一種重力流出給料槽的測試及分析

曾藝賓

（漳州佳龍科技股份有限公司，福建 漳州 363000）

固體顆粒流動性屬于粉體工程的研究領(lǐng)域，而粉體工程則是一門新興的綜合性科學(xué)技術(shù)，在國際上以二十世紀(jì)四十年代的《Micromeritics》的發(fā)表為研究起點。六七十年代由于能源、化工、采礦等行業(yè)的飛速發(fā)展，粉體工程得到進一步的發(fā)展，而在八十年代，粉體工程多研究超細顆粒，九十年代則進一步發(fā)展到納米技術(shù)，進入原子、分子級的研究時代。美國、德國、日本等發(fā)達國家均有多所大學(xué)及相關(guān)研究機構(gòu)進行粉體工程的相關(guān)科研，但是國內(nèi)粉體工程的研究還相對落后，資料及成果都較少，研究多集中在采礦、化工等相關(guān)領(lǐng)域，糧食行業(yè)方面對粉體工程的研究則多在倉儲及氣體輸送方面。

由于糧食行業(yè)涉及的相關(guān)顆粒物料，特別是大米具有良好的流動性，所以從十九世紀(jì)后期，固體顆粒自動定量設(shè)備出現(xiàn)以來，國內(nèi)外多采用結(jié)構(gòu)簡單可靠的重力流出給料方式，到二十一世紀(jì)，已經(jīng)普及應(yīng)用到全國各地。但是對這種給料方式的研究和改進，多集中在機械結(jié)構(gòu)及尺寸的優(yōu)化上，對于物料在給料機構(gòu)槽體內(nèi)的實際流動情況，影響流速變化和流速誤差的各種因素，相關(guān)資料很少，尚未明確因素較多；并且，研究給料槽體內(nèi)部物料的實際流動情況較少。因此，為了提高重力流出給料方式的給料性能，必須進一步研究相關(guān)的各項參數(shù)對于固體顆粒流速及誤差的影響，分析現(xiàn)有給料槽體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，從而為改進給料機構(gòu)提供理論及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 大米的特性分析

根據(jù)《糧食工程設(shè)計手冊》[1]，大米堆密度ρ=0.8 t/m3，內(nèi)摩擦角為30°；與鋼板外摩擦角為23°；粒度為7 mm×3 mm×2.5 mm。根據(jù)Geldartr的4類型顆粒理論[2]，大米屬于D類顆粒，顆徑遠大于0.5 mm的分界值，具有重力作用強[3]、負壓梯度影響小[4]的特點。查卡爾流動指數(shù)表[5]，可知大米屬于流動性最好的顆粒，流動指數(shù)在90以上，均勻性系數(shù)達到23左右，壓縮率低于10%，一般不必要做架橋防止措施。

2 影響大米重力流出的主要因素

顆粒物料分別具有固體及流體的部分特性[2]，由于重力作用會在給料槽中發(fā)生滾動、滑動及沉降等動作，流動規(guī)格復(fù)雜多變，流速大小及誤差都難以控制。流出的不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在以下幾點：

⑴ 流速不穩(wěn)定，時快時慢。

⑵“結(jié)拱架橋現(xiàn)象”物料忽然停止卸出。

⑶“中心流現(xiàn)象”只有料倉出口上方的物料流出，四周物料不動。

⑷“虹吸現(xiàn)象”底部物料拉動倉物料不斷卸出。

⑸ 偏析現(xiàn)象，不同性質(zhì)顆粒不能同步流動，出現(xiàn)分層。

由于大米自身物理特性，流出不穩(wěn)定現(xiàn)象主要是⑴、⑵、⑶三種，而⑷、⑸的現(xiàn)象很少出現(xiàn)。

流動形式[5]對流速大小影響較大：顆粒從給料槽內(nèi)流出分為2種基本形式，即整體流和中心流（漏斗流）。其中整體流流速快且穩(wěn)定，可以實現(xiàn)先進先出原則，是設(shè)計給料槽的理想流形；而漏斗流則流速慢且不穩(wěn)定，而且容易出現(xiàn)殘料等問題，是設(shè)計給料槽必須避免的流動形式。

