童民慧,王悅民,李濤

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海201804

2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306

基于散體力學(xué)的大型埋刮板糧食卸船機(jī)提升機(jī)理研究

童民慧1,2,王悅民2,李濤2

1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海201804

2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306

為實(shí)現(xiàn)大宗糧食散貨的卸船設(shè)備的大型化、高效化、低能耗化、低污染化方面的發(fā)展，本文基于散體力學(xué)仿真建模方法，分析了散料糧食在離開船艙料堆時的受力情況，確立了刮板之間的距離對穩(wěn)定輸送的影響，物料的運(yùn)行阻力與間距的關(guān)系，并驗(yàn)證了埋刮板卸船機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果。結(jié)果表明：當(dāng)刮板間距很小的時候，則刮板背面會增加與物料運(yùn)動方向相反的壓力，從而降低鏈條對被輸送物料的作用效率，刮板間距過大將導(dǎo)致物料在機(jī)槽內(nèi)運(yùn)動時各層物料間產(chǎn)生相對滑移；間距過小又會使?fàn)恳龢?gòu)件重量增加，從而增加功率的消耗。最合理的刮板間距可以為卸船機(jī)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

散體力學(xué);埋刮板卸船機(jī);側(cè)壓力系數(shù)

隨著大宗散貨的運(yùn)輸量不斷增加和散貨船舶的日趨大型化，大宗干散貨的卸船設(shè)備朝著大型、高效、低能耗、低污染的方向發(fā)展。我國正在開發(fā)研制各種新型的連續(xù)卸船機(jī)械。連續(xù)卸船機(jī)可分為氣力式和機(jī)械式兩大類，機(jī)械式連續(xù)卸船機(jī)又可根據(jù)取料或提升構(gòu)件的特性再細(xì)分為鏈斗卸船機(jī)、斗輪卸船機(jī)、雙帶式卸船機(jī)、波紋擋邊帶式卸船機(jī)、埋刮板卸船機(jī)等[1]。埋刮板卸船機(jī)[2]作業(yè)的對象主要是糧食，所以散粒物料在刮板中的受力情況是主要研究的問題。

物料之所以能夠被中空的埋刮板從船艙中提升到地面皮帶系統(tǒng)中，是因?yàn)槲锪吓c物料之間的內(nèi)摩擦力比較大，能夠克服重力引起的剪切應(yīng)力，在提升的過程中物料可以組成連續(xù)的整體?？招牡穆窆伟逄嵘锪鲜抢蒙⒘Ｎ锪项w粒間的內(nèi)摩擦力大于物料與料槽之間的外摩擦力的原理。分析物料在離開插入?yún)^(qū)域時的受力情況。刮板與刮板之間的距離對穩(wěn)定輸送的影響。物料的運(yùn)行阻力與間距的關(guān)系。刮板與機(jī)槽之間的間隙研究分析。

文中擬以散體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，將其與埋刮板卸船機(jī)相結(jié)合，提出刮板提升物料的機(jī)理描述，確定物料的提升受力，分析運(yùn)行阻力與刮板間距的關(guān)系[3]，從而實(shí)現(xiàn)刮板對散貨物料的提升，最后埋刮板卸船機(jī)在散貨糧食中的應(yīng)用[4]。

1 側(cè)壓力

散體力學(xué)是研究散粒體的平衡和運(yùn)動的學(xué)科[5]，在解決散粒體平衡問題時，常需預(yù)先給出散粒體在某一方向上的壓應(yīng)力。如遠(yuǎn)離存?zhèn)}壁處的垂直應(yīng)力，在連續(xù)牽引的輸送機(jī)中刮板作用在所輸送物料上的壓力等。一定方向上的壓力是解決問題的初始值，將有條件地成為作用壓力。

1.1 理想狀態(tài)散粒體的活動系數(shù)

最小的側(cè)壓力系數(shù)稱之為散粒物料的活動系數(shù)m=nmin。散粒體的極限平衡方程為τ=f·σ式中：f—物料的內(nèi)摩擦系數(shù)[6]。莫爾圓見圖1。

圖1 理想散粒介質(zhì)活動系數(shù)的應(yīng)力圖Fig.1 The stress of ideal bulk medium activity coefficient

由莫爾圓可知物料的活動系數(shù)：

其中：φ—物料的內(nèi)摩擦角

由此可見，對理想散粒體活動系數(shù)與正壓力值無關(guān)，對于理想的散粒體來說物料的活動系數(shù)是一個常量。

1.2 散粒體內(nèi)的局部應(yīng)力

作用于散粒體上較小區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力，稱之為局部應(yīng)力。局部應(yīng)力的大小明顯的不同于作用在相鄰區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。連續(xù)牽引埋刮板輸送機(jī)的輪廓刮板，在被輸送物料上產(chǎn)生的壓力是局部應(yīng)力的實(shí)例。作用在輪廓刮板上與物料接觸表面上，其值可超過物料作用在容器壁上的很多倍。

