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域，而粉體工程則是一門新興的綜合性科學技術，在國際上以二十世紀四十年代的《Micromeritics》的發表為研究起點。六七十年代由于能源、化工、采礦等行業的飛速發展，粉體工程得到進一步的發展，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展到納米技術，進入原子、分子級的研究時代。美國、德國、日本等發達國家均有多所大學及相關研究機構進行粉體工程的相關科研，但是國內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、化工等相關領域，糧食行業方面對粉體工程的研究則多在倉儲及氣體輸送方面。

由于糧食行業涉及的相關顆粒物料，特別是大米具有良好的流動性，所以從十九世紀后期，固體顆粒自動定量設備出現以來，國內外多采用結構簡單可靠的重力流出給料方式，到二十一世紀，已經普及應用到全國各地。但是對這種給料方式的研究和改進，多集中在機械結構及尺寸的優化上，對于物料在給料機構槽體內的實際流動情況，影響流速變化和流速誤差的各種因素，相關資料很少，尚未明確因素較多；并且，研究給料槽體內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的各項參數對于固體顆粒流速及誤差的影響，分析現有給料槽體結構設計的合理性，從而為改進給料機構提供理論及數據基礎。

1 大米的特性分析

根據《糧食工程設計手冊》[1]，大米堆密度ρ=0.8 t/m3，內摩擦角為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。查卡爾流動指數表[5]，可知大米屬于流動性最好的顆粒，流動指數在90以上，均勻性系數達到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生滾動、滑動及沉降等動作，流動規格復雜多變，流速大小及誤差都難以控制。流出的不穩定主要體現在以下幾點：

⑴ 流速不穩定，時快時慢。

⑵“結拱架橋現象”物料忽然停止卸出。

⑶“中心流現象”只有料倉出口上方的物料流出，四周物料不動。

⑷“虹吸現象”底部物料拉動倉物料不斷卸出。

⑸ 偏析現象，不同性質顆粒不能同步流動，出現分層。

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

流動形式[5]對流速大小影響較大：顆粒從給料槽內流出分為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定，可以實現先進先出原則，是設計給料槽的理想流形；而漏斗流則流速慢且不穩定，而且容易出現殘料等問題，是設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的占比按國家標準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生加大流速的影響。

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

物料的內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，內摩擦角在流型預測上有所應用，而堆積密度則可以直接體現在流速的質量監測上面。

而賈力偉[7]等人則通過研究發現，常用粉體壁面摩擦角對流速還是產生了一定的影響，所以粉體內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[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，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壁，不再影響到倉底。錐形倉也有同樣的效應，料位高度超過一定界限，對流速不再有影響。按《粉體技術手冊》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

考慮到結構設計及加工的簡易性，傳統給料槽水平截面多以矩形為主，豎直側截面以楔形為主，配合弧形自重式閘門實現開合動作。實現動作的機械結構[11]如圖1。

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

圖1 一種無極調節的給料閘門開合機構

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]，單邊豎直的楔形結構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構簡圖

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點轉動，所以寬度尺寸W可控制在0～80 mm的范圍內；槽長尺寸不可調整，為固定數值280 mm，槽寬與尺寸W共同組成矩形的落料開口。

閘門在轉動過程中，除了尺寸W，隨著發生變化的還是角度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的變化對質量流速的影響不大。因此，隨著開口寬度W值的變化，質量流速M值能相應穩定變化。但是由于結拱臨界條件的存在，當W值小于一定數值后，質量流速會變得不穩定，流速誤差會變大。

4 測試數據統計、計算及分析

4.1 測試條件簡介

實驗設備由提升機構、給料機構、計量機構及電控部分組成，采用全自動循環連續測試，電腦自動數據采集。提升機構主要由斗式提升機、下緩沖倉、上儲料倉構成，主要用于將測試過的物料由計量機構放料至下緩沖倉，再提升至上儲料倉，給上儲料倉下方的給料機構供料，實現測試循環。計量機構由懸掛在3個電子應變式波紋管傳感器下方的帶有氣動V型閘門的計量筒構成，用于重量信號采集以及自動卸料清零。給料機構是主要測試對象，采用氣動方式自動實現快加及慢加動作，并可以利用電機調整快加開口大小。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，利用無線通訊技術與辦公室的計算機通訊進行數據采集，系統分度值1 g。

圖4 流速誤差統計

實驗采用循環測試，設定固定目標值后，計量筒卸料后閉合，電控系統回歸零點，加料閘門打開，電控系統不斷采集計量筒內重量信號，到達目標值后，加料閘門關閉，系統采集重量后，計量筒放料門打開，卸料后閉合，依此循環。由于流速誤差的原因，每次采集到的重量數值不同，測試達到一定次數之后，可得到流速誤差的正態分布曲線，體現流速誤差大小。

4.2 測試結果分析

4.2.1 單組測試數據處理方法

首先對測試所得數據按不同包裝重量進行分組，統計每個重量的數量，可得圖4。

從圖4中可以看出重量分布符合正態分布，測試結果可以在一定程度體現流速誤差的范圍。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量流速，每組測試數據均照此處理方法。

4.2.2 開口寬度對質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的數值，槽長280 mm為固定數值，因此W值的變化能體現開口面積的變化。

按上文所述方法分組測試并處理數據可得表1。

表1 開口寬度與誤差率關系表

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

以上，我們從小組合作學習之于初中數學教學活動的意義入手，對初中數學課堂上如何開展小組合作學習進行了思考與探究。新課程標準背景下，初中數學的教學模式和教學手段都得到了一定程度的豐富。但是要想真正取得效果，實現初中數學教學的有效性，還需要教師更多地根據學生學情以及學生發展規律來制訂教學計劃，完善教學方法。

將開口寬度W值與誤差率關系列為圖表，可得圖5。

圖5 開口寬度與誤差率關系圖

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，隨著其數值變小，誤差率忽然快速變大，可見此時質量流速變得更不穩定。考慮到結拱臨界條件的影響[7]，理想的流動開口尺寸為48 mm，符合上文中對給料槽結構的分析結果，也符合實際測試結果。

4.2.3 重力流出質量流速的理論計算與測試結果的對比分析

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

對于矩形出料口的質量流速公式為：

式中：

M—質量流速，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，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，fh=tgβ-0.55，β為半錐角（給料槽中心線與槽壁的夾角），當β＜45°時，β按槽體休止角計算，當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。

根據上述給料槽結構，以L=200 mm、W=25～90 mm、d=2.5 mm、g=9.8 m/s2為例，將以上數據代入矩形出料口M值計算公式，由于測試進料槽與經驗公式推導用進料槽結構與尺寸上的差異，需要根據實際測試數據加入修正系數，得到理論計算數據與修正數據，通過軟件進行圖表化，再加入表1內所示質量流速M與開口寬度W的測試結果得圖6。

圖6 開口寬度與質量流速關系圖

由圖6可以看出測試結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果。當開口寬度W值在30～80 mm時，質量流速M值平穩隨著W值成指數變化，并未象誤差率一樣在W值為50 mm左右發生突變，這證明了誤差率受結拱臨界條件的影響比質量流速大很多，流速與誤差率并不完全同步。

5 結語

本文分析了典型顆粒物料——大米的相關特性，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閉過程中的流速及誤差的變化情況，發現在這過程中，閘門開口存在一個臨界值，當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，但會導致誤差率快速增大，使料流變得不穩定。