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L-shaped螺杆卸船机（LSSSU）的输送性能与能效优化研究采用离散元法（DEM）模拟与实验验证相结合的方法，揭示了喂料深度、水平及垂直螺杆转速对质量流量和能效的影响规律，发现高转速与适量喂料可提升效率但可能加剧颗粒压缩和设备磨损。
刘志远|袁建明|沈鹏|尹峰|滕健|沈家鹤
武汉理工大学交通与物流工程学院，中国武汉430063
摘要
L型螺旋船卸货机（LSSSU）以其高运行效率、对货舱结构的强适应性以及显著的环境优势而闻名，已被广泛应用于港口的散货卸载作业。然而，对其运行参数的调整会显著影响关键输送性能指标，如质量流量和能源效率，而针对这些影响的系统研究仍然有限。为了解决这一问题，本研究采用离散元方法（DEM）模拟和实验验证相结合的方法来研究LSSSU内的散料输送行为。DEM模型通过与专用测试的对比得到了验证，质量流量的偏差低于12.3%，螺旋功率的偏差在11%以内，证实了其在颗粒尺度分析中的可靠性。参数分析表明，进料深度和进料速度主要控制质量流量，而水平和垂直螺旋速度则优化了能源效率并确保了颗粒的顺畅转移。过量的进料或过高的螺旋速度会增加颗粒的压缩力和停留时间，从而降低能源效率并可能加速磨损。这些发现为优化LSSSU提供了可行的指导，以实现高吞吐量、节能的工业散固体运输。
引言
散货船卸载作业是综合散货处理系统的关键组成部分。煤炭、铁矿石和谷物等物料通常以大量的形式运输；因此，提供连续、稳定和高效率运输的螺旋输送机被广泛使用[1]，[2]。L型螺旋船卸货机（LSSSUs）因其对货舱结构的适应性、高效率和环境效益而特别常见。在运行过程中，螺旋输送机的输送能力和能耗受其运行参数的显著影响[3]，[4]。因此，确定这些参数的适当范围对于提高输送效率、改善能源利用和保持输送系统的稳定性至关重要。然而，关于LSSSUs的全面研究仍然有限。
与传统的单结构螺旋输送机（如水平或垂直螺旋输送机）相比，LSSSUs的配置更为复杂。如图1所示，该系统包括一个水平螺旋回收装置、一个垂直螺旋提升装置以及相关的驱动组件。水平无槽螺旋穿过物料床层，通过旋转和平移运动输送颗粒，并通过转移点将颗粒传递到垂直螺旋中，由垂直螺旋将颗粒提升到卸货口进行后续运输。对于单个水平或垂直螺旋，理论和实验研究已经考察了能耗、输送效率和扭矩特性，为LSSSU的研究提供了重要参考[5]，[6]，[7]。早期研究建立了基础设计原则。Roberts和Willis[6]，[8]基于缩放模型和尺寸分析开发了通用方程，揭示了流量、功率和速度系数与输出、旋转速度、倾斜角度、堵塞长度和径向间隙之间的关系。Rademacher等人[9]将垂直螺旋中的颗粒集合体视为准刚体，引入了无量纲参数（如功率数、容量数和填充比），阐明了几何形状、运行条件和摩擦对效率和能耗的影响。Yu等人[10]基于压实应力提出了水平螺旋的扭矩模型，展示了扭矩、物料负载和螺旋直径之间的立方关系。Dai等人[11]扩展了这一模型以解释生物质进料中的堵塞机制，而Metcalf等人[12]和Li等人[13]开发了将输送速度、扭矩、轨迹和填充比相关联的模型。尽管这些研究大多基于理想假设，为简单输送机提供了指导，但它们对于更复杂的系统来说还不够充分。实验方法虽然信息丰富，但成本高昂且难以捕捉颗粒的瞬态行为，而数值模拟则具有成本效益和可视化优势[2]。
