水平型埋刮板输送机物料整体移动的条件分析[1].pdf

收稿日期2004 - 07 - 08 作者简介毛广卿1961 - ,男,副教授,从事粮油食品工程教学和工程设计,主要研究方向为粮食加工与散料输送技术。 水平型埋刮板输送机物料整体移动的条件分析 毛广卿,王志山,刘玉兰 河南工业大学,河南 郑州 450052 摘 要运用散体结构力学理论,以新的方法分析水平型埋刮板输送机 “物料整体移动” 的条件。刮板推动物料实际是给予物 料一个局部压力,如果刮板面积过小或刮板的间距过大都会导致刮板对物料的压力过大,从而破坏物料的整体性,结果是只 有极少部分的物料随刮板链条移动,大部分的物料则停滞不前。因此,根据物料受压的稳定条件导出了刮板面积及刮板间距 与物料整体输送条件之间的关系,并结合实例作进一步的验证和说明,为水平埋刮板输送机的设计提供理论参考。 关键词埋刮板输送机;整体输送;刮板面积;刮板间距;散料 中图分类号TS210.3 文献标识码B 文章编号1003 - 6202200409 - 0016 - 03 Analysis of the Prerequisites for the Mass Movement of the Material in a Horizontal Chain Conveyor ABSTRACT The prerequisitesfor the mass movement of the material in a horizontal chain conveyor was analyzed with a new in accor2 dance with the structure mechanics of bulk material. The purpose of the scrapers pushing the material forward is in fact to provide a local force onto it. If the area of the scraper is too small or the pitch between the scrapers is too large , the force that the scraper acts on the material will be too heavy , and the steady condition of the mass motion will be destroyed , resulting in that only a small portion of the material can be moved by the scrapers and the chain , the rest will not. Based on the prerequisitesfor keeping the pressed material steady , the authors derive the rela2 tionship among the scraper area , scraper pitch and the prerequisites of mass movement of the material , and then give further verification and explanation by means of actual examples , thus providing a theoretical reference to the designing of horizontal chain conveyors. KEYWORDS chain conveyor; mass movement ; scraper; area ; pitch; bulk material 埋刮板输送机出现于20世纪20年代,是由英国的 Arnold Redler发明的。如今,埋刮板输送机在理论、 设计、 制 造乃至应用方面都已十分成熟,已成为一种应用广泛的散料 输送设备。但是到目前为止,水平型埋刮板输送机在物料输 送原理方面的理论研究尚有不足之处,仍需进一步完善和补 充。比如,物料整体输送的条件除与物料性质、 机槽截面尺 寸等因素有关外,还应与刮板面积及相邻刮板的间距有关。 因为刮板在推动物料时,实际上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,物料也就难以成为一个整体随刮板一起移动。同样,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。