周六凌晨，看完了世界杯小组赛最后一轮，最大的看点是韩国队最后时刻由孙兴慜一路狂奔秒传给黄喜灿打入致胜一球，当天的朋友圈中都使用到了这样的标题：“卡塔尔世界杯中日韩均进入了世界杯16强……”，当天上午，由于种种原因，这一周的组会还是在线上进行的，基本上过了一遍同学们近期的工作，高兴的看到，同学们努力和勤奋做了非常多出色的工作，不给自己设限，把握目标的同时，进行了非常好的自由探索……，期待接下来更多的好文章和成果呈现。

周日凌晨，进入到我的主队阿根廷的淘汰赛，梅西接奥塔门迪的做球，在上半场打入一粒精彩进球，这也打破了澳大利亚队的缜密防守，下半场，“小蜘蛛”阿尔瓦雷斯与德保罗合作，前场逼抢下再次拿到了一粒进球，但接下来替补登场的劳塔罗三次“吐饼”让我阿球迷甚是紧张了一阵儿，多亏了圣马丁最后时刻的神勇，保住了胜果，有惊无险的进入了8强。这场比赛赛后还是有很多看点的，对我而言，这里最大的看点莫过于“阿根廷奥塔门迪的神助攻”图1（b）所示，对比图1（a）中“布教授”（布斯克茨，巴萨队员）在国家德比中“世纪助攻”而言，有过之而无不及。布教授和奥塔门迪都是将球准确的“放”在梅西面前即可。这个助攻之所以被称为“世纪助攻”或者“神助攻”，来源于梅西的连过数人和4人防守中狭缝中“手术刀般”的精彩射门，解说员只能重复的说“Wonderful，Wonderful，Wonderful……”，这球换了谁都将让进球显得困难，这时只有梅西能够“天神下凡”完成进球，给做球的人增加一次助攻记录（这里专指“布教授”和奥塔门迪轻松喜获一枚助攻）。

回到我们科研工作和生活中，尤其是在学生培养上，这里也是赛场，现在的我们老师多数情况下是进行助攻表现，有时候可能连助攻都谈不上了，进球的全是学生。最近东南大学梁财教授和我们团队合作，在“Chemical Engineering Research and Design（IF 4.119）189（2023）272-281”上发表了题为“The axial force model optimization and dynamic characteristics of shear-friction force in screw”一篇论文，刘宁同学是本篇论文的第一作者，也就在近期获得了网络首发。我和梁老师都认为，优秀的学生总能将科研工作做出“花”来，就像“有梅西在，什么助攻都能解决问题”，我们可以理解为“有优秀的同学们不断努力和探索，我们总有有趣且优秀的论文发表”，这也就是我们作为老师所期待的“神助攻”的另类解读吧！

这篇论文讲了一个很多粉体技术所面临的一个实际需要，我们科研中对象是烟草颗粒，而众多粉体中可能遇到各种各样的颗粒，这里用到的是再常见不过的“料仓+螺旋给料器”这个设计（图2所示）来定量稳定的输运粉体颗粒 

在我攻读博士期间（2003年以前）也接到过类似“传球”，当年工作时，我面对的对象煤颗粒，有些煤粉就挺好，在“料仓+螺旋给料器”中比较容易的输运，我可以非常容易的定量喂料，但遇到一些感觉粘性比较大的，都非常吃力，一方面，我喊来师弟帮我在颗粒的输送沿线进行持续“敲打”，咣咣咣个不停，师弟说“我的博士学位是锤子敲出来的，哈哈哈”，另一方面，我把我的煤粉在低温下（200℃～300℃）空气处理一下，这叫“脱粘”，这时候煤粉在输运过程中也能顺畅一点，但有些用这两招都不好使，我只能另选其他煤种“碰碰运气”，但今天的工作遇到烟草颗粒，我看是无论如何也过不了“这个坎了”。世界杯上要是都是“国米的一高一快”，纵有德布劳内和梅西如何“喂饼”（希望仅限于最近这两场比赛），也被吐个精光。

回到文章中，单看题目，对于粉状颗粒输运而言，螺旋给料器的轴向应力模型构建与其中的剪切与摩擦力将是论文研究的重点问题，就像刚才介绍到了我们需要敲打，不断变化“料仓+螺旋给料器”和“粉体物料”的动态结构，另外，颗粒间的粘附力影响了过程中的剪切。在这套系统运行中，粘性散状物料容易被压缩结块，影响后续的处理过程。所以建构一个力学模型来预测螺杆内粉末的轴向力特性，这对深入了解粉体在螺杆内的压缩行为具有重要意义。这个系统的受力分析显然是与“料仓+螺旋给料器”结构相关，同时与粉体物料性质也同样具有相关性。如何知其然还有知其所以然，构建物理模型、建立试验装置并进行影响因素分析等等显得尤为重要。

所以，本文的主要工作是建立了一个理论模型来研究螺旋中颗粒材料在其中轴向力特性。采用螺杆边界轴向力模型对垂直应力和轴尾侧受力进行了优化。通过物理参数和无量纲几何参数分析了颗粒材料在四个边界上的应力特性。提出了料仓、螺旋给料器内和物料重力平衡的创新方法，探索了物料的轴向剪切摩擦力，验证了理论的可靠性。同时，顺便研究了转速和颗粒粒径对轴向力的影响。对无量纲颗粒尺寸与轴向剪切和摩擦的关系进行了深入分析。

