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埋刮板输送机垂直输送原理分析 合肥工业大学1 河南工业大学2 毛广卿1、 2 赵 韩1 摘 要运用散体结构力学理论,以新的方法分析垂直型埋刮板输送机物料稳定输送的条件,并导出了物 料运行阻力计算式。结合实例说明各个参数对物料运行阻力的影响,为垂直埋刮板输送机的设计提供有效的参 考。 关键词埋刮板输送机;输送条件;工作原理;阻力计算 Abstract Bulk mechanics theory is applied to discussing conditions that vertical en masse conveyor conveys material steadily and deriving resistance to moving material. Also , an example is given to explain how various parameters influence the resistance. It is a helpful reference for en masse conveyor design. Keywords en masse conveyor; conveying condition; operation principle ; resistance calculation 垂直型埋刮板输送机经过几十年的发展,从理 论、设计、制造乃至应用都已十分成熟,成为一种 应用广泛的散料垂直或倾斜输送设备。但迄今为 止,垂直型埋刮板输送机在物料输送原理方面的研 究尚有不足之处,需进一步完善和补充。如物料的 整体输送条件除与物料的内压力、摩擦系数、机筒 截面、刮板形状等因素有关外,还应与刮板面积、 相邻刮板的间距有关。刮板在推动物料时,实际是 给物料一个局部的压力,如果刮板的面积过小,则 刮板的推力就会破坏物料的整体性,物料无法整体 随刮板一起移动。如果相邻刮板的间距过大,则每 个刮板给予物料的推力就很大,同样会破坏物料的 整体性而无法整体输送。另外,物料的运行阻力也 和刮板有密切的关系,物料的运行阻力与物料和机 筒壁间的压力有关,相邻2刮板的间距越大则中间 的料柱越高,物料的侧压力就越大,对筒壁的压力 和摩擦力也就越大。但是在目前工作条件下的理论 分析和阻力计算式中,都没有反映出刮板面积和间 距对工作条件和物料运行阻力的影响,说明这些理 论存在一定的问题。 埋刮板输送机的理论计算较为复杂,因为散料 的受力分析远比固体复杂,在进行理论分析时必须 作一些假设将问题简化。而假设的合理与否直接关 系到结果的正确性,因此不同的分析方法会有完全 不同的结果。本文在总结已有研究成果的基础上, 结合散体结构力学理论,用新的方法研究和分析物 料稳定输送的条件,进一步给出物料运行阻力的计 算方法,希望求得与实际更为接近的结果,为埋刮 板输送机的设计和制造提供一些参考。 1 散体局部受压时的稳定条件 见图1 ,刚性容器内的散体表面受局部载荷p 的作用,为了保持散体不发生变形,需要在p的 旁边再加上均布载荷q0。如果q0/ p大于某值,散 体将保持稳定状态而不会发生变形。如果q0/ p小 于某值,也就是说q0过小或p过大,则散体将失 去稳定状态,内部发生沿图中所示曲线方向的滑 动,出现局部向下沉陷、周围向上隆起的现象。根 据散体力学的理论,当q0和p值满足下列条件时 忽略散体的重力和粘性作用 , 散体能够保持稳定 状态[1] q0≥1 -sinφ 1sinφe - π tanφp 1 式中 φ 散体的内摩擦角 为简化后面的计算,令 1-sinφ 1sinφe - π tanφ K2 将K称为失稳系数,则式1可化为 q0≥Kp3 2 垂直机筒内物料稳定输送的条件 在埋刮板输送机的垂直段,物料受到机筒摩擦 阻力和自身重力的作用,同时受到刮板向上的推 力。为了使物料整体随刮板向上运动,物料必须具 31起重运输机械 2004 10 图1 散体局部受压 时的运动情况 图2 物料垂直 输送受力分析 有足够的内部压力。刮板给予物料的推力实际是一 个局部载荷p,物料的内部压力则是阻止物料在局 部载荷作用下发生变形的均布载荷q0,这与上面 所提的散体局部受压情况完全相同,仅是方向相反 而已,见图2。