气垫带式输送机气室结构改进与仿真

秦浩然 孟 俊

太原科技大学 太原 030024

摘 要：利用Fluent 软件对气垫带式输送机气膜和气室流场进行了仿真分析，得出管状气室和传统气室形成的气膜压力和速度。将管状气室结构改进为锥形气室结构，结果证明锥形气室的稳压性能比管状气室更好。为气垫带式输送机气室结构提供了理论依据。

关键词：气垫带式输送机；管状气室；锥形气室

中图分类号：TH222 献标识码：A 章编号：1001-0785（2020）21-0044-06

1 气室结构的发展

气垫带式输送机在粮食的存储和运输上具有天然的优势，使得其在散粮输送和仓储系统中应用非常广泛。气室作为气垫带式输送机的关键部件，合理的气室结构能够提供稳定的压力气流，提升气垫的承载能力，减少能力的损失。工程中最常见的气室的结构多为矩形和月牙形[1~3]。

如图1 所示，矩形气室的形状简单，制造成本低，但气室截面较大，容易形成气旋，结构刚度差，使用过程中容易发生形变，影响气膜稳定。主要用于小带宽气垫带式输送机。

图1 矩形气室 图2 月牙形气室

如图2 所示，月牙形气室是在矩形气室的基础上的改进，缩小了气室的截面积，气室的刚度与矩形气室基本相同，气体流量损失相比矩形气室小，降低了能量损失。主要用于1 m 以上的大带宽中。

近年来，孟 俊提出了管状气室结构，如图3。管状气室与盘槽形成一个整体，解决了盘槽刚度不足的问题。压力容器受压时的应力状态，说明曲线气室更适合承受内部压力，稳定性更好。同时降低了气室内涡流的产生，减少了气室内能量的损失[4]。

图3 管状气室气

中在此基础上将管状气室结构改进为锥形气室结构，通过仿真证明锥形气室的稳压效果好于管状气室，更有利于气膜的稳定。

2 气体流场理论基础

气膜厚度与输送带的宽度之比为500 ～ 700，且气膜为中间厚两边薄，因此将气膜内气体流动简化为锲形平板缝隙流动[5,6]，如图4。

图4 气膜简化模型

2.1 气垫中气体流动规律

取气膜中气体微元，如图5。忽略气体质量和惯性的影响，只考虑压力和气体流动阻力，作受力平衡得

式中：z 为气膜中距离盘槽的高度，p 为气膜中所取微元处的压力，dp 为气膜内沿着x 方向的压力增量，dx 为沿输送带宽度方向的增量，τ 为气体层间的粘性力。

图5 气垫流场计算模型

考虑气体粘性导致沿气膜厚度方向的气体流速不同，有

式中：μ 为气体粘度，vx 为沿输送带宽度方向的气流速度。

根据边界条件： 当时z=0，vx=0； 当时z=H，vx=0，得气膜内部任意位置x 处，沿气膜厚度方向上气流速度vx 与气膜压力的关系为

式中：H 为气膜厚度。

沿x 方向上，气垫任意位置x 处气体的流量qx 为

同理可知沿输送带运行方向气体的速度分布规律。

代入边界条件： 当z=0 时，vmy=0； 当z=H 时，vmy=vd得

式中：vmy 为沿输送带运行方向的气流速度，vd 为输送带运行速度。

沿输送带运行方向的气体流量qmy 为

根据以上公式可知，气体沿输送带带宽方向的流动属于压差流动，沿输送带运行方向的气体流动属于剪切流动。

气垫带式输送机气垫中气体的扬程损失为

式中：λ 为沿程阻力系数，l 为所研究气膜的长度，H 为气膜厚度，ρ 为流体的密度，v 为流体的平均流速。

根据孔口流出理论可知单个气孔的气体流量为

式中：ξ 为局部阻力系数，d1 为气孔直径，qk 为单个气孔的流量，Py 为气室压力，Px 为气膜压力。

2.2 气室的流动规律

图6 管状气室内空气流动

图6 中为管状气室的计算简图，根据流体力学的相关知识得到气室中任意位置y 处的压力和速度为

式中，Py 为气室中任意位置y 处的压力，Pin 为气室入口压力，Q 为输入气室的流量，Pk 为盘槽气孔处流出的流量，r1 为气室直径，ξ 为局部阻力系数，λ 为沿程阻力系数。

3 气体流场仿真

3.1 仿真参数设置

按照带宽为1 400 mm，气室长度3 000 mm 的气垫带式输送机盘槽和气室结构建模，盘槽上气孔采用交错布置，从中心向两端气孔直径依次为5.5 mm、4 mm、3mm。气孔纵向间距为125 mm，横向间距为80 mm。图7和图8 为管状气室结构和传统气室结构模型尺寸示意图。

图7 管状气室结构

图8 传统气室结构

使用Fluent 进行仿真。气垫带式输送机气流速度较低，可看作不可压缩流。空气粘度为7.9×10-6 Pa·s。选择k-epsilon(2eqn)、pressure-Based 求解模型。气垫带式输送机气膜和气室内气体流动处于湍流状态。

3.2 仿真结果

3.2.1 传统气室结构与管状气室对比

在相同气室输入压力、出口压力和气孔分布的条件下，分别对传统气室结构和管状气室结构的气垫带式输送机进行仿真。图9 为两种结构的静态压力分布。忽略气孔影响，管状气室结构的气膜中心静态压力约为2050 Pa，传统气室结构的气膜中心压力约为1 700 Pa，管状气室结构的气膜压力比传统气室结构的气膜压力增大20.6%。

