馬浩然 董曉歡 明 磊

(1 中儲(chǔ)糧成都儲(chǔ)藏研究院有限公司 610031)

(2 中央儲(chǔ)備糧廈門直屬庫有限公司 361026)

(3 陜西科技大學(xué) 710016)

1 抑塵斗研究現(xiàn)狀

目前，新西蘭研制的DSH抑塵斗由于其良好的性能以及穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，被國內(nèi)大部分糧庫所采用[1]。DSH抑塵斗以糧食顆粒自身重力為驅(qū)動(dòng)力，使糧食顆粒在下落過程中顆粒與顆粒之間的空隙不斷減小，最終形成致密的“糧柱”，從而減小放糧過程中灰塵的產(chǎn)生[2]，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DSH抑塵斗結(jié)構(gòu)示意圖

DSH抑塵斗主要由上固定板、擋塵布袋、彈簧、錐形漏斗以及錐形體構(gòu)成，其中，上固定板與糧倉側(cè)壁溜管固定連接，錐形漏斗與上固定板之間通過彈簧連接，彈簧四周設(shè)有擋塵布袋，防止灰塵逸出；錐形漏斗內(nèi)部設(shè)有錐形體，錐形體固定連接在上固定板上[3]。其具體工作方式為：初始狀態(tài)下，錐形漏斗在彈簧拉力的作用下與內(nèi)部的錐形體緊密貼合，當(dāng)糧食顆粒流經(jīng)上固定板進(jìn)入錐形漏斗時(shí)，錐形漏斗在糧食顆粒自身重力以及沖擊力的作用下向下移動(dòng)，從而在錐形體與錐形漏斗之間形成環(huán)形空隙，糧食顆粒流經(jīng)環(huán)形空隙時(shí)被集束為一道“糧柱”，灰塵與雜質(zhì)夾雜在“糧柱”之中落下，從而達(dá)到除塵的目的。

DSH抑塵斗具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，除塵效果明顯等優(yōu)勢，但仍然有需要改進(jìn)的地方。比如，DSH抑塵斗的縱向尺寸較大、所需安裝空間要求較高、擋塵布袋需定期更換以及由于彈簧的上下振蕩，因此必須垂直于抑塵料斗的中心進(jìn)料。

根據(jù)我國糧庫實(shí)際情況，鄭州研制了一種新型糧食轉(zhuǎn)運(yùn)用抑塵料斗，其主要機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一種新型糧食轉(zhuǎn)運(yùn)用抑塵斗結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)料口通過法蘭固定安裝在糧倉側(cè)壁的溜管上，當(dāng)糧食顆粒通過進(jìn)料口進(jìn)入抑塵斗后，糧食顆粒撞擊在內(nèi)錐體側(cè)壁上，此過程能夠?qū)崿F(xiàn)對顆粒的小幅度自然攪拌，將物料中的空氣排出，同時(shí)保證了裝載物料的均勻，防止物料分級[4]。內(nèi)錐體固定安裝，且內(nèi)錐體上端設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠通過調(diào)節(jié)螺母，改變內(nèi)錐體豎直方向的位置，適合不同物料和不同產(chǎn)量的需要。外筒體下端呈收縮機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⒓Z食顆粒在下端出口處集中，形成“糧柱”，進(jìn)而使雜質(zhì)和灰塵與“糧柱”一同下落，達(dá)到除塵的目的。該裝置已在國內(nèi)多個(gè)糧庫試點(diǎn)應(yīng)用，取得了良好效果，但仍存在無法在設(shè)備工作過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)出口間隙的問題。

2 新型無動(dòng)力抑塵斗的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)國內(nèi)糧食側(cè)壁發(fā)放時(shí)存在的問題以及現(xiàn)有抑塵斗存在的不足，我院研制了一種新型無動(dòng)力抑塵斗，該設(shè)備能夠?qū)募Z倉側(cè)壁發(fā)放的糧食顆粒之間的空氣排出，并且能夠根據(jù)側(cè)壁發(fā)放的糧食流量自動(dòng)調(diào)節(jié)出口大小，具有結(jié)構(gòu)簡單，除塵率高等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 新型無動(dòng)力抑塵斗結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，新型無動(dòng)力抑塵斗由固定板、上下?lián)醢?、彈簧等?gòu)成，固定板上設(shè)有螺紋孔，可與糧倉側(cè)壁溜管快速固定連接，固定板下方設(shè)有落料斗，落料斗與固定板之間通過八根拉伸彈簧連接，可沿豎直方向上下運(yùn)動(dòng)；彈簧外圍安裝有上擋板與下?lián)醢澹?、下?lián)醢迥軌虮Ｗo(hù)彈簧不受粉塵、雨水等的侵蝕，有效延長設(shè)備使用壽命；上下?lián)醢暹€能夠限制落料斗與固定板之間的水平移動(dòng)，使落料斗只能沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，在任何方向的落料下均能正常工作；此外，下?lián)醢迳习惭b有限位螺栓，設(shè)備正常工作時(shí)，限位螺栓可在上擋板的卡槽內(nèi)滑動(dòng)，當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，限位螺栓達(dá)到最大移動(dòng)位置，落料斗停止下移，能夠有效保護(hù)設(shè)備因負(fù)載過大或外力而發(fā)生破壞；落料斗內(nèi)部設(shè)有錐形體，錐形體可通過限位螺桿調(diào)節(jié)上下高度改變與落料斗之間的間隙，從而適應(yīng)不同粒徑的糧食顆粒，使不同類型糧食均能通過設(shè)備達(dá)到最佳除塵效果。