有研究[3]指出在粗顆粒中混合入細顆粒，在一定程度上能加大流速，但是如果混入太多，反而會減小流速。考慮到碎米在大米內(nèi)的占比按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1354的要求最高為35%，其中小碎最高2.5%，所以可以判斷碎米將對大米流速產(chǎn)生加大流速的影響。

隨著物料從給料槽流出，在出口特定區(qū)域會發(fā)生負壓現(xiàn)象[2]，該現(xiàn)象會減慢物料的下落速度，一定程度上減小流速，這個現(xiàn)象在物料顆粒?。ㄌ貏e是粉狀物料）的情況下影響較大，但對于顆粒較大的大米，該現(xiàn)象可以忽略不計。

物料的內(nèi)摩擦角越大流速越小[6]，堆積密度越大流速越大，因為本次研究的物料大米，以及擴展到其它物料如薏米、紅豆等物料，都屬于顆粒較大、流動性較好的物料，內(nèi)摩擦角在流型預(yù)測上有所應(yīng)用，而堆積密度則可以直接體現(xiàn)在流速的質(zhì)量監(jiān)測上面。

而賈力偉[7]等人則通過研究發(fā)現(xiàn)，常用粉體壁面摩擦角對流速還是產(chǎn)生了一定的影響，所以粉體內(nèi)摩擦角如果與壁面摩擦角相差越大，顆粒體積越大，料倉直徑與半錐角越小，壁面摩擦角影響會越大。

糧倉效應(yīng)[7]是比較公認和成熟的理論，垂直方向上的壓力隨著高度變化會進入飽和區(qū)，料位高度超過倉體直徑2倍后，料位高度增加壓力將不再增加。原理是顆粒的相互作用將壓力分散到倉體側(cè)壁，不再影響到倉底。錐形倉也有同樣的效應(yīng)，料位高度超過一定界限，對流速不再有影響。按《粉體技術(shù)手冊》的介紹[8]，料位高度超過4倍出口直徑，不再影響出料流速。

3 給料料槽形狀對重力流出的理論分析

考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工的簡易性，傳統(tǒng)給料槽水平截面多以矩形為主，豎直側(cè)截面以楔形為主，配合弧形自重式閘門實現(xiàn)開合動作。實現(xiàn)動作的機械結(jié)構(gòu)[11]如圖1。

如圖1，槽體1固定不動，閘門5在氣缸2的驅(qū)動下可以繞著轉(zhuǎn)軸4做旋轉(zhuǎn)動作實現(xiàn)閘門開合，而限位桿3則可以在電機帶動下調(diào)整角度，用于限制閘門開口尺寸。

圖1 一種無極調(diào)節(jié)的給料閘門開合機構(gòu)

3.1 給料槽體形狀分析

圖2 一種典型的重力流出給料槽體形狀

如圖2所示為一種現(xiàn)有的重力流出方式給料槽形狀，它的出口形狀為80 mm×280 mm的矩形，符合在相同半錐角的情況下，圓形倉流速最差，方形好一些，矩形倉最好，矩形的長邊要大于短邊3倍以上[9]的設(shè)計要求。該形狀最有利于增加流速。

Harmens等人實驗[6]證明了料倉倉體直徑大于1.3倍料倉出口直徑后，料倉直徑對流速影響就很小。本槽體入口面積為270 mm×280 mm=75600 mm2，出口面積為80 mm×280 mm=22400 mm2，比值為75600÷22400=3.375＞1.3，出口面積符合要求。

給料槽豎直的側(cè)截面，由于兩邊半錐角不同形成的不同形狀料倉會影響流速[8]，單邊豎直的楔形結(jié)構(gòu)最有利于物料的重力流出。圖中的半錐角為20°，查流動形式判斷圖[5]，可以預(yù)判流動形式為整體流。

3.2 閘門與給料槽配合分析

圖3 閘門與給料槽配合結(jié)構(gòu)簡圖

如圖3所示，閘門為弧形閘門，閘門邊緣與給料槽出口左邊緣形成寬度尺寸W，閘門可繞著A點轉(zhuǎn)動，所以寬度尺寸W可控制在0～80 mm的范圍內(nèi)；槽長尺寸不可調(diào)整，為固定數(shù)值280 mm，槽寬與尺寸W共同組成矩形的落料開口。