1.3 局部壓力的擴(kuò)散區(qū)域

依據(jù)散貨力學(xué)中側(cè)壓力的規(guī)定；側(cè)壓力系數(shù)的定義；理想狀態(tài)下散粒物料的活動系數(shù)m；散粒體在斜截面上的側(cè)壓力系數(shù)。以及埋刮板輸送機(jī)的刮板產(chǎn)生局部應(yīng)力影響的擴(kuò)散區(qū)域，確定了刮板間距不應(yīng)該過小，應(yīng)該符合上述公式。

圖2 局部壓力的擴(kuò)散區(qū)域Fig.2 Diffusion region of local pressure

2 埋刮板垂直輸送的力學(xué)模型

垂直埋刮板系統(tǒng)的是由刮板鏈條和鏈輪組成的。作業(yè)時將刮板取料頭直接插入物料中，物料從側(cè)面流入，通過在封閉矩形鋼槽中高速運(yùn)轉(zhuǎn)的刮板鏈條，利用散粒物料顆粒間的內(nèi)摩擦力大于物料與料槽間的外摩擦力，使物料成整體輸送，實(shí)現(xiàn)物料的垂直提升[7]。

2.1 兩刮板之間物料的受力分析

當(dāng)機(jī)槽內(nèi)的物料到達(dá)一定高度時，便具有足夠的壓力和內(nèi)摩擦力，形成了穩(wěn)定的整體被刮板向上推送。此時，每一個刮板所承受的載荷都是相同的，即一個刮板的推力恰好能夠克服兩個刮板之間物料的重力與機(jī)槽摩擦力之和。

2.2 離開插入?yún)^(qū)域物料提升受力分析

當(dāng)輸送的物料確定的時候，物料的容重，物料的內(nèi)摩擦系數(shù)及物料的活動系數(shù)就為一個常數(shù)。那么物料的水力半徑R越大物料的側(cè)壓力就越大，物料和物料之間的內(nèi)摩擦就越大，越有助于物料的輸送；但是側(cè)壓力越大的同時，物料在機(jī)槽中的運(yùn)行阻力就越大消耗的能量就越大。

2.3 兩刮板之間距離的選擇

刮板間距也是一個重要的參數(shù)之一[8]。間距過大，會導(dǎo)致物料在料槽中運(yùn)動時各層物料產(chǎn)生相對的滑動，增加動力的消耗；間距過小，又會使鏈條重量增加，各層物料之間受力狀態(tài)相互影響，也增加了功率消耗。

埋刮板輸送機(jī)的刮板在輸送物料時，較小尺寸的刮板產(chǎn)生了局部應(yīng)力。刮板之間的距離應(yīng)該超過刮板在物料上傳遞的范圍，否則刮板背面會出現(xiàn)與物料運(yùn)動方向相反升高的壓力，從而降低鏈條對被輸送物料的作用效率。所以兩刮板的間距應(yīng)該超過刮板在物料上壓力的傳遞范圍，則：

2.4 運(yùn)行阻力

對于每一節(jié)物料來說，在平穩(wěn)運(yùn)行過程中受到六個力的作用[9]，其中總的運(yùn)行阻力W包括機(jī)槽對物料的摩擦阻力N3和自身的重力G。

從上式可以看出刮板和刮板的間距越大，物料運(yùn)行的阻力也就越大，刮板上承受的力也就越大。

2.5 刮板與槽壁間隙的確定

刮板與槽壁的間隙過大,會使物料相對于鏈條的滯后速度加大,從而降低輸送效率。如果間隙較小，又容易引起物料在其中卡住，不僅要增加動力消耗，而且會使刮板鏈條與槽壁的磨損加劇。因此，正確選定間隙是保證埋刮板卸船機(jī)正常工作、減少能耗以及延長使用壽命的重要因素。

表1 刮板與機(jī)槽的間隙Table 1 The clearance between the machine slot and scraper

3 實(shí)例分析

某港口埋刮板連續(xù)卸船機(jī)輸送小麥、大豆等谷物[10]，垂直埋刮板機(jī)槽的寬度為B=430 mm、長度為L=430 mm、小麥的堆積密度0.75×10.6 kg/mm3，內(nèi)摩擦角為γ=35°，物料的內(nèi)摩擦系數(shù)f=0.7002，活動系數(shù)m=0.27099，物料的壓實(shí)系數(shù)Ky=1.1，物料的填充系數(shù)Ke=0.97，小麥與機(jī)槽的摩擦系數(shù)f1=0.5，離開插入?yún)^(qū)域物料的水力半徑R=34.13 mm，刮板型式是確定的，刮板的寬度Sn=20 mm，刮板的橫截面積69220 mm2，刮板鏈條的面積26000 mm2，確定刮板的合理間距。