2.2 工作方式

根據(jù)具體糧食類型，通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)好錐形體與落料斗之間的間隙，當(dāng)糧食顆粒進(jìn)入設(shè)備后，落在錐形體上的糧食顆粒被均勻分散；落料斗在糧食自身重力與糧食顆粒的沖擊力作用下向下移動(dòng)，糧食顆粒的重量與沖擊力和落料斗下移距離呈線性關(guān)系，糧食顆粒的排量越大，落料斗下移距離越大，并且落料斗與錐形體之間的間隙越大，從而保證不同數(shù)量的糧食顆粒均能夠通過錐形體與落料斗之間的環(huán)形區(qū)域，使不同排量、不同種類的糧食顆粒在流出抑塵斗后均能形成“糧柱”，使糧食雜質(zhì)與灰塵裹挾在其中下落，從而達(dá)到除塵的目的。需要說明的是，錐形體不僅可將落下的糧食顆粒分散均勻，并且錐形體的特殊結(jié)構(gòu)能使其下方在糧食顆粒出口處形成負(fù)壓，從而將灰塵和雜質(zhì)吸入“糧柱”內(nèi)部，達(dá)到更好的除塵效果，如圖4所示。

圖4 負(fù)壓除塵區(qū)域位置示意圖

2.3 具體參數(shù)

新型無動(dòng)力抑塵斗具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝維護(hù)、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決大部分糧庫在糧倉側(cè)壁放糧時(shí)的粉塵大、污染環(huán)境的問題，其具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，立筒倉與淺圓倉在進(jìn)行側(cè)壁放糧時(shí)，糧食顆粒的平均流量約為160 t/h，在此過程中，新型無動(dòng)力抑塵斗受到糧食顆粒的重力、糧食顆粒的沖擊力以及抑塵斗自身重力的作用。

2.3.1 糧食顆粒的沖擊力 由于糧食顆粒到達(dá)溜管底部時(shí)速度較高，因此需考慮糧食顆粒對抑塵斗的沖擊力；糧倉側(cè)壁溜管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 糧倉側(cè)壁溜管結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)實(shí)際糧倉側(cè)壁溜管結(jié)構(gòu)，取溜管與倉壁夾角為30°，溜管豎直方向高度為5 m，取溜管內(nèi)任意一點(diǎn)對糧食顆粒進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

圖6 糧食顆粒受力分析圖

由圖6可知，糧食顆粒在溜管內(nèi)下滑的過程中，受到自身重力mg，溜管對其的支持力N以及摩擦力f的作用，則有：

①

其中，μ為糧食顆粒與溜管之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取μ=0.2。

由能量守恒定理得：

②

其中，L為溜管長度，v1為糧食顆粒運(yùn)動(dòng)至溜管末端位置1時(shí)的速度。解得v1=9.31 m/s。

以溜管末端位置1為初始位置，以糧食顆粒與抑塵斗或與抑塵斗內(nèi)堆積的顆粒接觸時(shí)的位置為終止位置，則在t秒內(nèi)，由動(dòng)量定理得：

I=Ft=mv1-mv2

③

其中，I為沖量變化量；F為糧食顆粒落入抑塵斗時(shí)對抑塵斗施加的力；v2為糧食顆粒與抑塵斗接觸時(shí)的速度，取v2=0 m/s。解得F=403.2 N。

考慮到在剛開始出糧和放糧結(jié)束時(shí)溜管內(nèi)糧食顆粒的流量較小，因此將糧食顆粒落下時(shí)對抑塵斗的沖擊力取為F(沖)=150 N。

2.3.2 抑塵斗活動(dòng)部分重力 抑塵斗采用不銹鋼材質(zhì)，其活動(dòng)部分質(zhì)量mg(抑塵斗)=117.6 N。

2.3.3 糧食顆粒的重量 取糧食顆粒的平均密度為750 kg/m3，當(dāng)糧食顆粒充滿抑塵斗時(shí)的重量為mg(糧食)=678.4 N。

則抑塵斗在工作過程中所受的合力大小為：

F(總)=F(沖)+mg(抑塵斗)+mg(糧食)=946 N

④

為了使新型無動(dòng)力抑塵斗的活動(dòng)部分受力更加均勻，抑塵斗中彈簧的數(shù)量設(shè)為8個(gè)；在新型無動(dòng)力抑塵斗未工作時(shí)，彈簧的總預(yù)緊力應(yīng)與其活動(dòng)部分重力相互平衡，則每一根彈簧所需預(yù)緊力為：