閘門在轉(zhuǎn)動過程中，除了尺寸W，隨著發(fā)生變化的還是角度β，在尺寸W較小的時候，角度β可粗略視為半錐角，但隨著尺寸W的增加，給料槽20°的半錐角起的作用將越來越大；測量可得角度β的變化范圍在46.4～69.8°之間，基本上大于理論計算公式里的45°的臨界角，所以角度β的變化對質(zhì)量流速的影響不大。因此，隨著開口寬度W值的變化，質(zhì)量流速M值能相應(yīng)穩(wěn)定變化。但是由于結(jié)拱臨界條件的存在，當(dāng)W值小于一定數(shù)值后，質(zhì)量流速會變得不穩(wěn)定，流速誤差會變大。

4 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算及分析

4.1 測試條件簡介

實驗設(shè)備由提升機構(gòu)、給料機構(gòu)、計量機構(gòu)及電控部分組成，采用全自動循環(huán)連續(xù)測試，電腦自動數(shù)據(jù)采集。提升機構(gòu)主要由斗式提升機、下緩沖倉、上儲料倉構(gòu)成，主要用于將測試過的物料由計量機構(gòu)放料至下緩沖倉，再提升至上儲料倉，給上儲料倉下方的給料機構(gòu)供料，實現(xiàn)測試循環(huán)。計量機構(gòu)由懸掛在3個電子應(yīng)變式波紋管傳感器下方的帶有氣動V型閘門的計量筒構(gòu)成，用于重量信號采集以及自動卸料清零。給料機構(gòu)是主要測試對象，采用氣動方式自動實現(xiàn)快加及慢加動作，并可以利用電機調(diào)整快加開口大小。電控部分以觸摸屏為操作界面，儀表作為秤重控制核心，利用傳感器進行重量采集，采用可編程控制器進行各部件通訊及動作控制，利用無線通訊技術(shù)與辦公室的計算機通訊進行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)分度值1 g。

圖4 流速誤差統(tǒng)計

實驗采用循環(huán)測試，設(shè)定固定目標(biāo)值后，計量筒卸料后閉合，電控系統(tǒng)回歸零點，加料閘門打開，電控系統(tǒng)不斷采集計量筒內(nèi)重量信號，到達目標(biāo)值后，加料閘門關(guān)閉，系統(tǒng)采集重量后，計量筒放料門打開，卸料后閉合，依此循環(huán)。由于流速誤差的原因，每次采集到的重量數(shù)值不同，測試達到一定次數(shù)之后，可得到流速誤差的正態(tài)分布曲線，體現(xiàn)流速誤差大小。

4.2 測試結(jié)果分析

4.2.1 單組測試數(shù)據(jù)處理方法

首先對測試所得數(shù)據(jù)按不同包裝重量進行分組，統(tǒng)計每個重量的數(shù)量，可得圖4。

從圖4中可以看出重量分布符合正態(tài)分布，測試結(jié)果可以在一定程度體現(xiàn)流速誤差的范圍。用最大包裝重量減去最小包裝重量可得誤差范圍，累計所有包裝重量及包裝時間相除可得質(zhì)量流速，每組測試數(shù)據(jù)均照此處理方法。

4.2.2 開口寬度對質(zhì)量速率及誤差率的影響

如圖3所示，閘門改變開口寬度尺寸W的數(shù)值，槽長280 mm為固定數(shù)值，因此W值的變化能體現(xiàn)開口面積的變化。

按上文所述方法分組測試并處理數(shù)據(jù)可得表1。

表1 開口寬度與誤差率關(guān)系表

誤差率為誤差除以流速，以表示單位流速下的誤差大小，作為流速穩(wěn)定性的量化指標(biāo)。

以上，我們從小組合作學(xué)習(xí)之于初中數(shù)學(xué)教學(xué)活動的意義入手，對初中數(shù)學(xué)課堂上如何開展小組合作學(xué)習(xí)進行了思考與探究。新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下，初中數(shù)學(xué)的教學(xué)模式和教學(xué)手段都得到了一定程度的豐富。但是要想真正取得效果，實現(xiàn)初中數(shù)學(xué)教學(xué)的有效性，還需要教師更多地根據(jù)學(xué)生學(xué)情以及學(xué)生發(fā)展規(guī)律來制訂教學(xué)計劃，完善教學(xué)方法。

