轻质微细物料加料过程的流动分析与控制

轻质微细物料加料过程的流动分析与控制

1储料水平或斜坡输送由于微标签、形状不规则、堆密度和紧缩性密度的很大差异，微标签的内系数较大，锥形沉降角和吸附力较小，因此很难添加过程。加料过程通常采用垂直落料、水平输送和斜坡输送方式。垂直落料方式往往用在储料仓斗底部开口,靠重力或其他外力作用,使物料沿垂直方向排出。水平或斜坡输送通常采用带式输送机或振动送料器输送。对于微细物料,尤其是小密度轻质微细物料,在垂直加料过程中,往往会在料仓或料斗中产生起拱现象,使物料阻滞而不能正常排出。由于微细离散物料的流动机理极难建模分析和模拟,目前尚无完善的理论分析计算方法,仍然采用以经验为主的设计计算方法。2微材料的物理特性和加工完成条件2.1颗粒平均直径、内摩擦角、半堆锥角所研究的加料对象为一种轻质微细化工原料,其物理特性为堆密度ρP=0.5kg/L,颗粒平均直径da=4～6μm,内摩擦系数f=1.43,内摩擦角φ=65°,半堆锥角θp=35°(见图1)。颗粒显微形状为针状,吸潮性强,容易结块,极易产生静电。2.2物料加料及粉碎该加料装置是为某种物料的混合搅拌系统进行定量加料而设计的,要求:(1)加料流量为2～12kg/min,定量精度为±1%;(2)物料在加料过程中必须密闭,不能与大气大面积直接接触;(3)工艺要求1次储料量为150kg;(4)必须用10目左右的筛网进行筛分,以防结块料和大直径杂物进入混合装置;(5)要求防爆,不允许使用吹气、搅动、刮移等输送方式;(6)要求物料水平进入混合装置。3振动方式的确定所设计的加料装置由2部分组成(见图2):(1)料仓及料斗组件,用于完成储料、垂直落料和定量计量控制功能;(2)水平输送筛,用于完成筛分及水平输送。料斗的落料方式主要有自然落料及搅动、吹气、振动等方式。自然落料方式只能用于流动性好、不会产生起拱阻流的物料。搅动、吹气方式因搅动物或空气直接与物料接触,对于密闭加料,其结构要求比较复杂,且容易产生静电,而仅适于开放式落料及不会产生飞扬的物料。振动加料方式具有破拱助流作用强、相对运动构件不与物料直接接触、结构简单、工作可靠、全密封等优点。综合物料特性和使用工况的要求,本设计采用振动落料方式。根据激振源的不同,振动方式通常又分为电磁激振和惯性激振方式。电磁振动一般不会引起电网电压的变化而影响其他设备的正常运行,它可以较方便地实现给料量的无级或自动调节,但其功率因数较低,料仓的仓压和电源电压对振幅的影响较为敏感。惯性激振是一种采用电机驱动的偏心振动方式,它的特点是除启动停止过程外,频率远离共振区,阻尼对振幅的影响小,振幅稳定,特别是振幅大,频率低,破拱作用强。但是由于要通过调整偏心才能调整激振力,因此,调节给料量不方便。根据料斗的振动运动形式的不同,又可分为直线型、平旋型和涡旋型3种振动形式。直线型振动简单,易于调整,工作平稳可靠,但是由于不产生垂直运动分量,破拱作用小。平旋型振动一般有椭圆和圆振动方式,物料在水平二维运动作用下产生切线方向剪切力,破拱作用比直线型振动强,它造价低,性能稳定,容易调试。涡旋型振动使料斗上各点都作螺旋线形往复运动,物料受到三维空间力的作用,具有极强的破拱助流作用,但是由于料斗受力复杂,要求料斗具有较高的强度和刚度,结构较复杂,造价也较高。由于本加料装置所加物料落料极为困难,且要求流量不能因为料仓存料量的变化而变化,如果采用改变激振参数的方法调整流量将使过程控制变得十分复杂。因此本设计采用具有最强破拱助流特性的涡旋型振动方式,以具有较强固定激振力和较优的激振频率的惯性激振源,采用气动闸门控制特定时间段内的落料量来控制落料流量。