离散元方法（DEM）能够进行颗粒尺度分析，从而精确控制颗粒-颗粒和颗粒-设备之间的相互作用[14]，[15]。与实验和分析方法相比，DEM减少了对昂贵测试的依赖，并已被广泛应用于研究螺旋输送机的机制和性能[16]，[17]。McBride和Cleary[18]使用DEM分析了一个带有固定叶片和旋转外壳的垂直螺旋进料机，发现输送在旋转速度范围内是稳定的，流量-速度关系大致呈线性，床层深度和刀具设计对效率和能耗有显著影响。Aschenbrenner和Funke[19]将尺寸分析与DEM相结合，验证了输送效率与螺距角、弗劳德数和倾斜角度之间的关系。Ren等人[20]，[21]开发了一个多尺度DEM模型，系统研究了进料深度、平移速度和旋转速度对定向颗粒流的影响。他们早期的工作量化了动态平衡下的质量流量、有效输送效率、扭矩和功率的变化，并进一步提出了一个最佳运行组合，其特征是高旋转速度、大进料深度和低平移速度。Wang等人[22]、Lee等人[23]、Fang等人[24]和Minglani等人[25]进一步研究了颗粒大小、形状、旋转速度、填充水平和几何参数对输送性能和扭矩的影响，在适当的情况下结合了DEM和实验验证。
现有的关于独立垂直或水平螺旋输送机的研究已经建立了一个综合研究框架，整合了理论建模、基于模拟的优化和实验验证。这些研究阐明了关键性能指标（如质量流量和扭矩）与螺旋输送机结构参数之间的关系。所得到的见解为LSSSU系统的结构设计提供了宝贵的指导。然而，LSSSU涉及水平和垂直的耦合输送过程。在转移点，颗粒在输送方向和边界约束上发生突变，而主导的机械机制在剪切、摩擦和压实之间切换。这些耦合的几何和机械特性使得为单类型螺旋输送机建立的经典理论模型的基本假设不再适用，从而无法用于定量预测LSSSU的输送性能。此外，关于LSSSU的水平和垂直耦合输送机制的研究仍然很少，相关的实验或数值数据也仍然缺乏。
为了解决这些不足，本研究进行了结合实验和数值的研究，以定量评估运行参数对LSSSU输送性能的影响。具体研究目标如下：（1）模型验证：通过与实验比较来建立和验证DEM模型；（2）宏观性能分析：研究关键运行参数对输送性能的影响，包括质量流量和能源效率；（3）微观机制分析：利用DEM模拟获得的颗粒行为来阐明潜在的输送机制；（4）运行优化：提出旨在提高LSSSU系统输送效率和降低能耗的运行调整策略。
部分摘录
DEM模拟设置和验证
LSSSU的主要结构和具体尺寸如图2所示。其输送性能受水平和垂直螺旋协调的影响，这使得运行参数的影响更加复杂。因此，本研究将DEM模拟与实验方法相结合，系统地研究LSSSU的散料输送特性。本节介绍了用于研究LSSSU的DEM模型的设置、数据收集方法和验证。
运行参数对LSSSU输送性能的影响
Q和E的变化直接反映了运行参数对输送效率和能源利用的影响。如图6(a)所示，Q和E在不同运行参数下表现出不同的响应。
对于Q，V的影响最为显著，其次是H。这两个参数都显著促进了Q的增长，随着V的增加，Q表现出明显的线性增长趋势。相比之下，ωh和ωv的影响相对较弱：Q首先显示出轻微的增长
结论
开发并验证了一个基于DEM的数值模型，用于研究LSSSU在各种运行条件下的输送性能和能源特性。通过与专用LSSSU试验台的实验数据进行对比验证，结果显示在稳定的10-15秒时间内，质量流量的偏差低于12.3%，螺旋功率的偏差在11%以内。这些结果证实了DEM模型能够可靠地捕捉颗粒输送动态和螺旋功率
CRediT作者贡献声明
刘志远：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据管理。袁建明：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供。沈鹏：软件、资源提供、数据管理。尹峰：验证、软件、数据管理。滕健：验证、软件、数据管理。沈家鹤：撰写——审稿与编辑、监督、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢国家重点研发计划（编号：2024YFB4303503）的财政支持。