F0=mg(抑塵斗)/8=14.7 N

⑤

當(dāng)糧食顆粒的流量達(dá)到最大值時(shí)，每一根彈簧所受最大拉力為：

Fmax=(F(沖)+mg(抑塵斗)+mg(糧食))/8

=118.25 N

⑥

為確保在抑塵斗滿載時(shí)，糧食顆粒剛好能從錐形體與落料斗之間的環(huán)形空隙中流出，以減小糧食顆粒之間的空隙，需要對滿載時(shí)錐形體與落料斗之間的環(huán)形間隙大小進(jìn)行計(jì)算。

已知糧食的流量為0.05925 m3/s，抑塵斗出糧口的出糧速度為1.89 m/s，則錐形體與落料斗之間的環(huán)形間隙出糧速度也為1.89 m/s，環(huán)形間隙的截面積應(yīng)為：

S=Q/V=0.05925÷1.89=0.03 m2

根據(jù)滿載時(shí)的環(huán)形間隙截面積與抑塵斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出彈簧所需伸長量為：100 mm。(注：此伸長量不包含預(yù)緊時(shí)的伸長量)。

根據(jù)上述計(jì)算，最終選取彈簧參數(shù)如表1所示：

表1 彈簧參數(shù)

通過對新型無動(dòng)力抑塵斗的受力計(jì)算以及對彈簧的選型，能夠在保證糧食顆粒順利排出的前提下，有效縮小糧食顆粒流經(jīng)抑塵斗時(shí)的顆粒間隙，從而使糧食顆粒流出抑塵斗時(shí)形成致密的“糧柱”，有效減小粉塵的產(chǎn)生，改善糧食進(jìn)行側(cè)壁發(fā)放時(shí)的工作環(huán)境。

2.4 仿真與樣機(jī)測試

為了驗(yàn)證新型無動(dòng)力抑塵斗結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性，通過EDEM離散元分析軟件，對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。EDEM是全球首個(gè)大型離散元分析軟件，能夠?qū)﹄x散體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多種顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，有助于快速縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減小產(chǎn)品研發(fā)成本[5]。

本文通過建立稻谷顆粒模型，模擬新型無動(dòng)力抑塵斗實(shí)際工作條件下的狀態(tài)，稻谷顆粒的離散元模型如圖7所示。

圖7 稻谷顆粒離散元模型

稻谷顆粒模型通過Solidworks建立，轉(zhuǎn)換為通用格式后再導(dǎo)入EDEM離散元分析軟件中，手動(dòng)選擇球形顆粒對模型進(jìn)行填充，最終得到稻谷顆粒的離散元模型。顆粒模型建立成功后，對新型無動(dòng)力抑塵斗在滿載時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果云圖如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果云圖

由圖8可知，稻谷顆粒初始速度較大，流經(jīng)錐形體后速度急劇減小，最終流出抑塵斗后形成形狀規(guī)則的“糧柱”，并且糧食顆粒的速度在流出抑塵斗后逐步增加。由上述仿真結(jié)果可知，新型無動(dòng)力抑塵斗能夠有效的使糧倉側(cè)壁發(fā)放時(shí)分散的糧食顆粒集束為形狀規(guī)則的“糧柱”，從而達(dá)到除塵、改善工作環(huán)境的目的。

新型無動(dòng)力抑塵斗的樣機(jī)已加工完成，并且進(jìn)行了現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，新型無動(dòng)力抑塵斗樣機(jī)性能可靠，能夠很好地滿足實(shí)際需求。

3 結(jié)果與討論

為了解決糧倉側(cè)壁發(fā)放時(shí)易產(chǎn)生粉塵從而危害工人身體健康的問題，本文對現(xiàn)有抑塵斗結(jié)構(gòu)以及功能進(jìn)行了分析，并且結(jié)合現(xiàn)有抑塵斗的不足之處，設(shè)計(jì)了一種新型無動(dòng)力抑塵斗，通過對糧倉側(cè)壁發(fā)放時(shí)抑塵斗所受力值大小的分析計(jì)算，最終確定了新型無動(dòng)力抑塵斗中彈簧的參數(shù)以及機(jī)構(gòu)，并且通過離散元仿真分析的方法，驗(yàn)證了新型無動(dòng)力抑塵斗在工作時(shí)其結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和合理性，最終實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的生產(chǎn)與制造，為糧倉側(cè)壁發(fā)放時(shí)易產(chǎn)生粉塵的問題提供了完善的解決思路。

但在研究過程中，本文對錐形體詳細(xì)尺寸結(jié)構(gòu)對除塵效果的影響未進(jìn)行深入探究，并且對于錐形體下方“負(fù)壓區(qū)”形成機(jī)理未進(jìn)行分析，后續(xù)可從改善錐形體尺寸結(jié)構(gòu)、使錐形體下方“負(fù)壓區(qū)”區(qū)域增大的方面進(jìn)行研究，從而使新型無動(dòng)力抑塵斗的除塵效果進(jìn)一步提高。