河北港口集团港口工程有限公司
王蕴华、司玉军、高峰

摘要：本文以带宽为1800mm、输送量为2000t/h的双气垫带式输送机为研究对象，通过试验分析气垫带式输送机气垫流场特性变化，再根据试验结果得出最合理的气孔排布和风机风量。本试验揭示了气垫带式输送机气孔分布和风机风量与运行能耗的内在关联，为大输送量气垫带式输送机的低能耗、高稳定性设计提供了理论依据与优化方向。
关键词：双气垫带式输送机；气孔分布；风机风量；节能性
一.前言
气垫带式输送机是一种广泛应用于港口散粮码头水平输送作业的新型输送设备，它具有长距离、大产量、节能、免维护的性能，与普通的带式输送机相比，在输送物料的过程中能节省20%左右的能耗，节能效果十分显著。而气垫机不同的气孔排布和风机风量还能够影响能耗，因此有必要对气垫带式输送机的气孔排布和风机风量作进一步深入的研究，节省更多的能耗，降低能源成本，维护经济可持续发展。
河北港口集团港口工程有限公司和江门市南方输送机械工程有限公司技术部门在太原科技大学孟文俊教授指导下共同研发，通过不同的试验分析气垫带式输送机气垫流场特性变化，观察其气室压力、气垫厚度、流量和流速，寻找其最合理的气孔排布和风机风量。最后进行数值建模与仿真模拟，验证试验的准确性和适用性，优化结果，获得能耗最小的气孔排布和风机风量。

二.试验目标
1、对气垫带式输送机进行气垫压力流场关键参数试验，记录相关数据，分析不同参数下压力流场特性变化规律。
2、根据气垫带式输送机结构参数进行数值建模与仿真模拟，将仿真数据与试验数据进行分析对比，并优化结果，修正气垫流体域模型，得到合适的气垫压力流场设计理论和评价指标。

三.试验内容
1.合理的盘槽布置能够节约能耗（流量、功率、风量、阻力）。盘槽的结构优化、排布方式、气孔大小布置的合理性，使得盘槽工艺简单、运行阻力小、承载能力大。通过带宽为1800mm的气垫带式输送机试验台，并结合仿真进行验证，对盘槽气孔排数、气孔大小、气孔排距以及气孔间距进行合理优化，探索各个参数之间的规律。
2.在输送粮食过程中，保证输送量的前提下，合理调整风机流量使得气垫压力流场、气垫厚度、气室压力达到最优状态。从而提高风机工作效率，实现风机流量最小、更节能。

四.试验条件
试验台全长9m，物料和输送带共计1.5t，风机最大功率4kW，盘槽角40°，盘槽半径1m，带宽1800mm，气孔排布共计7排，气孔排距为80mm，单排孔间距为124mm。如下图所示为气垫带式输送机试验台。

五.试验步骤
1.根据试验目标，建立不同参数关系，拟定试验参数记录表等。
2.根据试验内容关键参数要求，选择合适量程的压力、流量、气垫厚度，拉力计、电流表、流量计等传感器，并在关键位置处安装对应传感器，按照记录表依次进行试验。
3.进行多组试验，同步记录试验数据。包括风机电流、风机流量、气垫厚度、气室压力、气垫压力、拉力等。
4.归纳总结。分析所采集的试验数据，以风机功耗最小为目标，分析各个盘槽气孔排布方式得出气垫流场参数变化规律。并绘制图像对比处理，得出试验条件下的最优盘槽排布和风机功率。
5.根据试验数据和分析结果，建立流体域三维模型，设置相关仿真参数，完成压力流场的关键参数仿真。将仿真和试验结果对比，分析承载能力变化。并结合优化算法对压力流场参数进行多目标优化分析。

六.试验和仿真结果分析
1.气垫压力流场试验分析
风机进风量是气垫流场运动的主要参数，为研究不同工况下气垫流场的变化情况，通过改变风机进风量和气孔排布，分析在有限输送量不变的情况下，风机能达到的最佳功耗与气垫流场压力变化情况。
试验在12种工况下进行，即风机的三个不同档位，分别测量气室压力、气垫厚度和风机功率，每种工况测量多次取平均值。结果如下表1所示。
表1