筛分方式有直线式和圆周式,本设计要求水平输送物料,故采用具有筛分与输送复合功能的直线振动方式,以电磁激振或机械激振作为振源。4振动材积的设计振动料斗由料斗体、活化锥、密封胶带、弹性悬挂组件、振动器等组成,见图3。采用经验型的设计方法对各主要结构参数进行分析计算。4.1根据回用量q,有b0,v,v.料斗的主要参数有进料口直径d、排料口直径d0、料斗斗体坡角α、进料口高度h。(1)根据经验设计,取进料口直径d=600mm,进料口高度h=100mm。(2)排料口直径d0排料口直径的大小与落料流量有关,流量越大,排料口直径越大,最大给料量Q=3600πd2020vψ/4式中Q——最大给料量,Q=0.39m3/hv——物料平均速度,v=0.125m/sψ——充满系数,中心出料时ψ=1.0;偏出料槽密封时ψ=0.4～0.7;偏出料槽敞开时ψ=0.7～0.9本设计采用中心出料,因此有d0=18.8√Q/(vψ)=33.2mmd0=18.8Q/(vψ)−−−−−−√=33.2mm对涡旋型振动给料斗,一般d0=50～150mm,取d0=50mm。(3)斗体坡角α斗体坡角的选择与物料和料斗材料的摩擦系数有关,摩擦系数越大,斗体坡角也越大。当出料口直径确定后,斗体坡角越大,料斗高度也越大,在设计时要考虑空间位置的安排。一般取斗体坡角为α=φi-(10°～20°)式中φi——物料与料斗的外摩擦角对于粘性大的物料,采用涡旋型振动方式,通常选择α=60°4.2生破拱、装卸1.2结构参数对助流效果的影响活化锥的作用是通过物料与它的相对运动,产生破拱和卸载导流的效果。其结构参数对助流的效果是至关重要的。活化锥主要参数有活化锥底角β、活化锥直径d1和活化锥足隙h1。(1)激活锥的底角活化锥底角应大于物料的动摩擦角,底角越大,对物料的水平振动作用越大,而垂直分量较小。一般物料取β=30°,对难卸物料应相对加大。(2)活化锥直径的确定活化锥直径直接关系到物料的活化范围,应视物料起拱趋势的大小决定,一般起拱趋势大的物料,活化锥直径应取大值。对于大型料仓及振动时易压实的物料,活化锥直径要相应取大一些。一般活化锥直径按料斗斗体直径大小选取,d1≥d/3,本设计取d1=200mm。(3)足隙可调结构活化锥足隙是物料从料仓到料斗的排料通道,其大小应满足加料流量的要求。活化锥足隙越大,给料流量越大。一般情况下,若要求料斗起闸门作用时,在料斗停止振动时,物料起拱而不再流动。此时,可设计采用足隙可调结构,既可控制流量,又能实现落料的启闭控制。一般对于涡旋型料斗,活化锥足隙h1≈d0/2,这里取h1=25mm。4.3振动设计与计算对涡旋型振动,2个激振器的振动方向为空间正交,其轴线与水平方向夹角ε通常取为45°。(1)破拱助流能力根据经验,振动频率为14.33Hz左右时,破拱助流能力最佳。采用同步转速为750r/min的交流异步电动机,其同步频率为12.5Hz,比较接近最佳频率。(2)加大隔振难度振幅的大小与落料速度有直接关系,但并非振幅越大越好,振幅过大会造成无谓的功率消耗,另外还大大提高了对结构的要求,加大隔振难度。一般对于中小型料斗,振幅可取为3～5mm。(3)电机的激振力的影响激振力由所需振幅、振动部件质量、振动频率等因素确定。对于涡旋型振动,其振幅分垂直振幅和圆周振幅。设计时,一般以满足垂直振幅为依据,因为其悬挂装置的垂直方向刚度比水平方向刚度要大得多。