一種自清潔回轉下料器的設計方法

李德祥，苑明華

回轉下料器是一種鎖風喂料設備，具有體積小、重量輕、生產能力強、維修操作方便等特點，廣泛應用于水泥、環保、冶金、化工等行業。當回轉下料器輸送物料水分較高時，轉子槽內容易出現粘料現象。為了減輕粘料對轉子槽下料能力的影響，常常需要向轉子內部通入熱氣體或設置一個輔助刮板，用于清潔轉子槽上粘附的物料（圖1）。如果設置輔助刮板，刮板和轉子槽的間距越小，越能更好地完成粘料的清潔，同時，還應考慮轉子槽的形狀和制作難度。

圖1 自清潔回轉下料器示意圖

本文介紹一種易于制作的自清潔回轉下料器的設計方法，具體如下。

1 轉子槽直角坐標系的建立

以回轉下料器回轉中心O為原點，建立直角坐標系；P點為刮板回轉中心點；A點為刮板進入回轉下料器的起始點，此時時間點為t0；B點為刮板轉出回轉下料器的結束點，此時時間點為tn；設定A點在Y軸上（見圖2）。

圖2 設計參數示意圖一

設計初始條件（見圖2）：轉子直徑R0，刮板從進入轉子點A到轉出轉子點B，與下料器旋轉中心點O組成∠AOB，角度為γ0，刮板與下料器相切圓半徑為d，轉子槽數量n=5。

由以上設計初始條件可計算獲得：

A點坐標（XA，YA），B點坐標（XB，YB），P點坐標（XP，YP），刮板半徑R，刮板在和轉子外徑接觸（A點）到離開轉子外徑（B點）后轉過的角度∠APB為αmax，AP連線與水平方向夾角β。

刮板從A點，時間點t0，旋轉任意角α對應S0（XS0，YS0），時間點tα；將點S0沿O點順時針旋轉α/5角度得到S（XS，YS）點，該點為轉子槽上在t0時間點S0所對應的位置。當刮板端點旋轉軌跡為AS0時，轉子槽上某一點從S到S0點，S0點為轉子槽上和刮板在刮板旋轉α角度后的接觸點。

當α在（0，αmax）范圍內變化時，獲得的S點的軌跡，即為轉子和刮板同時旋轉，且刮板的轉速是轉子轉速n倍時，刮板和轉子槽緊密接觸也不干涉的軌跡，也即是轉子槽的形狀。

此軌跡為不規則曲線，以此曲線制作轉子，制作難度較大。為了簡化制作工藝，筆者根據計算分析，該曲線完全可以簡化為圓弧面。

2 轉子槽為圓弧面的轉子的設計方法

如圖3所示，取弧AB的中點D，對應的α=αmax/2；

圖3 設計參數示意圖二

D點繞O點順時針旋轉α/5即αmax/10，得到點E（EX，EY）；

令E點在轉子槽的圓弧面上，轉子槽圓弧面中心位于直線OE上，得到角度γ，OE繞O點順時針旋轉36°（360°/5/2），得到轉子槽的邊線直線OA',令其方程為y=k3*x，得到角度γγ，其中γ+γγ=36°。

如圖4，在（0，αmax）范圍內取任意α，得到對應的S（XS，YS）點，計算出S點到直線y=k3*x的距離SH'，比較α在（0，αmax）范圍內變化對應的SH'值，找出最小值，對應的S點定義為F點，則SH'的最小值為HF，其對應的α角定義為αF；直線HF必然經過圓心Q。

圖4 設計參數示意圖三

如圖5，在OE上以E點為圓心，線段HF為半徑畫圓找出交點G，計算G點到y=k3*x的距離GJ。

圖5 設計參數示意圖四

在直角三角形△OJG和△OHQ中，線段HQ=GQ。根據以上三角關系可得：

則，HQ/（GQ+GJ/sin36°）=sin36°

即，HQ=sin36°×GQ+GJ

因為：HQ=GQ

所以：GQ=sin36°×GQ+GJ

則轉子槽半徑R=QF=QG-HF

根據OQ和γ值可以計算出Q點坐標（XQ，YQ）。

如圖6，以γ0為變量，將HF的值控制為δ/2，計算出新的Q點坐標和轉子槽圓弧半徑，即可完成設計。

圖6 設計參數示意圖五

當δ=16時，在R0=700，d=200條 件 下，由Function轉子槽計算程序得到：γ0=86.624°，轉子槽中心坐標Q（362，554.5），轉子槽直徑為R=381.2，此即為設計所需的參數。

得到的轉子槽形狀與刮板頂部的運行軌跡在刮板進入點A誤差為9.66mm，在刮板轉出點B誤差為9.63mm，在中間大部分形狀與圓Q貼合得非常好（如圖7）。將轉子槽兩端進行修正后完全可以用圓弧面代替理論曲面。

圖7 設計參數示意圖六

3 轉子槽設計用Function計算程序

為了更有效率地完成設計，可借助計算機的計算能力完成參數的快速設計。將本方法進行VBA編程，其函數如下：計算結果為對應R0、n、d條件下，轉子葉片厚度δ對應的γ0，及轉子槽圓弧中心Q（QX，QY）及半徑R。

Function轉子槽計算（δ）

δmin=R0*2 'δmin轉子葉片的鋼板厚度計算值，初始化

YE=R3*sin(γ0/2-αmax/2/n+270) 'E點為刮板旋轉到D點時轉子槽上相對應的點

計算次數=100 '可控制計算精度，數值越大越準，滿足精度條件下，越小越快

精度系數值=100000

精度系數=精度系數值/（精度系數值+1）'保證αFi＜αmax

Do Whilei＜=計算次數

αFi=i/計算次數*αmax*精度系數 'S0點對應的α角

XS0=XP+R*cos(180-β-αFi) '刮板旋轉αFi后的坐標

YS0=YP+R*sin(180-β-αFi) '刮板旋轉αFi后的坐標

OS0=(XS0^2+YS0^2)^0.5 '刮板頂點到O點距離

θ=270+atan(-XS0/YS0) '(XS0，YS0)在中心為原點的極坐標角度，在第四象限

θ旋轉=θ-αFi/n'(XS0，YS0)在轉子槽上對應點的極坐標角度

SH1=Abs((k3*XS-YS)/(k3^2+1)^0.5)'點S(XS，YS)到y=k3*x的距離SH'

Ifδmin/2＞SH1 Then '查找點(XS，YS)到y=k3*x的最小距離

αF=iii/計算次數*αmax*精度系數'點(XS，YS)到y=k3*x的最小距離對應的α

XQ=(OG+QH)*cos(γ0/2-αmax/2/n+270)'Q點，轉子槽圓心(XQ，YQ)

轉子槽計算="轉子槽半徑="&RC&"圓心坐標為"&"("&XQ&"，"&YQ&")"&"轉子鋼板厚度δ"&δmin&"γ0="&γ0 '輸出相關參數

End Function

4 結語

本文通過建立轉子槽的數學模型，設計了一種由圓弧和直線組成的易于制造的轉子槽，該轉子槽和刮板在圓弧區域內能緊密接觸，可有效清潔附著在圓弧槽上的物料，從而制造出自清潔回轉下料器。