2. 气垫压力流场仿真分析

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图2 不同排数下气垫压力云图

图2(a)为工况11下的压力云图，图2(b)为工况7下的压力云图，图2(c)为工况6下的压力云图，图2(d)为工况1的压力云图。不同工况结构参数条件下，气流从鼓风机进入盘槽下方气室，经气孔产生高压气体，气流在输送带和盘槽间形成气垫，支承起输送带，从输送带两侧溢出。结果表明，三排布孔中间动压力较大，压力呈现集中分布状态，在10m³/m风量作用下气垫厚度达到1.8mm，中间部分气室压力高达2500Pa。单排布孔方式，压力流场分布规律与三排孔相同，中间压力过高，向两侧突变较为明显，造成的压力差高达1031Pa。相对而言五排布孔排布造成压力差只有385Pa，整体气垫压力流场变化表现较为平缓。

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图3 不同排布风量下气垫压力对比图

从输送带静压分布云图上沿带宽方向截取一条参考线，并提取相应压力值进行对比分析。分析可得，工况7中气孔压力最高达到了3098Pa，气垫厚度为0.5-1.5mm。工况8中，气孔压力最高达到2700Pa，气垫厚度为0.4-1.4mm。工况9中，气孔压力最高达到2300Pa，气垫厚度为0.3-1.1mm。由图可知，风机风量对气垫压力的影响较大。特别对于单排或者三排，波动范围较大；对于七排气孔排布，风量主要影响气孔进口的压力大小，整体的气垫压力稳定。对于三排和单排盘槽下的气垫压力流场，整体分布效果不如五排和七排，并且他们的入口压力上下浮动过大，会造成中间气垫厚度过大，产生涡流现象。在风机风量为15m³/m的情况下，五排气孔排布的气垫流场整体流场压力下的最大摩擦阻力为210N，比起其他排布更有优势。气垫带式输送机的流场域形状取决于气垫厚度，气垫厚度又与气垫压力有关。因此，在气垫带式输送机气垫流场的研究中，首先需要了解气垫压力分布、气垫厚度分布及流场域的情况。

图4 五排气孔排布下下气垫厚度与气垫压力关系

通过设置风机风量，气垫厚度，气垫压力，观察在五排布孔方式下气垫压力流场的变化规律，如图8所示。当气垫压力突然增大时，其气垫厚度在相邻两侧上涨28.6%，在风机风量的变化过程中，风量的大小能直接决定气垫厚度的最大值。因此，在风机风量为15m³/m时，气垫厚度与气垫压力的比值最为恰当。可以看出，随着测量点越靠近盘槽的中心，气垫厚度值也越大。当气垫带式输送机在负载相同时，供气参数随之改变。气垫从开始形成直到实现稳定支承是一个逐步平衡的过程，当采用较大的供气参数时，达到平衡时的气垫厚度会更大，相应地，维持这一稳定支承的能量消耗也会更大。
3.仿真与试验对比研究
按照理论计算得到的气垫厚度，进行气垫流场三维建模分析，根据理论参数得到不同工况下满足支承条件的理论气垫力。通过仿真得到的气垫作用在输送带上的压力与试验进行对比，来进一步验证气垫厚度计算方法的准确性和适用性。

