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1、前言
    氣墊帶式輸送機是以氣墊代替托輥支撐的膠帶輸送機，其結構如圖1所示。由于其新型的出力方式減少了運輸阻力，具有節省維修費，改善勞動條件等優點，因而越來越受到有關使用單位的歡迎。氣墊帶式輸送機是20世紀70年代初首先在荷蘭研制成功的，世界上一些發達國家如英、美、日、俄、加拿大等國也相繼開始研制生產，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，太原重型機械學院于20世紀80年代首先開始研究氣墊帶式輸送機。到目前為止，國內的氣墊帶式輸送機已經具有一定的發展規模，如江蘇吳江江達機械制造有限公司研制生產的輸送機系列最大帶寬達到1400 mm、最大輸送能力達到1500 t／h�？偨Y國內外的氣墊帶式輸送機發展情況，可以知道這種帶式輸送機具有良好的發展前景。
    在實際的應用中，皮帶機在運行中經常發生膠帶跑偏現象。雖然理論上只要做到輸送帶居中、料斗校準、使落料對中就不會跑偏，但在實際作業中仍然較常出現空載運行時膠帶不跑偏而加載后跑偏的問題。引起氣墊皮帶機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。在加料點處對膠帶加料不正，或者前后兩條輸送帶在垂直接續的情況下，前面輸送帶上的物料以拋物線拋下，形成布料不均，都可能導致物料偏心堆積。當輸送帶跑偏量超過一定的限度時，可能會出現輸送帶擦邊、壓死和輸送能力減弱等現象，更甚至會造成輸送機無法正常工作給工廠造成一定的經濟損失。因此，防止氣墊帶式輸送機輸送帶跑偏已經成為氣墊帶式輸送機研究的一個重要方向。
    在防止氣墊帶式輸送機輸送帶跑偏的裝置中，按照調節方式可以分為自動調節防跑偏裝置和手動調節防跑偏裝置，另外按照調節裝置的工作原理可以分成機械調節防跑偏裝置和自動調節防跑偏裝置等。所謂平衡孔是在項目專利申請號：200710040373的專利中提出的在盤槽上開設的一個小孔，利用氣墊帶式輸送機本身氣源，通過附屬裝置檢測輸送帶跑偏量控制小孔打開程度以達到矯正輸送帶跑偏的效果。在盤槽上開設平衡孔并增加附屬控制調節裝置來達到防止氣墊帶式輸送機輸送帶跑偏的方式是其他防跑偏方式無法達到的。這種防跑偏方式的優點有：(1)防跑偏裝置與輸送帶直接接觸面積少，所產生的摩擦力小，大大減少了摩擦所產生的能源損耗；(2)不需要另外附加氣源；(3)加工簡單，成本低廉等。
2氣墊流場三維數值模擬
    為了準確地研究氣墊帶式輸送機盤槽開設平衡孔在復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對輸送帶的水平平衡效果。模擬實驗選擇了Fluent軟件來進行j維數值模擬氣墊帶式輸送機氣墊流場。在氣墊帶式輸送機實際運行工況中，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，采用二維模型進行數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，所以采用二維數值模擬氣墊流場是不能夠精確描述氣墊的實際氣體流動狀況的。三維模型數值模擬除能夠全部得到二維模型數值模擬能夠得到的參數情況以外，更能表現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、熱傳遞及化學反應等的工程問題，都可以用Fluent進行解算。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。例如，石油天然氣工業上的應用就包括燃燒、井下分析、噴射控制、環境分析、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維數值模擬模型是采用CAD軟件建立的。建立氣墊流場三維數值模擬模型時，氣墊帶式輸送機氣墊橫截面坐標模型如圖2所示，根據項目的參數要求選取輸送帶寬B-1 400 mm，最大盤槽位置角∮＝30°，通過圓的幾何屬性計算得到盤槽半徑R-1 337 mm;參考文獻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化模擬實驗中選取中心厚度為3.5 mm時，氣墊中心區域大面積形成壓力聯通，因此在本模擬實驗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面，然后分別以hmax和^min值確定的三點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，參考項目參數選取氣孔排數n-7，每一排氣孔的盤槽位置角度θ分別為：8，16，24；防跑偏氣孔開設在模型縱向對稱面上，選取平衡孔開設盤槽位置角度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行參數修改，其中氣孔5為氣墊帶式輸送機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，根據在盤槽氣孔排布優化的結果選擇第1排～第4排氣孔直徑分別為：4 mm，4 mm，4 mm，3 mm。其中具體實驗小組的特征數據如表1所示。
2.2模擬求解
  模型采用六面體和楔形混合體進行網格劃分，網格劃分結果如圖5所示。邊界條件設定：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三維雙精度進行計算，氣墊流動介質為氣體，模型選取層流非耦合計算迭代。
2.3模擬結果分析
    分析對比各組模型的模擬結果，可以看到模擬實驗的方法基本上準確可靠。但是，由于數值模擬中所采用的模型是筆者參考前人的研究選取相應的數據建立的理想化模型，其中和輸送機氣墊的實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際情況中受到物料的分布不均勻和沖擊等影響使其數值不是一個定值；氣墊厚度在氣流壓力的不穩定下在實際中呈現出不完全對稱性；輸送機正常運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算結果與實際工況的一致性。
    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而改變。其中平衡孔的開設增加了流出的氣流量，使得總氣流量達到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域的緩沖干涉。
    對比表1和表2可以得到如下結論：    -
    (a)其中奇數組的平衡孔直徑是2 mm，偶數組的平衡孔直徑是1 mm，所以根據相同的物理模型計算可以知道相同條件下大直徑平衡孔模型所產生的氣流噴射力要大于小直徑平衡孔模型，而根據表2顯示只有第(5)組和第(6)組模型符合上述特征。造成這一現象的原因可能是：①建立模型時的參數選擇和簡化帶來的與實際的誤差；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力存在。在實際應用中，采用附加控制氣流量大小的調節裝置還是可以達到控制平衡孔作用效果的；
    (b)比較前四組和后四組結果，我們可以發現開設平衡孔的盤槽位置在20。時要比在27。時平衡．孔產生的水平平衡力增大26.5%～67.8%。其產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驗小組，我們可以通過計算得到：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%。從中我們發現開設平衡孔時，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，平衡力出現了負增加。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選擇合適的平衡孔中心軸方向角度。
    總結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應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結論
    (1)在氣墊帶式輸送機的盤槽上開設的平衡孔具有一定的水平力作用，能夠達到增加輸送機運行穩定性的效果，開設平衡孔的方式增加運行穩定性在實際應用中是可行的。
    (2)氣墊帶式輸送機開設平衡孔的位置在20°時要比在27。位置時平衡孔產生的水平平衡力增大26.5%～67.8%。
    (3)在氣墊帶式輸送機盤槽大角度位置開設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生的平衡力變化更加明顯。