如果q0/ p足够大,物料就会保持 稳定的状态随刮板一起运动,否则刮板会像上面所 讲的局部沉陷一样在物料中穿行。这就是本文研究 的基本论点。下面借助“散体局部受压时的稳定条 件”理论讨论垂直段物料稳定输送的条件。 当垂直段机筒的高度 达到一定值时,机筒内的 物料便具有足够大的压力 和内摩擦力,成为结构密 实的整体被刮板向上推动。此时每个刮板所承受的 载荷是相同的,即1个刮板的推力,恰好克服2个 刮板之间物料以下简称1节物料的运动阻力 自身重力及机筒的摩擦阻力。为简化分析过程, 作如下假设1刮板为“O”型,并且四周与机 筒的间隙很小 ; 2 处于料柱同一断面上的垂直压 力均匀分布; 3 1节内的物料,侧压力随物料深 度的增加线性增大。由于每节物料的受力均相同, 现取1节物料为对象进行研究。 211 物料的受力平衡方程式 见图2 ,该段物料受刮板的推动向上运行时, 将受到以下5个力的作用忽略链条对物料的影 响 1下部刮板推力T2 T 22T2′ ; 2上 部刮板压力T1 T 12T1′ ; 3物料运行阻力W 包括物料重力和机筒摩擦阻力 ; 4上部物料的 压力N1;5下部物料的压力N2。5个力的平衡 条件是 T1 N1 W T2 N24 如前所述,在稳定输送时,刮板的推力恰好克 服1节物料的自身重力及机筒摩擦阻力,因而 T2 W5 又因物料前进过程中,其速度总是滞后于刮板 速度,刮板下方总是存在一个很小的空间,故 T10 代入式4可得到 N1 N26 也就是说当物料具有足够的高度时,每一节物 料的上顶面和下顶面具有相同的压力。 212 物料稳定运行的条件 设由力N1、N2形成的单位面积上的压力为 q0,刮板推力T2形成的单位面积上的压力为p , 如图3。根据散体局部受压时的稳定条件,当满足 q0≥Kp时,物料与刮板相对稳定,即能够整体 向上输送。 图3 物料稳定输送条件分析 实际上,由于物料运行速度总是略小于链条速 度,物料内部总在不停地蠕动变形,内摩擦力达到 最大,因而物料总是处于一种极限平衡状态。所以 q0与p的关系为 q0 Kp7 设刮板的面积为A见图2 ,则由刮板推力 T2形成的单位面积上的压力p为 p T2 A 代入式7并与式5联解,得到物料稳定 输送的条件是 q0 KT2 A KW A 8 3 垂直机筒内物料的运行阻力计算 设机筒的横截面积为BH,刮板间距为t , 物料密度为γ,物料上顶面的压力为 q0,如图4。 下面用积分法求1节物料的运行阻力W。 取一薄层物料,其厚度为dz ,面积为BH, 顶面的正压力为qz。薄层物料产生的侧压力为 qxξqz 薄层物料的重力为 dW1 BH γdz 41起重运输机械 2004 10 图4 物料运行阻力计算 机筒对薄层的摩擦力为 dW22 B Hqxfdz 2 B H ξqzfdz 链条对薄层的摩擦力方向朝上为 dW32 m nqxfdz 2 m n ξqzfdz 式中 γ 物料密度, kg/ m3 B 机筒宽度, m H 机筒厚度, m m、n 链条横截面的外廓宽度和厚度, m ξ 散体侧压系数,对于谷物可取017[1] f 物料对机筒的摩擦系数 薄层的总运行阻力为 dW dW1dW2-dW3 [ BH γ 2 B H - m - n ξqzf ] dz 因m、n比B、H小得多,故将其忽略,得到 dW [ BH γ 2 B H ξqzf ]dz 9 其中薄层的顶面压力qz为初始压力q0与料柱 阻力产生的压力之和,即 qz q0 W BH 代入式9并整理得 dz dW BH γ 2ξf B H BH B Hq0 W 令 BH γ a ,2 ξ f B H BH b , BH c 上式可化为 dz dW a b cq0 W dW a bcq0 bW 对上式作定积分 ∫ t 0dz ∫ W 0 dW a bcq0 bW 得 e dt 1 bW a bcq0 与式8联解,并将c还原,得到 W a A e bt -1 b[A - BH K e bt -1 ] 式中aBH γ为单位长度料柱的重量线 载荷 , 用q料表示,则上式可写为 W q料 A e bt -1 b[A - BH K e bt -1 ] 10 将式10代入式 8 , 得到物料的内压力 q0 Kq料e bt -1 b[ A - BH K e bt -1 ] 11 其中b 2 ξ f BH BH 。 