图5 不同工况气垫压力试验与仿真对比

结合试验、理论计算与仿真结果进行分析，并进行相应的数据处理，汇总后得到如图5所示结果，分别对应单排（工况1、2、3），三排（工况4，5，6），五排（工况7、8、9）可以看出，三维模型对仿真的结果有着直接影响，而气垫流场三维模型的建立是以气垫厚度计算结果为基础。为此，进一步将仿真计算值与理论和试验值对比，并结合图4，可以看出气垫厚度计算结果越准确，由此建立模型并仿真的结果就越贴近理论值。
由图5可知，当盘槽设置为单排孔时，风量为9m³/m到风量10m³/m，达到最大。对于仿真模拟和理论计算误差最小约为5%，当风量逐渐减小到8 m³/m时，其最大摩擦阻力变大，会造成气垫流场不平稳，不能有效地测量其气垫厚度，影响气垫压力的均值，对整个气垫压力流场产生明显波动。
在三排的气孔条件下，风量由10m³/m到18m³/m变化时，平均气垫压力数值模拟值略小于试验值，整体波动误差在10%。在五排的气孔条件下，风量由10m³/m到20m³/m之间变化，平均气垫压力其仿真值略小于试验值。整体波动误差在8.6%，造成误差的原因主要来源于气垫厚度，而整个气垫压力趋势与试验基本吻合，能够反映气垫流场的流动特性。
4.最大摩擦阻力分析
影响气垫带式输送机最大摩擦阻力的主要因素主要包括：风机风量、气孔排布、输送量、以及气室结构，为此针对风机风量和气孔排布两个因素进行优化。

图6 不同工况下最大摩擦阻力变化情况

如图6在启动12s内摩擦阻力变化情况，其中单排布孔方式随着风量变化波动较为明显在，10m³/m风量下最大摩擦阻力仅为360.7N，而9m³/m风量就达到了515.4N。对于三排布孔方式，15m³/m风量和18m³/m风量对应的最大摩擦阻力相差不大，10m³/m风量最大摩擦阻力达到了500.6N。五排布孔方式条件下同样如此。10m³/m风量最大摩擦阻力达到了480N，七排布孔方式10m³/m风量最大摩擦阻力达到了430.5N。综上所述，五排布孔条件下的最大摩擦阻力优于七排布孔，七排孔优于三排布孔，三排孔优于单排布孔。此时，五排孔15m³/m风量优于20m³/m风量，七排孔20m³/m风量优于15m³/m风量，三排孔18m³/m风量由于15m³/m风量。
5.气垫带式输送机能耗
气垫带式输送机牵引能耗一部分是气垫部分的流体摩擦能耗，还有一部分是非气垫部分的机械能耗。风机消耗不同功率可间接体现出不同参数条件下的输送机能耗特征。

图5 不同排布风量下风机功率变化情况

由图5可知，单排排布下，风量为10m³/m时，单排排布下风机功率相对于三排和五排来说要提高5.42%，由于气孔截面的限制，其风量不会在上涨。将气孔排距减小一倍，气孔增大一倍发现，风量达到13m³/m,，其风机功率变化不明显，当风量达到15m³/m时，功率相对于其他气孔排布来说较小。
在三排气孔排布与五排气孔排布的功率消耗对比过程中，发现风机功率随着风量变化近似呈现线性比例，五排气孔排布下功率的曲线较三排气孔排布方式更低。
6.输送带材料对其气垫流场的影响
以五排气孔排布为例，探究不同风量下不同输送带刚度对气垫压力流场特性的影响，分别从气垫压力，气垫厚度和最大摩擦阻力三个方面探究。

在不同的输送带刚度条件下，进行对比试验。输送带刚度的不同对气垫压力几乎无影响，刚度较小的输送带摩擦阻力相对于刚度较大的输送带的最大摩擦阻力相对较大，这是由于在盘槽中间刚度较小的输送带在压力流场的作用下形成的气垫厚度过大，导致输送带与盘槽两边的气垫厚度小，未能形成有效气垫，使的气体在输送带中间流动，造成阻力过大。
七.总结
1.不同气孔排布下对于气垫压力流场表现程度不同，可得五排气孔排布下气垫压力流场特性变化更为平缓。
2.试验测得五排气孔排布下风量为15m³/m，其最大摩擦阻力为210N，此时的摩擦阻力较其他形式的布孔方式摩擦阻力值较小。
3.气孔排布方式为五排的条件下，当风机风量为15m³/m时，功耗最小为1.32kw。
4.刚度较大的输送带比刚度较小的输送带在不同参数下的压力流场特性更有优势，其承载性能较大，最大摩擦阻力减少了10.2%，气垫压力流场变化更平缓，不会造成中间气垫压力过高、相应的气垫厚度过大以及使的气流在盘槽中间位置流动，从气垫机头机尾溢出，造成输送带两侧与盘槽磨损严重等问题。