图9 两种结构的静态压力分布

图10 为两种气室结构的气膜动态压力分布。从图

中可以看出在气孔处，管状气室结构的气膜动态压力比传统气室结构更大。忽略气孔处的压力波动，两种气室的动压趋势基本相同，管状气室结构气膜动态压力波动程度大于传统气室结构。

图10 两种结构的动态压力分布

3.2.2 管状气室内气体流场状态

通过分析可知管状气室形成的气膜压力更大，相对承载能力更强。取单支管状气室进行仿真，得到管状气室内气流沿着气室的速度分布情况，如图11。

从0 点开始，管状气室内气流速度随着气体在气室内流动距离的增大，气体的综合流动速度逐渐减小。气流速度在管状气室中波动较大。

图11 管状气室的速度分布

图12 为管状气室的动态压力分布。气室动态压力随着气体流动距离的增大动压逐渐降低转化为静压，动压是不稳定的转化为静压后更有利于气膜的形成。

图12 管状气室动态压力分布

图13 中，管状气室的静态压力分布，最大静压力为2 575 Pa，稳定后的最小静压力为2 275 Pa。管状气室平均压力变化为100 Pa/m，因此管状气室的压力波动较大。由于管路高压区和低压区的压力差过大，导致高压区形成的气膜较厚，低压区形成的气膜较薄，从而引发气膜的不稳定。气室压力的不均衡制约了单个气室的长度，同时使得运行阻力增大。

图13 管状气室静态压力分布

3.3 管状气室结构改进

根据仿真结果可知管状气室存在压力波动较大的问题，为了解决这一问题在管状气室的基础上增加一定的斜度形成了如图14 所示的锥形气室。

图14 锥形气室模型图

将管状气室两端设计成不同直径的截面，以一定的锥度从气室的一端过渡到气室的另一端，如图14b 为锥形气室直径小的一端，图14c 所示为气室直径大的一端。锥形气室在不改变盘槽刚度的条件下，希望能够稳定气室的压力。

3.3.1 锥形气室流场理论推导

图15 锥形气室内空气流动

图15 为锥形气室的计算简图。在沿着气流流动的方向上气室的半径逐渐减小。根据公式9 的到锥形气室中任意位置y 处的压力中任意位置y 处的压力

式中：Py 为气室中任意位置y 处的压力，Pin 为气室入口压力，Q 为输入气室的流量，qk 为盘槽气孔处流出的流量，R 为气室直径，ξ 为局部阻力系数，λ 为沿程阻力系数，k 为锥形气室的锥度。

3.3.2 锥形气室仿真结果

与管状气室相同边界条件设置下，对锥形气室进行仿真得到了锥形气室内气流速度分布和压力分布。仿真结果如下：

从0 点开始，锥形气室内气流速度随着气体在气室内流动距离的增大，气体的综合流动速度逐渐减小。对比图11 和图16 中可以看出，管状气室中气流速度波动大，锥形气室中的气流速度波动较小。锥形气室中的气流随着流动距离的增加，气室截面积减小，一定程度上减弱了气流在气室中的波动程度。

图17 中锥形气室的最大静压力为2 330 Pa，稳定后的最小静压力为2 290 Pa。锥形气室的静态压力波动比管状气室减小约87%。管状气室平均压力变化为100Pa/m，锥形气室平均压力变化为13.3 Pa/m。与管状气室相比锥形气室的稳压效果明显，有利于气膜稳定。

图16 锥形气室速度分布

图17 锥形气室静态压力分布

图18 为锥形气室的动态压力分布。锥形气室动态压力的变化趋势与管状气室基本相同。对比图12 可知锥形气室的动压波动小于管状气室。两种气室都存在动压转化为静压，有利于气膜的形成，因此锥形气室更具优势。

测量两种气室的气体流量，锥形气室结构气体流量为0.009 532 5 kg/s，管状气室结构气体流量为0.010 8083 kg/s，锥形气室结构比管状气室结构气体流量降低了11.8%。

图18 锥形气室动态压力分布

4 结论

通过对不同气室结构流场的速度分布、压力分布可以得到以下结论：

1）管状气室形成的气膜压力比传统气室更大，有利于提高气膜的承载能力。

参考 献

[1] 王鹰，孟 俊，黄霞云，等. 长距离大运量带式输送机关键技术及国内发展现状[J]. 起重运输机械，2005(11):1-3.

[2] 刘大昌. 高速重载气垫带式输送机气膜形成机理及其实现[D]. 北京：北京交通大学，2015.

[3] 朱小龙. 节能大输送量气垫带式输送机关键技术的研究[D]. 苏州：苏州大学,2016.

[4] 张立凯. 气垫带式输送机新型气室的计算与仿真分析[D].太原：太原科技大学,2018.

[5] 庞明军, 张锁龙, 倪新跃, 等. 气垫带式输送机气垫参数分布规律[J]. 江苏工业学院学 ,2005(04):27-29.

[6] 陈苏明. 气垫带式输送机机理及应用研究[D]. 武汉：武汉理工大学, 2002.

[7] 赵宪杰. 管道气垫带式输送机设计方法研究及部件创新[D]. 太原：太原科技大学,2018.