0 引言 在一些特殊行業(yè)中,為了生產(chǎn)需要將會(huì)使用風(fēng)機(jī)原理,采用類似風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu),比如將要研究的灌裝粉末狀固體顆粒物體的過(guò)程。從能量觀點(diǎn)上講,它們并不像風(fēng)機(jī)一樣把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的勢(shì)能和動(dòng)能。但是又離不開(kāi)流體的作用,如果沒(méi)有流體混入,將可能導(dǎo)致無(wú)法讓物質(zhì)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)地點(diǎn),比如水泥灌入水泥包裝袋的過(guò)程。為了更加形象,用水泥顆粒作代表來(lái)研究同類物質(zhì)的工作狀況。 這種很細(xì)的粉末狀顆粒,一般來(lái)說(shuō)可以用固體輸送機(jī)械,也可以用氣體輸送機(jī)械來(lái)輸送它,這要根據(jù)具體的輸送環(huán)境、輸送條件和輸送需要來(lái)選擇。但是在灌裝過(guò)程,因?yàn)樗奶厥庑?,以及工作條件的限制(小環(huán)境、密閉式、高速水平灌裝),實(shí)際生產(chǎn)中既不可以單一的用氣體工作原理,又不可以簡(jiǎn)單的用固體工作原理來(lái)設(shè)計(jì)設(shè)備灌裝。小環(huán)境是為了減少工作面積,密閉是為了減少揚(yáng)塵、改善工作條件、提高環(huán)境質(zhì)量、提率,高速是為了滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要,實(shí)現(xiàn)率、低成本、大生產(chǎn)。在現(xiàn)代社會(huì)效率是企業(yè)生存的根本,低效企業(yè)的zui終命運(yùn)就是被淘汰出市場(chǎng)。所以無(wú)論是使用還是設(shè)計(jì)都很有必要進(jìn)行深層次的研究。 1 氣體與固體輸送的不同 固體顆粒與氣體混合到一定比例,使顆粒所占的比例足夠小,就可以使用氣體輸送原理來(lái)輸送它,比如除塵風(fēng)機(jī)?;蛘呤箽怏w壓力足夠大,也可以使用氣體輸送原理來(lái)輸送它,比如噴射泵。 因?yàn)樗囝w粒單個(gè)體積很小、質(zhì)量不大,很容易被氣體托起,所以如果把水泥顆粒以較小的比例混合在氣體里,就可以運(yùn)用這兩種物體作介質(zhì),輸送這種固體顆粒。 但是存在在有限的空間(水泥編織袋)里迅速把它們分離,使其在很短的時(shí)間內(nèi)灌入一定的質(zhì)量(比如 10s 內(nèi)灌入 50kg )的問(wèn)題。因?yàn)樗鼈兓旌狭軓?qiáng),氣體在運(yùn)送中占的比例太大。用這樣的方式會(huì)在袋子里充入太多的氣體,而固體顆粒進(jìn)入量卻太少,袋子在承受著太大的壓力下,將容易破損,導(dǎo)致灌裝失敗。所以這種方式是不可取的。 然后再研究如果把水泥顆粒簡(jiǎn)單的看作固體物質(zhì)作用會(huì)是什么情況:固體分子、顆粒之間的摩擦力、粘滯力是很大的,靜止時(shí)它們會(huì)緊固在一起;運(yùn)動(dòng)時(shí),速度越大,顆粒之間的作用力越大,力的損失越大。雖然水泥在被粉磨之后已經(jīng)是很小的顆粒,相比而言單個(gè)個(gè)體間的接觸面積較小,但有無(wú)數(shù)個(gè)個(gè)體,各個(gè)個(gè)體之間的作用力加起來(lái)就很大了。 它們的重力都足以使顆粒間的自然空氣慢慢排出,使個(gè)體之間的接觸面積zui大化。給它們的壓力越大,空氣排出得越*,它們就粘得越緊,對(duì)力的損耗就越大。所以如果單純的把水泥顆粒當(dāng)固體來(lái)研究,在它們離開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)械后,這無(wú)數(shù)個(gè)顆粒之間的作用力很快損耗了它所得到的動(dòng)能。加上空氣阻力的作用,這些顆粒馬上就偏離了正常的所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡。 如果是在敞開(kāi)的環(huán)境中,這些單個(gè)顆粒的質(zhì)量太小,會(huì)飄在空氣里一段時(shí)間,既污染環(huán)境又降低工作效率。為了避免出現(xiàn)這樣的情況,使它們zui快地到達(dá)水泥袋里,還應(yīng)該讓它們?cè)谝粋€(gè)密封的環(huán)境里面運(yùn)動(dòng)。 以上是從原理上研究所得出的理論結(jié)果:不能把這些顆粒運(yùn)動(dòng)用一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),必須采用氣體和固體運(yùn)動(dòng)合成的方式。