式10即为1节物料的运行阻力计算式,式 11为物料稳定输送的条件。 4 结论 411 影响物料稳定输送的因素 由式11可以看出,保证物料稳定输送的条 件就是要保证物料具有足够的内部压力,此压力是 由输送机下部的供料段提供的。所需内压力的大小 与多种因素有关,最直接的因素有 1物料的线载荷 物料线载荷越大,所需内 压力越大。因此对于较大的机型,应采用结构复杂 的刮板,增大刮板的面积,可减小物料的内压力。 2刮板面积 刮板面积越大,所需内压力越 小。所以任何情况下取较大的刮板对输送都是有利 的。 3刮板间距 刮板间距越大,所需内压力越 大,而且是级数的关系。小的间距显然有利于物料 输送,但间距过小,会增加运行构件质量、增大运 行阻力。 4物料的流动性 物料的流动性越好,其内 摩擦角越小,失稳系数越大,需内压力越大。所以 过于光滑的物料不宜采用埋刮板输送机输送。 51起重运输机械 2004 10 由式10和式11可以看出,如果A - B H K e bt -1接近于零,会导致W和q0趋向于 无穷大,此时就无法正常输送了。因此说在机筒截 面、物料特性一定的情况下,增大刮板面积、减小 刮板间距是解决问题的最有效办法。 412 影响物料运行阻力的因素 由式10可知,物料的运行阻力大小与很多 因素有关,如机筒的截面尺寸、刮板面积、刮板间 距、物料的物理性质等。下面以实例说明各个参数 对物料运行阻力的影响。 设初始参数为物料密度γ 750 kg/ m3;机筒 横截面尺寸BH 0125 m012 m;刮板面积A 0101 m2;刮板间距t 0116 m;物料的内摩擦角φ 33 、侧压系数ξ 017、对筒壁的摩擦系数f 014。计算得出物料失稳系数K 01038 ;q料 3715 kg/ m ,最后求得W 12108 kg ,换算成单位长度的 阻力为7515 kg/ m。 在保持其他参数不变的情况下,改变其中的某 一参数,求出该参数与物料运行阻力之间的关系, 并绘制成曲线。图5所示是分别改变A、t、H/ B、 f值计算出1节物料阻力W,并将W换算成单位 长度物料的阻力后的阻力变化曲线图。图中表示出 物料的自重,以便清晰地比较物料重力和摩擦阻力 在总阻力中所占的比例。分析图5有以下结论 1刮板面积越小,物料的运行阻力越大,特 别是当刮板面积较小时,刮板面积的微小增加都会 使物料运行阻力大幅度减小。但是当刮板面积增加 到一定值时,阻力的变化趋于平缓。所以说刮板面 积的大小应适当,过小则物料运行阻力太大,过大 则不但起不到应有的效果,还增加了设备重量。 2刮板间距越大,物料运行阻力越大,而且 是呈指数规律变化。所以刮板间距一定不能过大, 否则会造成物料难以输送,出现“锁死”现象。 3机筒截面的宽高比对物料运行阻力有一定 影响,以方形机筒对物料的阻力最小。 图5 物料运行阻力变化图 4物料对筒壁的摩擦系数对运行阻力有显著 影响,随着摩擦系数的增大,运行阻力迅速上升。 所以过于粗糙的物料对机筒的磨损大,且使运行阻 力也很大,不宜用埋刮板输送机输送。 参 考 文 献 1 克列因 ГК.散体结构力学.陈大鹏等译.北京人民 铁道出版社, 1960 2 袁 纽,粱之洵等.运输机械设计选用手册下册.北 京化学工业出版社, 1999 3 毛广卿,刘玉兰,王志山等.粮食输送机械与应用.北 京科学出版社, 2003 4 Boumans G.Grain handling and storage. New Y ork ELSEVI2 ER SCIENCE PUBLISHINGCOMPANY INC, 1985 作 者毛广卿 地 址郑州嵩山南路140号河南工业大学粮油食品学 院 邮 编 450052 宏 观 调 控 有 望 在 明 年 底 结 束 最近,国家统计局公布了今年上半年国民经济和社会发展情况,从统计数字看,我国的宏观调控取得了一定的成 果,经济过热势头得到了遏制。由于国家宏观调控政策的及时制定,在经济还没有很热的时候就采取了一定的调控措 施,第3、4季度经济调控效果突显,投资增长基本稳住了,经济热度并不高。照目前的经济走向看,没有追加更加 严厉的宏观控制政策的必要,预计下半年经济增长会略微下降,明年会保持在8 ～9 的水平上,这是中国经济的可 持续增长速度,软着陆可能会实现,而这次宏观调控政策也将在明年年底结束。 61起重运输机械 2004 10