要確定刮板的合理間距之前，先確定物料的側(cè)壓力值P的大小。

將側(cè)壓力值P，代入公式（7）：

得刮板之間的最大間距允許值為：hmax=206.4 mm

當(dāng)刮板間距很小的時候時，則刮板背面會出現(xiàn)與物料運(yùn)動方向相反升高的壓力：

得刮板之間的最小間距允許值為：hmin=117.6 mm

綜上所述，刮板之間的距離不能取得過大，過大的間距會導(dǎo)致物料在機(jī)槽內(nèi)運(yùn)動時各層物料間產(chǎn)生相對滑移；間距過小又會使?fàn)恳龢?gòu)件重量增加，兩種情況都會增加功率的消耗。所以刮板間距必須適當(dāng)?shù)倪x取。

物料穩(wěn)定輸送時，兩個刮板之間物料的受力情況，物料離開插入?yún)^(qū)域的受力情況以及刮板與機(jī)槽間隙的大小。從而得出了物料的側(cè)壓力與物料的容重、活動系數(shù)、內(nèi)摩擦系數(shù)以及刮板輪廓的水力半徑之間的關(guān)系；刮板的間距與側(cè)壓力、物料和刮板的摩擦系數(shù)、物料的容重、活動系數(shù)、及刮板的外形輪廓之間的關(guān)系；以及刮板與機(jī)槽間隙和料槽寬度的關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）散粒物料在垂直埋刮板內(nèi)的側(cè)壓力分布不能像流體力學(xué)壓力分布那樣簡單的計(jì)算，散粒物料對機(jī)槽的壓力由垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)求得。通過對離開插入?yún)^(qū)域物料的分析，得到式，當(dāng)料槽很高的時候物料的側(cè)壓力與高度就沒有關(guān)系

（2）當(dāng)輸送的散粒物料的物理屬性（物料的密度、物料的內(nèi)摩擦角）確定后，物料的側(cè)壓力僅僅和離開插入?yún)^(qū)域的水力半徑有關(guān)。當(dāng)刮板的型式確定時，即離開插入?yún)^(qū)域的水力半徑確定，物料的側(cè)壓力僅和物料屬性的有關(guān)。

（3）在設(shè)計(jì)埋刮板時刮板的間距是個很重要的參數(shù)之一。刮板的間距越大，物料的運(yùn)行阻力越大，同時也會導(dǎo)致物料在料槽中運(yùn)動時各層物料間產(chǎn)生相對的滑動，增加動力消耗。間距過小的話，又會使鏈條的重量增加，同樣會增加功率的消耗?？梢钥闯霎?dāng)機(jī)槽的輪廓確定時，刮板的橫截面積越大，刮板允許間距也越大，所以可以通過增加刮板的截面積來增大刮板的間距。

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The Elevating Principle for Grain Ship Unloader with Embedded Scraper Based on Bulk Mechanics

TONG Min-hui1,2,WANG Yue-min2,LI Tao2
1.School of Mechanical Engineering/Tongji University,Shanghai 201804,China
2.College of Logistics Engineering/Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China

In order to realize the high efficiency,low energy consumption and low pollution in a bulk unload,this paper analyzed the stress of bulk grain when it leaved ship's hold,established the effect of distance between scrapers on the stable convey and the relation between running resistance and spacing,and got a proof for an application to the unload ship with embedded scraper.The results showed that the back of scraper could increase a pressure to move an opposite direction with a material so as to low the function efficiency of chain to material.Too much spacing between scrapers would lead to the relative slippage among material layers,however too small spacing could also increase the weight of pull components to increase the consumption of power.The most reasonable scraper spacing could provide a theoretical guidance for the design.

Bulk mechanics;ship unloader with embedded scraper;coefficient of lateral pressure

U653.921

A

1000-2324(2015)05-0761-04

2014-08-05

2014-09-10

國家科技部863重點(diǎn)項(xiàng)目:集裝箱自動化碼頭裝備及示范(2009AA043000)

童民慧(1979-),男,江蘇揚(yáng)州人,講師,在職博士,主要從事大型機(jī)械建模與仿真研究.E-mail:tongminhui2008@163.com