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轻质微细物料加料过程的流动分析与控制 1 储料水平或斜坡输送 由于微标签、形状不规则、堆密度和紧缩性密度的很大差异，微标签的内系数较大，锥形沉降角和吸附力较小，因此很难添加过程。加料过程通常采用垂直落料、水平输送和斜坡输送方式。垂直落料方式往往用在储料仓斗底部开口,靠重力或其他外力作用,使物料沿垂直方向排出。水平或斜坡输送通常采用带式输送机或振动送料器输送。对于微细物料,尤其是小密度轻质微细物料,在垂直加料过程中,往往会在料仓或料斗中产生起拱现象,使物料阻滞而不能正常排出。由于微细离散物料的流动机理极难建模分析和模拟,目前尚无完善的理论分析计算方法,仍然采用以经验为主的设计计算方法。 2 微材料的物理特性和加工完成条件 2.1 颗粒平均直径、内摩擦角、半堆锥角 所研究的加料对象为一种轻质微细化工原料,其物理特性为堆密度ρP=0.5 kg/L,颗粒平均直径da=4～6 μm,内摩擦系数f=1.43,内摩擦角φ=65°,半堆锥角θp=35°(见图1)。颗粒显微形状为针状,吸潮性强,容易结块,极易产生静电。 2.2 物料加料及粉碎 该加料装置是为某种物料的混合搅拌系统进行定量加料而设计的,要求: (1)加料流量为2～12 kg/min,定量精度为±1%; (2)物料在加料过程中必须密闭,不能与大气大面积直接接触; (3)工艺要求1次储料量为150 kg; (4)必须用10目左右的筛网进行筛分,以防结块料和大直径杂物进入混合装置; (5)要求防爆,不允许使用吹气、搅动、刮移等输送方式; (6)要求物料水平进入混合装置。 3 振动方式的确定 所设计的加料装置由2部分组成(见图2):(1)料仓及料斗组件,用于完成储料、垂直落料和定量计量控制功能;(2)水平输送筛,用于完成筛分及水平输送。料斗的落料方式主要有自然落料及搅动、吹气、振动等方式。自然落料方式只能用于流动性好、不会产生起拱阻流的物料。搅动、吹气方式因搅动物或空气直接与物料接触,对于密闭加料,其结构要求比较复杂,且容易产生静电,而仅适于开放式落料及不会产生飞扬的物料。振动加料方式具有破拱助流作用强、相对运动构件不与物料直接接触、结构简单、工作可靠、全密封等优点。综合物料特性和使用工况的要求,本设计采用振动落料方式。 根据激振源的不同,振动方式通常又分为电磁激振和惯性激振方式。电磁振动一般不会引起电网电压的变化而影响其他设备的正常运行,它可以较方便地实现给料量的无级或自动调节,但其功率因数较低,料仓的仓压和电源电压对振幅的影响较为敏感。惯性激振是一种采用电机驱动的偏心振动方式,它的特点是除启动停止过程外,频率远离共振区,阻尼对振幅的影响小,振幅稳定,特别是振幅大,频率低,破拱作用强。但是由于要通过调整偏心才能调整激振力,因此,调节给料量不方便。 根据料斗的振动运动形式的不同,又可分为直线型、平旋型和涡旋型3种振动形式。直线型振动简单,易于调整,工作平稳可靠,但是由于不产生垂直运动分量,破拱作用小。平旋型振动一般有椭圆和圆振动方式,物料在水平二维运动作用下产生切线方向剪切力,破拱作用比直线型振动强,它造价低,性能稳定,容易调试。涡旋型振动使料斗上各点都作螺旋线形往复运动,物料受到三维空间力的作用,具有极强的破拱助流作用,但是由于料斗受力复杂,要求料斗具有较高的强度和刚度,结构较复杂,造价也较高。 由于本加料装置所加物料落料极为困难,且要求流量不能因为料仓存料量的变化而变化,如果采用改变激振参数的方法调整流量将使过程控制变得十分复杂。因此本设计采用具有最强破拱助流特性的涡旋型振动方式,以具有较强固定激振力和较优的激振频率的惯性激振源,采用气动闸门控制特定时间段内的落料量来控制落料流量。 筛分方式有直线式和圆周式,本设计要求水平输送物料,故采用具有筛分与输送复合功能的直线振动方式,以电磁激振或机械激振作为振源。 4 振动材积的设计 振动料斗由料斗体、活化锥、密封胶带、弹性悬挂组件、振动器等组成,见图3。采用经验型的设计方法对各主要结构参数进行分析计算。 4.1 根据回用量q,有b0,v,v. 料斗的主要参数有进料口直径d、排料口直径d0、料斗斗体坡角α、进料口高度h。 (1)根据经验设计,取进料口直径d=600 mm,进料口高度h=100 mm。 (2)排料口直径d0 排料口直径的大小与落料流量有关,流量越大,排料口直径越大,最大给料量 Q=3600πd2020vψ/4 式中Q——最大给料量,Q=0.39 m3/h v——物料平均速度,v=0.125 m/s ψ——充满系数,中心出料时ψ=1.0;偏出料槽密封时ψ=0.4～0.7;偏出料槽敞开时ψ=0.7～0.9 本设计采用中心出料,因此有 d0=18.8√Q/(vψ)=33.2mmd0=18.8Q/(vψ)??????√=33.2mm