將開口寬度W值與誤差率關(guān)系列為圖表，可得圖5。

圖5 開口寬度與誤差率關(guān)系圖

從圖5可以明顯看出，在開口寬度W值為80～50 mm之間時，誤差率基本上沒有明顯變化，而在開口寬度W值小于50 mm以后，隨著其數(shù)值變小，誤差率忽然快速變大，可見此時質(zhì)量流速變得更不穩(wěn)定?？紤]到結(jié)拱臨界條件的影響[7]，理想的流動開口尺寸為48 mm，符合上文中對給料槽結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，也符合實際測試結(jié)果。

4.2.3 重力流出質(zhì)量流速的理論計算與測試結(jié)果的對比分析

為了方便與測試結(jié)果進行對比，先用經(jīng)驗公式[10]對重力流出的質(zhì)量流速進行理論計算。

對于矩形出料口的質(zhì)量流速公式為：

式中：

M—質(zhì)量流速，即出料口物料通過能力，kg/s；

ρ—物料的堆密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2；

fp—物料的形狀修正系數(shù)，球形顆粒該值取1.6，非球形顆粒約為2.4；

d—顆粒直徑，mm；

fh—半錐角修正系數(shù)，fh=tgβ-0.55，β為半錐角（給料槽中心線與槽壁的夾角），當(dāng)β＜45°時，β按槽體休止角計算，當(dāng)β≥45°時，fh=1.0；

L—給料槽出料口長度，mm；

W—給料槽出料口寬度，mm。

大米堆密度ρ=0.8 t/m3；內(nèi)摩擦角為30°，與鋼板外摩擦角23°；由表1可知，測試時給料槽半錐角β均大于45°，因此fh=1.0；大米粒度為7 mm×3 mm×2.5 mm，因此fp≈2.4。

根據(jù)上述給料槽結(jié)構(gòu)，以L=200 mm、W=25～90 mm、d=2.5 mm、g=9.8 m/s2為例，將以上數(shù)據(jù)代入矩形出料口M值計算公式，由于測試進料槽與經(jīng)驗公式推導(dǎo)用進料槽結(jié)構(gòu)與尺寸上的差異，需要根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)加入修正系數(shù)，得到理論計算數(shù)據(jù)與修正數(shù)據(jù)，通過軟件進行圖表化，再加入表1內(nèi)所示質(zhì)量流速M與開口寬度W的測試結(jié)果得圖6。

圖6 開口寬度與質(zhì)量流速關(guān)系圖

由圖6可以看出測試結(jié)果與理論計算修正后的曲線基本重合，并符合上文的分析結(jié)果。當(dāng)開口寬度W值在30～80 mm時，質(zhì)量流速M值平穩(wěn)隨著W值成指數(shù)變化，并未象誤差率一樣在W值為50 mm左右發(fā)生突變，這證明了誤差率受結(jié)拱臨界條件的影響比質(zhì)量流速大很多，流速與誤差率并不完全同步。

5 結(jié)語

本文分析了典型顆粒物料——大米的相關(guān)特性，以及影響其重力流出的主要因素，明確了對流速及誤差的主要影響因素為給料槽形狀、碎米含量、壁面摩擦角（半錐角）等。同時，本文對一種給料槽進行理論分析及實際測試，證實了其形狀尺寸的合理性。文章還測試并分析了給料槽閘門逐步關(guān)閉過程中的流速及誤差的變化情況，發(fā)現(xiàn)在這過程中，閘門開口存在一個臨界值，當(dāng)其不斷減少并超過該臨界值以后，雖然對流速變化影響不大，但會導(dǎo)致誤差率快速增大，使料流變得不穩(wěn)定。