在實(shí)際使用中,如果只從一個(gè)方面研究問(wèn)題,用單一的方法處理問(wèn)題,就會(huì)導(dǎo)致在灌裝中質(zhì)量灌不夠、灌得慢、設(shè)備損耗快、效率低、環(huán)境差、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、袋子破損大等各種各樣的情況出現(xiàn)。 2 固體灌裝的理論實(shí)現(xiàn) 為了達(dá)到、高速、環(huán)保、低成本、低磨損、低破損、準(zhǔn)確穩(wěn)定的質(zhì)量,就要把各種條件都考慮進(jìn)去,引入氣體作介質(zhì),使其既具有固體運(yùn)動(dòng)的特性,又具有氣體運(yùn)動(dòng)的特性,這就是風(fēng)機(jī)原理在顆粒狀物體灌裝中的應(yīng)用。 從上面的分析已經(jīng)知道,無(wú)論是把這些顆粒當(dāng)流體還是把它們當(dāng)固體來(lái)灌裝在生產(chǎn)中都存在明顯的困難,不能滿足生產(chǎn)條件和生產(chǎn)要求的需要。所以應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆椒?,減小顆粒之間的作用力,在得到動(dòng)能后保持慣性運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求,就需要引入一定壓強(qiáng)的高壓空氣使其迅速與顆?;旌希瑴p小顆粒間的接觸面積,降低顆粒間的相互作用力。 同時(shí)為了在進(jìn)入水泥包裝袋后能夠迅速把氣體和固體分離,排出氣體,使袋子用zui大的空間容納顆粒,保證在有限的空間、有限的時(shí)間內(nèi)灌夠需要灌入的質(zhì)量,還要求水泥編織袋在保證強(qiáng)度和不使水泥顆粒漏出的情況下具備zui大的透氣性,以及在保證灌裝能力的情況下zui小的入氣量。 在引入高壓空氣后,就可以引用風(fēng)機(jī)的一些原理來(lái)分析水泥顆粒的工作狀況,采用風(fēng)機(jī)的一些外形結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到灌裝水泥顆粒這種固體顆粒的目的。 從以上的分析研究可以總結(jié)出,把這些小顆粒在有限的空間、有限的時(shí)間內(nèi)把一定質(zhì)量的水泥裝入水泥袋的工作條件:混入適度的高壓空氣、在密封的環(huán)境里、依靠驅(qū)動(dòng)機(jī)械使顆粒離開(kāi)機(jī)械后保持運(yùn)動(dòng)。 3 外部結(jié)構(gòu)研究 現(xiàn)在圍繞這 3 個(gè)要求進(jìn)行研究,以得到良好的灌裝效果?;烊敫邏嚎諝馐莦ui容易實(shí)現(xiàn)的,只需要用氣管把高壓空氣在灌料時(shí)送入料倉(cāng)底部,就可以實(shí)現(xiàn)快速混合氣體。 為了讓水泥顆粒不飄揚(yáng)到空中污染環(huán)境、提高灌裝效率,要讓它從進(jìn)入料倉(cāng)到到zui后袋子封口都不能外瀉。采用風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu),在進(jìn)入料倉(cāng)和出料倉(cāng)這個(gè)過(guò)程保證密封,只需要保證進(jìn)入口和出口,其它地方全部密閉。用一個(gè)出料嘴作為過(guò)渡裝置,通過(guò)袋子*的通口插入袋子內(nèi)部,推袋時(shí)自動(dòng)退出,依靠袋的內(nèi)壓作用使通口自動(dòng)回封,堵住通口。 考慮到結(jié)構(gòu)和空間的需要,更好的利用自壓,采用頂部進(jìn)料,下側(cè)出料的進(jìn)出料方式,見(jiàn)圖 1 。 4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究 研究重點(diǎn)放在如何使驅(qū)動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)顆粒,在離開(kāi)機(jī)械后讓顆粒保持*的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度上。 為了滿足空間和連續(xù)性的需要,采用風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料運(yùn)動(dòng),脫離葉片后在慣性的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的方式,讓顆粒離開(kāi)料倉(cāng)進(jìn)入袋子。這在結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式上類似于風(fēng)機(jī),但是顆粒運(yùn)動(dòng)原理卻不同于風(fēng)機(jī)里氣體的運(yùn)動(dòng)原理,能量轉(zhuǎn)換也不相同。 由于兩種物體混合在一起,混合比例在不斷變化之中,物質(zhì)運(yùn)動(dòng)混亂復(fù)雜,各項(xiàng)指標(biāo)都不穩(wěn)定,所以風(fēng)機(jī)的流量、壓力、功率和效率等指標(biāo)和計(jì)算公式都不能在這里使用,這也是這個(gè)領(lǐng)域研究比較困難的原因。在這里只是作原理上的研究,不作具體的公式和數(shù)字分析。 |
