帶式輸送機轉(zhuǎn)載溜槽試驗設(shè)計研究

樸香蘭

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002 )

轉(zhuǎn)載溜槽是一種散料輸送系統(tǒng)中起到導(dǎo)流和改向作用的設(shè)備。在由料倉、給料機、帶式輸送機和溜槽組成的連續(xù)輸送系統(tǒng)中，物料的轉(zhuǎn)載和分流主要由溜槽來完成的。但實踐證明，轉(zhuǎn)載溜槽是整個連續(xù)運輸系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)流動堵塞、膠帶的磨損、跑偏、撕裂以及沖擊破壞等問題[1]。過去溜槽設(shè)計多是憑經(jīng)驗和試算的方法，很難得到較優(yōu)的幾何參數(shù)[2]。因此，國外興起了采用離散元方法模擬溜槽中物料流動的研究熱潮[3～6]。為了能夠合理選擇溜槽出口處的最優(yōu)速度及相應(yīng)的幾何參數(shù)，對溜槽中的物料進行了運動分析和磨損分析，在滿足溜槽設(shè)計準(zhǔn)則的條件下，對轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)進行了試驗設(shè)計。通過試驗設(shè)計的方法確定了較優(yōu)的試驗方案，實現(xiàn)了優(yōu)化的過程，達到了選參有依據(jù)的目的。

1 物料在轉(zhuǎn)載溜槽中的流動模型

要使物料在轉(zhuǎn)載溜槽內(nèi)加速穩(wěn)定地流動，首先要弄清楚物料在溜槽內(nèi)流動的運動規(guī)律。

1.1 物料流動的運動方程

為了研究方便，對于物料的運動作以下三點假設(shè)[7]：①在流動過程中，物料分布是連續(xù)均勻的；②物料之間的相互作用不存在；③忽略溜槽內(nèi)的空氣阻力。

如圖1所示，選取沿單元體切線方向為坐標(biāo)軸“S”，法線方向為坐標(biāo)軸“N”，則單元體所受的力有離心力△man、重力△mg、慣性力△mat、溜槽面支反力FN和摩擦力FD。

據(jù)切向、法向的力平衡關(guān)系，得式(1)。

△mgcosθ-△mat-μE(△mgsinθ+△man)=0

(1)

化簡后為式(2)。

at+μEan+g(μEsinθ-cosθ)=0

(2)

式中：△m為單元體的質(zhì)量，kg；at為單元體的切向加速度，m/s2；an為單元體的法向加速度，m/s2；μE為物料與溜槽之間的等效摩擦系數(shù)；θ為基于垂直線的溜槽傾角。

令at=S″，V=S′，則有式(3)。

(3)

式(2)進一步寫成式(4)。

(4)

式中，R為單元體所在處溜槽的曲率半徑，m ；S為溜槽入口處到單元體處的距離，m 。

圖1 溜槽流動模型

1.2 等效摩擦系數(shù)

對于常用的矩形截面溜槽，物料在溜槽截面處沿著周圍的壓力分布如圖2所示。

沿著溜槽長度方向單位長度上的總摩擦力見式(5)。

F=μPB+μKVPH

(5)

令F=μEPB，結(jié)合式(5)可得式(6)。

(6)

式中：μ為物料與襯板間的摩擦系數(shù)；P為溜槽底部均布壓力，pa/m；H為溜槽內(nèi)料流層的高度，m；B為溜槽截面寬，m；KV為溜槽底部橫向壓力與垂直壓力之比，通常，KV=0.4～0.6。

1.3 運動方程的解

針對常用的矩形截面、不變曲率的溜槽，式(4)的近似解表示為式(7)。

(7)

對于V=V0，在θ=θ0處有式(8)。

(8)

當(dāng)θ0=0和V=V0時，有式(9)。

(9)

當(dāng)式(4)中，R→∞時，圓弧段溜槽將變成直線段溜槽，則得直線段溜槽中的料流速度，見式(10)。

(9)

圖2 變寬溜槽

2 溜槽、輸送帶的磨損分析

溜槽的磨損包括摩擦磨損和撞擊磨損。摩擦磨損主要是由于物料的流動與溜槽表面接觸引起，而撞擊磨損是由于物料轉(zhuǎn)載到受料帶時，物料垂直于受料帶的分速度引起的。

2.1 溜槽摩擦磨損因子

對于連續(xù)流動的散裝物料在急速流條件下，其摩擦磨損量是法向壓力和急流速度的函數(shù)。圖1所示的橫截面為矩形截面的等曲率溜槽，溜槽底面的摩擦磨損因子WC由式(11)給出。

(11)

(12)

Qm=3600AβVρ(t/h)

(13)

