數(shù)據(jù)如表1所示。
2.2模擬求解
  模型采用六面體和楔形混合體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。邊界條件設(shè)定：盤槽氣孔入口表壓為2 271 Pa，溫度為300 K；氣墊兩端面出口表壓為0 Pa(表壓)，溫度為300 K;前后斷面設(shè)置為對稱面。操作壓力為0Pa（表壓），重力加速度為9.8 m/s2。模型模擬采用f/uent三維雙精度進(jìn)行計(jì)算，氣墊流動介質(zhì)為氣體，模型選取層流非耦合計(jì)算迭代。
2.3模擬結(jié)果分析
    分析對比各組模型的模擬結(jié)果，可以看到模擬實(shí)驗(yàn)的方法基本上準(zhǔn)確可靠。但是，由于數(shù)值模擬中所采用的模型是筆者參考前人的研究選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)建立的理想化模型，其中和輸送機(jī)氣墊的實(shí)際工況會有一定的差距，比如：氣墊的最大厚度和最小厚度在實(shí)際情況中受到物料的分布不均勻和沖擊等影響使其數(shù)值不是一個定值；氣墊厚度在氣流壓力的不穩(wěn)定下在實(shí)際中呈現(xiàn)出不完全對稱性；輸送機(jī)正常運(yùn)行的速度對氣墊壓力分布的影響沒有考慮等等，這些因素均會影響模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況的一致性。
    從圖6中可以看到，氣墊的壓力分布和速度矢量分布由于平衡孔的開設(shè)而改變。其中平衡孔的開設(shè)增加了流出的氣流量，使得總氣流量達(dá)到0.054 157 1～0. 055 345 0 kg／(s．m)。同時增大的氣墊的承載能力為268. 992 091 8～271. 867 959 2 kg/mz。平衡孔氣流的出流改變了平衡孔附近氣流壓力分布和流動矢量分布形成小區(qū)域的緩沖干涉。
    對比表1和表2可以得到如下結(jié)論：    -
    (a)其中奇數(shù)組的平衡孔直徑是2 mm，偶數(shù)組的平衡孔直徑是1 mm，所以根據(jù)相同的物理模型計(jì)算可以知道相同條件下大直徑平衡孔模型所產(chǎn)生的氣流噴射力要大于小直徑平衡孔模型，而根據(jù)表2顯示只有第(5)組和第(6)組模型符合上述特征。造成這一現(xiàn)象的原因可能是：①建立模型時的參數(shù)選擇和簡化帶來的與實(shí)際的誤差；②模型中氣流的不完全對稱性，在沒有平衡孔影響時可能就有不同大小相反方向的偏移應(yīng)力存在。在實(shí)際應(yīng)用中，采用附加控制氣流量大小的調(diào)節(jié)裝置還是可以達(dá)到控制平衡孔作用效果的；
    (b)比較前四組和后四組結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)開設(shè)平衡孔的盤槽位置在20。時要比在27。時平衡．孔產(chǎn)生的水平平衡力增大26.5%～67.8%。其產(chǎn)生的原因是由于在氣墊邊緣氣墊壓力小，而大流速氣流更加減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)相比同條件不同平衡孔中心軸指向的實(shí)驗(yàn)小組，我們可以通過計(jì)算得到：第(3)組比第(1)組增大21. 0%，第(4)組比第(2)組增大9.2%，第(7)組比第(5)組減小9.6%，第(8)組比第(6)組增大3.2%。從中我們發(fā)現(xiàn)開設(shè)平衡孔時，在大的位置角時平衡孔中心軸方向改變45。時，平衡力的百分比增大，而在小位置角時平衡孔中心軸方向改變459時，由于改變的角度過大，平衡力出現(xiàn)了負(fù)增加。由此可見，在大角度位置時平衡孔中心軸方向可變范圍要比小位置角的可變范圍大，也即在小角度位置時平衡孔中心軸方向改變產(chǎn)生的平衡力變化更加明顯。要獲得最佳的平衡孔平衡效果應(yīng)選擇合適的平衡孔中心軸方向角度。
    總結(jié)以上分析后可以看到，第(5)組和第(8)組的平衡力比較大。從中可見最佳的平衡孔參數(shù)應(yīng)該是選取小盤槽角度位置和在0。與45。之間一個合適的平衡孔中心軸方向角度。
3結(jié)論
    (1)在氣墊帶式輸送機(jī)的盤槽上開設(shè)的平衡孔具有一定的水平力作用，能夠達(dá)到增加輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的效果，開設(shè)平衡孔的方式增加運(yùn)行穩(wěn)定性在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。
    (2)氣墊帶式輸送機(jī)開設(shè)平衡孔的位置在20°時要比在27。位置時平衡孔產(chǎn)生的水平平衡力增大26.5%～67.8%。
    (3)在氣墊帶式輸送機(jī)盤槽大角度位置開設(shè)的平衡孔中心軸方向的可變范圍要比小位置角度的可變范圍大，也即在小角度位置時平衡孔中心軸方向改變產(chǎn)生的平衡力變化更加明顯。

<blockquote id="rnsnv"></blockquote>