因此,物料在刮板的推动下 能否整体向前移动,与刮板面积和刮板间距有必然的关系, 在设计埋刮板输送机时必须考虑这两个因素。但是在目前 所有的输送条件理论分析中,都没能反映出刮板面积和间距 对工作条件的影响,说明这些理论尚存在一定的问题。 埋刮板输送机的理论分析是一个较为复杂的问题,因为 散料的受力情况远比固体复杂,在进行理论分析时必须作一 些假设来将复杂的问题简单化。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。本文将在总结已有研究成果的基础上,结合散体结构力 学理论,用新的方法来研究和分析物料整体输送的条件,希 望得到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 机槽内物料的受力分析 当均匀的料流在机槽内稳定运动时,每一个刮板对物料 的作用力都是相等的,或者说每 “一节” 物料相邻两个刮板 之间的物料为 “一节”的受力情况都相同。下面取任意一节 物料来进行分析。 如图1所示,沿机槽向前运动的物料受以下六个力的作 用后方刮板的推力T;链条的摩擦力 ΔT1因物料与链条之 间存在相对运动的趋势 ; 前方刮板的反向力 ΔT2;机槽的摩 擦阻力W;后面物料的推力N1;前面物料的推力N2。 物料的受力平衡方程式为 TΔT1N1ΔT2N2W。1 图1 机槽内物料的受力图 16粮食流通及仓储2004 ,No. 9 粮食与饲料工业 在上述诸力中 1由于每一节物料的受力情况相同,所以任意两节物 料之间的推力都相等。对于一节物料来说,其前后两个断面 上所受的推力是相等的,所以N1N2。 2因为链条与物料的接触面积很小,链条对物料的摩擦 力与机槽对物料的摩擦力相比显得很小,所以可以近似地取 ΔT10。 3物料在前进过程中,由于链条振动等因素的影响,其 速度会略低于链条的速度。这样刮板的背面与物料之间总 是存在相分离的趋势。根据散体结构力学理论,这种情况下 物料对刮板背面的侧压力很小[1],所以可以近似地取 ΔT2 0。 因而式1可写成 TW。2 2 物料的运行阻力W 机槽内的物料由于重力作用,对机槽底部产生正压力, 同时也对机槽侧壁产生侧压力。正压力q和侧压力p的分 布见图2。侧压力的大小与正压力大小有关,都是随物料深 度的增加而线性增加,正压力q和最大侧压力pmax为 q γ H, pmax ζ qζ γ H。 图2 物料对机槽的压力分布图 由此可以计算槽底对物料的摩擦力W1以及两侧壁对物 料的摩擦力W2, W1BtqfBt γ Hf , W2 21 2 pmaxHtfζ γ H2tf , 故机槽对物料的摩擦力总和为 WW1W2 γ Htf B ζ H ,3 式中, W为一节物料的前进摩擦阻力,kg;γ为物料的堆积密 度,kg/ m3; H为机槽内的物料深度,m; t为刮板间距,m; B为 机槽宽度,m;ξ为物料的侧压系数;f为物料对机槽壁的摩擦 系数。 侧压系数与物料的性质及运动状态有关,其值在0.6～1 之间。对于运动速度高、 内摩擦角小的物料取小值,反之取 大值[1、 2]。一般在输送谷物时可取ζ 0.7。 3 物料 “整体移动” 的工作条件 埋刮板输送机处于正常工作状态时,物料依靠内部的摩 擦力保持 “整体” 状态,在刮板的推动下平稳地向前运动。然 而,当埋刮板输送机的结构参数和物料本身的性能不符合一 定要求时,物料的整体性将被刮板的推力破坏,只有极少部 分的物料被刮板推动向前,大部分的物料则滞留原地不动。 下面分别讨论物料整体性被破坏时的状态和能够保持 “整体 移动” 的条件。 3.1 物料整体性被破坏时的状态 如图 3a 所示,刮板的推动力T对物料产生局部的压力 p 单位面积上的力。如果物料的内部摩擦力不足以抵抗刮 板的这一压力,物料的整体性就被破坏。物料内部发生滑动 变形,小部分的物料被刮板推着向前移动,而大部分的物料 则从刮板上方溢过而落在原地不动,刮板只是在料堆中 “穿 过” 而已。根据散体结构力学理论[1]和试验的观察结果,处 在刮板前面一个三角区内的物料保持相对稳定的状态被向 前推动,其前方和上方的物料则由于该三角形的 “插入” 而向 上涌起,继而落在了刮板的后方,见图 3b 。 图3 物料的整体性被破坏状态 这个研究结果改变了人们过去的一种错误认识,那就是 在分析埋刮板输送机工作原理时,假设处于机槽底部且与刮 板等高的物料层是稳定层,它始终能与刮板一同前进,并将 其称之为 “牵引层” 。实际上这个 “牵引层” 是不存在的,稳定 的部分仅是刮板前面的一个三角区,它与 “牵引层” 有根本的 区别。 3.2 保持物料稳定性的条件 物料的稳定性被破坏是由于刮板对物料的局部压力过 大造成的,下面讨论保持物料稳定的条件。 