式中：A為溜槽的截面積，m2；β為溜槽截面裝滿系數(shù)，煤取0.3～0.4；ρ為散料密度，t/m3；V的含義同前。

比起與溜槽底面的磨損，物料與溜槽側(cè)面的磨損要小得多。磨損量從物料表面處的零達到溜槽底面處的最大值。假設(shè)溜槽側(cè)面所受壓力沿著側(cè)面從物料表面到底部線性增加，則溜槽側(cè)面所受的平均磨損量可由式(14)估計。

(14)

式中：KV、KC的含義同前。

2.2 溜槽的撞擊磨損

溜槽的撞擊磨損通常發(fā)生在物料的入口處或料流突然改變流動方向的點處。所以，只要合理設(shè)計溜槽的結(jié)構(gòu)及安裝尺寸，可以大大減少撞擊磨損部分。

2.3 輸送帶的磨損

料流從溜槽終端到達輸送帶時的速度的垂直分量及物料的密度影響輸送帶的撞擊磨損。而此時物料速度的水平分量與帶速之間的相對滑動速度VS與磨損量也有關(guān)，見式(15)。

(15)

式中：μb為散料與輸送帶間的摩擦系數(shù)；ρ的含義同前；Vb為輸送帶的速度，m/s；Vex、Vey為溜槽終端出口速度的水平分量和垂直分量，如圖3所示。

圖3 喂入溜槽系統(tǒng)

3 轉(zhuǎn)載溜槽試驗設(shè)計及分析

設(shè)已知的設(shè)計參數(shù)有：輸送能力5000t/h、喂入溜槽的垂直速度V1=5.25m/s、物料密度ρ=0.8t/m3、受料帶帶速Vb=5.85m/s、物料與溜槽間的等效摩擦系數(shù)μE=0.5。

根據(jù)物料順利流動的條件，溜槽出口傾角應(yīng)滿足式(16)。

φ≥arctan(μE)+5°=31.57°

(16)

按照試驗設(shè)計理論[8-9]，首先確定考察的指標(biāo)為VS和NWR，影響因素為R、θ、轉(zhuǎn)載高度Ht和溜槽傾角φ。每個因素取8個水平，如表1所示。

表1 因素水平表

由表2可以看出，第8個試驗方案較優(yōu)。即溜槽半徑為6m、溜槽總高為5m、入口角度為24°和出口角度為32°時，溜槽終端料流的水平速度與帶速的差值的絕對值最小為0.0261，而無量綱摩擦因子NWR=20.26也較小。各試驗方案的溜槽布置見圖4[10]。

表2 試驗方案和結(jié)果

表3 試驗方案和結(jié)果

表4 試驗方案和結(jié)果

圖4中x代表溜槽水平方向，y代表溜槽垂直方向。圖5、圖6中x、y含義與圖4相同。

由表3可以看出，試驗指標(biāo)Vs絕對值最小的試驗方案為第3個試驗方案。但無量綱因子NWR=24.14并非最小，為了減小物料與溜槽間的摩擦損失，選擇第7個試驗方案。此時，直線溜槽段的長度為0.0914m，大部分屬于圓弧段溜槽。試驗指標(biāo)Vs的相對偏差等于9.04%，在允許的偏差10%的范圍內(nèi)。各方案的溜槽布置如圖5所示。

圖4 圓弧段和直線段組合溜槽

圖5 直線段和圓弧段組合溜槽

由表4的試驗結(jié)果，可選擇較優(yōu)試驗方案為第1試驗方案。雖然試驗指標(biāo)Vs的值不是最小，但此方案的無量綱摩擦因子最小。而試驗指標(biāo)Vs的相對偏差等于5.89%，在允許的偏差10%的范圍內(nèi)。各方案的溜槽布置如圖6所示。

圖6 直線段和直線段組合溜槽

4 結(jié)語

根據(jù)試驗設(shè)計理論，利用均勻設(shè)計表分別安排了圓弧段加直線段組合、直線段加圓弧段組合及直線段加直線段三種組合方式的溜槽8種試驗設(shè)計方案，通過直觀分析法獲得了相應(yīng)的較優(yōu)方案。

對于圓弧段加直線段組合溜槽，幾何尺寸可以選擇圓弧半徑6m、溜槽入口角度為24°、溜槽總高5m及溜槽出口角度為32°。

對于直線段加圓弧段組合溜槽，幾何尺寸可選擇圓弧半徑5.5m、溜槽入口角度18°、溜槽總高3m及溜槽出口角度為33°。

對于直線段加直線段組合溜槽，幾何尺寸可以選擇第一直線段長度2.5m、溜槽入口角度為9°、溜槽總高7.5m及溜槽出口角度39°。

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