首先，试验装置还是搭建起来了，图2中显示装置示意图，可以看到三根平衡吊绳，同时可以看到试验中关键的三个传感器所在的位置，这些数据的采集是未来对模型验证所必须的。另外图3中显示了各部分的结构尺寸信息，显示出螺旋给料器轴径、螺纹径、套管内径和螺距以及料仓+半套管+螺旋轴（会造成力积分上下限的不同）和全套管+螺旋轴部分的尺寸，这些都将成为周向应力和其他应力计算的边界。

试验操作过程可以简单描述为：颗粒物料通过进料斗加入料仓，然后启动电机，通过传感器记录料仓底部应力、质量流量、轴向剪切力和摩擦力的组合后应力。试验过程像极了昨天凌晨“梅西的那脚射门，看起来太过简单，但就是实用”

有时候看似简单的试验，分析起来也需要“千锤百炼”和“富有创造力的智慧”。

接下来就是对堆积状态下颗粒物料在螺旋给料器中输运过程进行力学分析。首先料仓段螺杆上的垂直应力直接影响螺杆内粉末的力学性能，在螺旋输送过程中，受到较大的应力会增加粉末团聚的可能性，此外，单螺距内的应力分布及其与边界的相互作用对粉末团聚同样至关重要。

料仓段垂直应力对于后续分析力学性能至关重要，这里使用了The Jensen (Sperl, 2005)经验公式（1），这里指的是料层高度为h时的垂直应力

如图2和图3所示，从左至右只有逐级对颗粒物料的受力进行分析，多数位置颗粒受力采用的是微元法，如图4所示，对图中微元进行平衡计算式（2），积分后得式（3），这里是一个螺距内的应力分析，推导过程不详述，请参考论文。 

剪切面应力使用同样的微元法，建立微元平衡式（4）积分（5），获得剪切面应力，这里是对0～π范围内进行积分。图4 对剪切面应力和螺旋轴面摩擦应力分析图（对角θ进行微元）

轴面应力使用同样的微元法，建立微元平衡式（6）积分（7），由于形式与5相同，只是系数不同，式（7）为其中的系数，获得轴面应力，这里是对0～2π和0～p范围内进行双重积分。

接下来的螺管应力（图）、螺面后侧应力分析这里就不赘述了，只需要注意的是料仓处螺管积分是上下限为（0～π）。 

这里的Cs，Cc和Cp已经更新为了无因次量纲，这是工程学中常用方法。为后续结果的对比分析创造极好的条件。

当然这里（图5中c）是需要我们整理的周向应力分析就是前述四种力的加加减减了，这里分析的是在料仓段，在全螺管段时候，注意积分区间就好了。

至此，模型构建的工作几近完成了，估计到这里剩余的读者不多了，精彩继续。

接下来就是利用模型进行分析、验证与应用，这里首先考虑了材料内摩擦角和壁面摩擦角，它将作用在螺管和轴表面的力是由摩擦产生的，并受摩擦角的影响。此外，摩擦角还改变了材料的合力方向。与材料板结应力相关的内摩擦角是为了抗剪切作用，图6显示了璧面摩擦角和颗粒内摩擦角对轴向应力的影响

除颗粒的物理性质外，“料仓+螺旋给料器”的几何参数对螺杆的性能也是至关重要的。在给料器几何参数一定的情况下，确定了给料过程中粉体颗粒的运动学和力学特性。无量纲螺距(P/Do)、轴径(Ds/Do)和套管内径(Dc/Do)是需要考虑的给料机特性参数，也就是说，之前所讲到的无量纲量对分析起到了重要作用和价值。图7显示了无量纲螺距(P/Do)、轴径(Ds/Do)和套管内径(Dc/Do)对轴向应力的影响

通过对不同物料计算结果与试验结果的对比可知，如图8所示，模型构建的水平还是“杠杠滴” 

接下来，试验获得了整体受力过程，如图9所示 

再接下来，分析了转速对物料输送过程中摩擦力和剪切力合力的影响规律，如图10所示。

再接下来，分析了颗粒大小对输送过程中摩擦力和剪切力合力的影响规律，如图11所示。

以上这些工作，为了直观地反映输送过程中的动态轴向剪切摩擦力，为我们研究提供了一个创新的方法-绳索平衡重力。可以看出，轴向剪切力和摩擦力的联合试验数据与理论预测吻合较好。根据轴向力的特点，可将输送过程清楚地分为启动时刻、动态流场建立阶段、稳定阶段和卸载阶段四个阶段。启动力矩的力有一个明显的峰值。转速对轴向剪切力和摩擦力的弱依赖性进一步说明了模型的准确性，此外，对无量纲粒径与轴向力呈指数关系的模型进行了修正。在原模型中对量化后的无量纲粒径与轴向剪切和摩擦的关系进行了量化和优化。

这个工作，多是研究生刘宁同学的努力和创造，梁老师和我在讨论这件事儿的时候，突出赞美学生的才华在工作中所起到的作用，多么希望我们作为老师，可以像巴萨与皇马国家德比中 “布教授”（布斯克茨）和昨天阿根廷与澳大利亚比赛中“奥塔门迪”那样简单一传，而富有创造力的同学们就像“梅西”那样闪电一击，解决了所有问题。“教学相长”，二十年前的我接到“传球”后“敲打”出来了个博士，而今天的同学们在创新的路上开启了一个新的阶段。

这次我只是简单的介绍了一下整个论文或者说工作的创作思路，详细的内容请参见论文（图12论文首页），细心的读者可以发现，这篇文章只是我们未来工作的一个开始，“金矿”还在后面，敬请持续关注……