由于垂直振幅Az=2Fcosεcosαz/(m′zω2)式中F——单个电机的激振力αz——垂直方向激振力与位移的初相位角,αz≈180°m′z——计算质量m′z=m+2m0-kzω2m——振动质量,它是料斗和电机的质量(160kg)与当量参振质量之和,m=205kgkz——垂直方向刚度,本装置采用4个相同的空心橡胶弹簧,内、外直径和高度分别为14、40和50mm,则kz=3150N/cmm0——偏心块的质量,m0=5kgω——振动频率,ω=12.5Hzε——激振器轴线与水平方向夹角,ε=45°所以,当取垂直振幅为10mm时,激振力F=Azm′zω2/(2cosεcosαz)=239.7N如果密封装置产生较大的振动阻力,则所需激振力应相对加大,根据最终计算结果,即可选择相应的电机。4.4料仓及其悬挂装置的刚度料斗与料仓之间必须采用弹性悬挂,以保证料斗的可靠支撑,同时在料斗与料仓之间起减振作用,使料斗传递到料仓上的振动衰减到较小的程度。悬挂装置的刚度是主要的设计参数,刚度越低,减振作用越强,料仓振动越小,同时料斗的振动也越弱。其刚度的确定要综合考虑料仓所允许的振动和料斗所需的振动。由于料仓是料斗的悬挂基础,因此悬挂装置的刚度除与悬挂件有关,还与料仓本身的刚度有关,在设计中,一般先假设料仓为完全刚性体进行计算,然后再根据料仓具体情况进行参数修正。隔振效率nc=kz/(mω2)×100%=9.83%一般要求隔振效率为1%～25%,显然该设计符合要求。5粉碎和输送功能水平输送筛由筛体、筛网、弹性支承件、激振器等组成,具有筛分和输送2个功能。一般在筛网密度较大时,筛分比输送困难。筛分速度与垂直于筛网面的振幅成正比,而输送速度与激振方向的合成振幅成正比,因此输送的关键是激振方向的确定。5.1筛网宽度和长度的测定设计时,应使筛网有足够的宽度和长度,以保证物料不在筛网上发生阻滞堆积。应通过试验测定所输送的物料,在给定的筛网及其振动条件下,根据单位筛网面积的落料量和所需的加料流量计算筛网的宽度和长度。Q=blq式中Q——加料流量b——筛网的宽度l——筛网的长度q——单位筛网面积的落料量5.2电机惯性激振激振器安装参数为激振角和激振位置,其主要设计参数为激振频率和振幅。一般激振器的振动方向与筛面夹角为45°,但是本装置要完成筛分与输送2个功能,考虑输送速度的要求,因此取为30°。激振力中心应通过整个筛体的重心,否则会出现激振不均的现象。经验表明,输送效率与激振器的激振频率有较大关系,频率通常取10～30Hz,一般不应过高,采用惯性振动方式时,可选用同步转速为1500r/min的异步电机,频率为23或25Hz。激振力的大小决定筛体所产生的振幅。采用电机惯性激振时,为了平衡垂直于输送方向的振动,必须对称安装2台电机。单台电机的激振力F=Azm′zω2/(2sinλ)式中Az——垂直方向振幅,Az=5mmm′z——结构和电机的质量和,m′z=120kgω——激振器的激振频率,ω=23Hzλ——激振器振动方向与筛面的夹角,λ=30°则单个电机的激振力F=317.4N5.3空心橡胶弹簧为保证水平输送筛的正常工作,应使筛体定位可靠,同时具有减振作用,使筛体传递到支承基础上的振动有较大的衰减,以减小支承基础的振动,降低噪声。采用4个相同的空心橡胶弹簧作为隔振弹性元件,其内、外直径和高度分别为40、100和45mm,垂直刚度kz=18486.6N/cm。隔振效率ηc=kz/(mω2)×100%=24.65%式中m——振动质量,m=m′z=120kgω——振动频率,ω=25Hz显然该设计符合1%～25%的隔振效率要求。6总体控制过程加料流量和定量精度是由定量加料控制来保证的,其技术核心是称量检测、信号分析和机电控制的有机结合。由于称量是在振动动态过程中进行的,信号分析的精确度是关键。总体控制过程可表达为:(1)振动筛至加料位后,开启振动料斗落料闸门;(2)得到振动料斗落料闸门气缸到位信号后,启动振动筛电机和振动料斗电机;(3)由