現(xiàn)在參考離心通風(fēng)機(jī)的工作原理來(lái)作研究,以得出葉片的實(shí)際的結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)的葉片有前向、后向、徑向 3 種,用 βb2 角表示。 離心通風(fēng)機(jī)在不同 βb2 下的出口速度圖。 βb2 角對(duì)風(fēng)機(jī)的壓力、功率和效率有很大的影響。從葉片形狀看后向型流道較平滑,流動(dòng)時(shí)阻力損失??;前向型流道不好,阻力損失大。從速度圖看,后向型 c2 uzui小,反作用度值z(mì)ui大,故后向葉輪的效率高,前向葉輪的效率低。 當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量增大時(shí),前向風(fēng)機(jī)的功率急劇增大,后向風(fēng)機(jī)增加緩慢。所以前向風(fēng)機(jī)易負(fù)荷而燒壞電機(jī) 。 這兩種情況在研究的對(duì)象上也是基本一致的:當(dāng)出料口阻塞或者顆?;亓鞯裙腆w的比例密度增大時(shí),前向風(fēng)機(jī)功率增大極快,傳動(dòng)帶很快磨損燒壞,電機(jī)經(jīng)常被燒毀。由于開(kāi)始的時(shí)候研究不到位,這個(gè)問(wèn)題頻繁的出現(xiàn)在實(shí)際工作中。 風(fēng)機(jī)是靠吸入空氣,改變壓力來(lái)工作的。但是在這里自然空氣很難進(jìn)入料倉(cāng),葉片高速運(yùn)動(dòng)不能形成風(fēng)機(jī)工作所產(chǎn)生的空氣壓力,顆粒得到動(dòng)能后做慣性運(yùn)動(dòng)。 如何才能使這些顆粒在離開(kāi)葉片后減小相互間的碰撞摩擦、損耗能量,以zui簡(jiǎn)單、*的運(yùn)動(dòng)軌跡離開(kāi)葉輪倉(cāng),進(jìn)入袋子,這在引入高壓空氣后還要求葉片有*的形狀和角度:葉片形狀要簡(jiǎn)單(越簡(jiǎn)單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡越單一,相互間碰撞的可能性越小。這和氣體或者液體靠相互間壓力的作用運(yùn)動(dòng)有根本性的不同,結(jié)構(gòu)要求和風(fēng)機(jī)也就剛好相反)。為使各個(gè)顆粒受力、運(yùn)動(dòng)軌跡基本平行,相互間接觸的可能性較小,相互間作用力也就較小,更好地排出料,葉片成直板狀效果*,葉面能和出口垂直切面平行。 由于出料口不能太大,且圓形出口效率zui高,所以要求葉片尺寸形狀和料嘴出口(料嘴直徑看實(shí)際要求決定)基本一致,才能保證能量得到有效利用,提率。如果葉片大于出口,容易造成回料;如果小于出口,容易導(dǎo)致出料管空出,均會(huì)降低效率。 根據(jù)以上分析,得出實(shí)際結(jié)構(gòu)圖,見(jiàn)圖 1 。 |
|
上端是料的入口,左下側(cè)的圓形管是料的出口,葉片平均分布在圓的周圍,與出口垂直切面平行(圖中葉片用一片代表)。 5 效率分析 現(xiàn)在分析葉片與出口垂直切面平行時(shí)的出口速度和顆粒在出料管中的運(yùn)動(dòng)路線,見(jiàn)圖 2 。 |
|
這是后向型葉片的顆粒出口速度圖,可以看出 c2 幾乎與出口中心線平行,假設(shè)在運(yùn)動(dòng)中能保持理想狀況沒(méi)有重力和空氣阻力的作用,那么就將保持這個(gè)速度到終點(diǎn)。顆粒就不會(huì)跑到管壁上,然后再反彈回來(lái),與正常運(yùn)動(dòng)顆粒的沖撞,損耗能量。 徑向型的 c2 方向和后向型的 u2 差不多,有大量料跑到管壁上,有部分回料;前向型的 c2 方向更偏向圓切面,大量的料跑到管壁上,大量的料回流,這些回料向上沖,干擾了上部的入料,而進(jìn)入管道的料很少。 從上面的對(duì)比很顯然地看出:后向型回料zui少,料的運(yùn)動(dòng)軌跡,能量損失zui少,灌裝速度zui快,效率zui高;前向型回料zui多,料的運(yùn)動(dòng)軌跡zui差,能量損失zui大,灌裝速度zui慢,效率zui低;徑向型介于兩者之間。這是在理想狀態(tài)(沒(méi)有重力、沒(méi)有空氣阻力、顆粒間存在一定的距離)下所得到的結(jié)果,可以作為實(shí)際選擇的參考。 流量與葉輪直徑、葉輪圓周速度以及葉輪寬度成正比,具體按實(shí)際需要來(lái)確定。 6 結(jié)論 從以上的研究可以看到在顆粒狀物體的灌裝研究中,可以參照風(fēng)機(jī)的一些結(jié)構(gòu)和工作原理,利用它們的共性,區(qū)別它們的差異性,zui終得出正確有用的結(jié)果,成功地設(shè)計(jì)出*結(jié)構(gòu)。 氣體壓力的引入和葉片形狀方向的選擇是構(gòu)成的關(guān)鍵,直接決定了灌入能力和效率。引入可調(diào)整的高壓氣體,采用后向型葉片可保證良好的灌入效果和效率,減少電機(jī)燒毀,降低能耗。 |