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              斗式提升機料斗避免粘料設計方法

              0 引言

              斗式提升機卸料狀況的好壞直接影響提升機的工作效率,卸料不良會使物料回流,不但降低提升機的產量,而且造成了動力浪費。盡管目前提升機的卸料已形成一整套理論和方法,但是對于物料勤性對料斗結構尺寸的限制沒能給出具體的確定方法,設計時僅憑經驗,導致在使用過程中很容易在料斗底部產生積料現象。本文結合文獻給出的瀝青混凝土廠拌熱再生方案中斗式提升機的設計,給出使料斗底部砧性積料在卸料過程中能自動脫離料斗的料斗底部圓弧尺寸的確定方法。

              1 卸料基礎理論

              圖1為提升料斗中乳性物料的受力簡圖,當料斗和牽引機構一起開始繞驅動滾筒作旋轉運動時,料斗中的物料顆粒受到的重力Fm和慣性離心力Fr的合力Fmr,其大小與方向都隨著料斗的回轉位置不同而不斷變化,但不同位置的合力Fmr的向量延長線與驅動滾筒的垂直中心線都會相交于一點P,該點稱為極點,極點到驅動滾筒軸心O的距離h稱為極距。

              h=895/n2 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (1)

              式中:n—驅動滾筒的轉速((r/min)。

              由式(1)可知,極距僅取決于驅動滾筒的轉速,而與料斗的位置以及驅動滾筒的大小無關,極點位置不同具有不同的卸料方式。

              2 料斗底部圓弧半徑r算法

              當料斗圍繞驅動滾筒中心O以轉速ω按圖1中所示方向轉動時,料斗轉到適當的相位φ時,斗內提升的物料將從料斗內卸出。但是由于被提升物料具有一定的勃性,物料與料斗壁之間的黏結力會使底部圓弧半徑r過小的料斗底部出現黏性積料,如圖1中陰影部分所示。黏性積料的多少受物料的乳性大小、料斗底部圓弧半徑:的大小、驅動滾筒的轉速n及尺寸等因素的影響。在料斗設計中,需要根據提升的特定物料的勃性,在驅動滾筒轉速及尺寸確定的情況下,確定使料斗不存在黏性積料的最小料斗底部圓弧半徑。

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              圖1 黏性積料的受力

              確定最小圓弧半徑r的思路:為了分析方便,忽略料斗端部對黏結力的影響,這樣涉及到的各種力都為薪結積料單位長度所受的力。黏性積料的重力與慣性離心力的合力Fmr及黏結力Fμ隨料斗轉動過程中所處的相位φ不同而變化。為使恥結產生的積料脫落,應滿足當Fmr與Fμ方向夾角最小時,Fmr在Fμ反方向上的投影大于黏結力Fμ

              2.1 貼結積料與料斗分離的幾何條件

              黏結料的黏結力Fμ與Fmr的夾角ψ隨著驅動滾筒的轉動而變化,黏性積料完全脫離料斗發生在(ψ-π)最小時。當根據目前提升機的設計方法確定滾筒半徑、轉速和料斗幾何尺寸后,黏結料的黏結力Fμ與Fmr的夾角是黏性積料圓弧的半徑r和料斗轉動過程中所處的相位φ的函數,為突顯變量間的關系,記ψ為φ(r,φ)   

              這樣下式所示的目標函數限定了(r , φ)的取值范圍

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              式中:r------使[ψ(r,φ)-π]達到最小值的r;       

              φ------使[ψ(r,φ)-π]達到最小值的φ   

              ?(r,φ}向結積料完全脫離料斗時的(ψ-π)的最小值。

              2.2 黏性積料與料斗分離的力學條件

              本文旨在確定使黏性積料能夠自動脫離料斗的最小料斗底部圓弧半徑:的方法,因此分析中忽略料斗端部黏結力的影響。

              為使私結積料自動脫離料斗底部,重力Fm和慣性離心力Fr在黏結力Fu反方向上的投影應大于黏結力F。即:Fu,Fr,Fm在凡方向的合力Fun隨著驅動滾筒的轉動而變化,黏性積料完全脫離的臨界條件為Fun=0。當根據目前提升機的設計方法川確定滾筒半徑、轉速和料斗幾何尺寸后,Fun是黏性積料圓弧的半徑r和料斗轉動過程中所處的相位φ的函數,為突顯變量間的關系記Fun為Fun( r,φ)。因此,黏性積料與料斗分離的力學臨界條件為

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              3 料斗底部回弧半徑r的計算

              在料斗設計選擇中,一旦根據目前提升機設計方法設計出驅動滾筒參數和料斗的幾何尺寸后,就可以根據上文所述的限定條件,利用非線性優化算法計算出使黏性積料自動脫離料斗底部的最小圓弧半徑

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              具體計算時,由于該問題為二維強約束的非線性優化,各種非線性優化算法對初值非常敏感且容易陷入局部最小而搜索不到保證全局最小的((r,列。這樣為工程應用帶來不便,所幸該問題的特殊性為工程應用提供了如下簡便可靠的方法。

              在大規模公路瀝青混凝土熱再生過程中,需要利用斗式提升機來提升這一私性混合料,如料斗設計不當將產生嚴重的積料現象。給出的目前斗式提升機的設計方法,確定驅動滾筒半徑R1=0.3 m,提升速度為1.0 m/s(驅動滾筒轉速n=32 r/min);瀝青混合料密度ρ=1 800 kg/m3,單位面積的黏結力μ=152 N/m2;料斗幾何尺寸L=0.16 m,β=45°。

              [ψ(r. φ)--π]在r∈ (0.01, 0.10) , φ∈(π/2 , π)區域上變化的等高線如圖2所示。由等高線可看出min[ψ(r, φ)-π]出現在φ=2.72 rad時,且垂直于橫軸。這說明在上述設計參數確定的情況下,Fmr與Fu反方向夾角最小(即黏性積料可能發生自動分離)時,料斗所處的相位角甲不受料斗底部圓弧半徑r大小的影響,因此可任意選定一r值,根據而min[ψ(r. φ)--π]確定φ的值。

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              圖2 [ψ(r. φ)--π]

               在φ確定后,根據Fun(r, φ)=0確定最小的r值。確定φ=2.72 ( rad )后,Fun(r, φ)隨半徑二的變化如圖3所示,隨著料斗底部圓弧半徑r的增加,Fun(r, φ)>0直至曲線與Fun(r, φ)=0的交點a所對應的r=0.032 m,這時料斗底部存在黏性積料;在a點以后Fun(r, φ)<0,即黏性積料會自動脫離料斗底部。r=0.032 m為保證黏性積料會自動脫離料斗的圓弧最小值。大于該值的任何值都不出現黏性積料,但增大r值將減小料斗的容積。

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              圖3 Fun(r, φ)隨圓弧半徑r變化曲線

              4 結語

              利用斗式提升機提升貂性物料時,如設計不當料斗將產生嚴重的積料現象,而目前僅能根據經驗進行設計或選用料斗。為避免料斗黏性積料現象的發生,設計過程中應保證驅動滾筒的轉速n、半徑R1,料斗的幾何尺寸L,β,r以及被提升物料的密度戶、黏結力μ滿足確定的關系。本文給出了描述這一關系的函數式(4);在現有的斗式提升設計方法的基礎上,給出了不產生黏性積料的料斗設計方法,以及針對設計中確定黏性積料會自動脫離料斗的最小圓弧半徑r的工程方法。

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