图4 刮板尺寸及其对物料的压力 如图4 ,设刮板的高度为h ,宽度为b,刮板对物料的推 力为T。为简化计算,将刮板近似地看作一个完整的矩形, 其面积为Abh。刮板对物料施加的压力为 P T A 。4 由物料重力形成的刮板上方的正压力为 q1γ H1γ H - h 。 由物料重力形成的物料最深处的正压力为 q γ H1 γ H。 则刮板前面三角区上方物料的平均压力为 qpγ H - 1 2 h 。5 根据散体结构力学理论,物料在受到水平方向的局部压 力时,能够保持整体稳定性的条件是[1] p ≤ ζ bqp, 6 毛广卿等水平型埋刮板输送机物料整体移动的条件分析/ 2004年第9期17 ξb为散体的被动侧压系数或称散体抗力 , 其值为 ζb 1 sinφ 1 - sinφ,φ为散体的内摩擦角。 将式4、 式5代入式6得物料稳定的条件是 T A ≤ ζ b γ H - 1 2 h 。7 3.3 物料保持 “整体移动” 的条件 刮板的推力T及其它参数如能满足式7的要求,则物 料的整体性就不会被破坏。但刮板推力的大小是由物料的 运行阻力决定的,因为刮板必须提供足够的推力来推动物料 前进。因此将式2、 式3与式7联解并整理,即可得到物 料 “整体移动” 的条件 t≤ ζb A 1 - h 2H f Bζ H 8 或 A≥t f B ζ H ζb1 - h 2H ,9 式中, B为机槽宽度,m; H为机槽内的物料深度,m; t为刮板 间距,m; h为刮板高度,m; A为刮板面积,m2; f为物料对机 槽壁的摩擦系数;ζ为物料的侧压系数;ζb为物料的被动侧 压系数。 上述两式中,由于刮板高度h比物料深度H小得多,且 刮板宽度b接近于机槽宽度B ,所以可近似地取 1 - h 2H 1及bB , 这样得到简化的输送条件表达式为 t≤ ζbBh f Bζ H 10 或 H B ≤ ζbh-tf tf ζ 。11 4 结论 下面结合实例来说明式8和式9所表达的研究结果。 以MS25型埋刮板输送机为例,机槽承载物料的有效断 面尺寸B H 为0.25 m0.25 m;刮板高度h 0.045 m ,宽 度b 0.22 m ,则刮板面积A 0.01 m2;刮板间距t 0.16 m; 物料的内摩擦角φ 33,侧压系数ξ 0.7,被动侧压系数ξ b 3.4;物料对机槽的摩擦系数f 0.4。 在刚好满足物料整体移动条件的前提下,改变其中的两 个参数,找出这两个参数之间的变化关系,并绘制成曲线。 图 5a 表示的是在不同的刮板宽度条件下刮板面积A与刮 板间距t之间的关系;图 5b 表示的是物料内摩擦角f与刮 板间距t的关系;图5 c 表示的是物料深度H与刮板面积A 的关系。 图5 MS25型埋刮板输送机各参数间的关系 分析式8、 式9和图5可以得出如下结论 1刮板面积和刮板间距是影响物料能否正常输送的重 要条件,只有当它们的大小和相互的关系满足一定要求时物 料才能保持整体状态一起向前移动。否则物料的整体性就 会被破坏而不能被正常输送,结果是输送机的产量达不到 要求。 2刮板面积和刮板间距存在正相关关系,在其它条件 不变的情况下,刮板面积增加则刮板的间距也可以相应增 加,反之刮板间距就要减小,也就是要增加刮板数量。因此 在设计埋刮板输送机时要综合考虑各个因素,在满足输送要 求的前提下尽量减小机件重量,以减小运行阻力和降低造 价。 3不同的刮板宽度,所需的刮板面积有所不同,但区别 不是很大。所以刮板的宽高比不是整体输送条件的主要影 响因素,其面积才是主要的。 4流动性越好的物料,其整体性越容易被破坏,也就需 要更大或更多的刮板来推动它。所以流动性过好的物料是 不适宜用埋刮板输送机来输送的。 5物料深度越大,所需的刮板面积越大,也就是说当刮 板参数一定时它所能推动物料的深度也是一定的,刮板面积 减小,物料深度需急剧减小。因此,刮板面积不足带来的结 果是料流深度减小,从而达不到设计产量。 [参考文献] [1] Г.К.克列因.散体结构力学[M].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 [M].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[M].北京 科学出版社,2003. [4] Boumans G. Grain Handling and Storage[M]. New Y ork Elsevier Science Publishing Company Inc ,1985. 责任编辑黄文雄 18毛广卿等水平型埋刮板输送机物料整体移动的条件分析/ 2004年第8期