氣力輸送系統(tǒng)彎管部分沖蝕磨損計算探討

■劉 峰 孫春一

（遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001）

在大、中型飼料加工廠，原料接收系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)、膨化系統(tǒng)和混料系統(tǒng)等開始采用氣力輸送[1]，氣力輸送系統(tǒng)中，輸料管是用來輸送物料和空氣的管道，由直管和彎管所組成，顆粒狀物料在輸料管中進行輸送時，物料與輸送管內壁不可避免地要相互摩擦和碰撞，而造成管內壁的磨損。物料在直管段內的磨損很輕，易磨損部位主要發(fā)生在管道轉彎外側內壁的彎管部分，一般彎管部分的磨損約等于直管部分磨損的10倍到100多倍，所以彎管磨損是飼料加工廠氣力輸送系統(tǒng)中最常見的一個急需解決的問題。

1 彎管磨損分析和沖蝕磨損模型

1.1 彎管磨損分析

物料顆粒通過彎管時，從運動形式來看，既有滾動又有滑動，同時物料顆粒之間還發(fā)生碰撞。從受力分析來看，物料顆粒在彎管內受到重力、氣流的推力、管壁的摩擦力、撞擊管壁產(chǎn)生的反作用力，以及改變物料顆粒運動方向的離心力作用[2-3]。其中離心力的作用使其運動方向改變，使物料高速撞向彎管外側的內壁，其中一部分物料沿彎管內壁表面做滑動運動，而另一部分物料與彎管內壁碰撞后反彈回來，又撞擊彎管內側內壁，然后再反彈撞擊彎管外側內壁，經(jīng)反復沖撞前移通過彎管，使彎管表面連續(xù)不斷地承受物料顆粒的沖擊，首先彎管的外側內壁局部產(chǎn)生刮痕，然后在原處向深度方向擴展磨損，而且進一步磨成凹坑，最后磨穿該處造成沖蝕磨損。

1.2 沖蝕磨損模型

國內外的研究者們通過實驗和理論分析提出了一些沖蝕磨損模型，這些模型從不同的角度力圖闡釋或預測材料的沖蝕行為，但到目前為止還沒有哪一種能夠完整、全面地揭示材料沖蝕的內在機理。其中的微切削模型認為具有一定質量的多角形磨粒如同微型刀具，以一定的沖擊速度和低沖擊角(沖擊方向與被沖擊材料表面之間的夾角)切削塑性材料表面，把材料切除而產(chǎn)生磨損。因此對于管道沖蝕磨損可以采用微切削模型[4]來解釋，并且推導沖蝕磨損計算模型。

2 沖蝕磨損計算模型的推導

物料經(jīng)氣流攜帶進入管道連續(xù)沖擊時，彎管在單位長度單位時間內的質量損失量定義為彎管沖蝕磨損量。

式中：W——彎管沖蝕磨損量[g/(mm·s)]；

WV——單顆物料顆粒沖擊彎管時單位時間內的沖蝕磨損體積（mm3/s）；

m——單顆物料顆粒的質量（g）；

M——單位長度內流過彎管的物料顆?？傎|量（g/mm）；

ρz——彎管材料密度（g/mm3）。

2.1 單顆物料顆粒沖蝕磨損體積

單顆物料顆粒沖擊時的沖蝕磨損體積：

式中：c——有效沖擊顆粒比例，由于本文只考慮有效撞擊顆粒的磨損效應，所以c=1；

ψ——顆粒切削塑性材料表面時切削長度與深度比，近似取為1；

K——顆粒沖擊應力的垂直和水平分量比，K=2；

v——物料沖擊速度度（m/s）；

n——系數(shù)，大小取決于材料；

α——沖擊角度（°）；

p——塑性流變應力，常溫下彎管的塑性流變應力等于材料屈服強度σs。

2.2 物料顆粒的總質量

單位長度內流過彎管的物料顆粒的總質量：

式中：D——彎管內徑（mm）；

ρm——物料密度（g/mm3）。

2.3 氣流速度[5]

物料沖擊速度v與氣流速度v保持一致。常用物料的氣流速度見標準或規(guī)范。

氣流速度在無實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)可做依據(jù)時，可按下面經(jīng)驗公式估算：

式中：v——氣流速度（m/s）；

α1——輸送物料的粒度系數(shù)；

ρm——物料密度（kg/m3）；

β ——輸送物料的特性系數(shù)，β =(2～5)×10-5，對于干燥的灰狀物料取小值；

L——輸送管當量長度（m）。當L<100 m時可忽略不計。

k1=1.1～1.5；k2=1.3～2；n為彎管數(shù)。

L平為水平輸料管長度（m）；L斜為傾斜輸料管長度（m）；L垂為垂直輸料管長度（m）；R彎為彎管的當量長度（m）。

α1、R彎和常用物料氣流速度取值參考陳志希等（2001）[5]。

3 示例和討論

彎管磨損試驗[6]表明，磨損的部位通常發(fā)生在彎曲角 22°(入口的管內壁外側)，45°(管內壁內側)和75°～85°(出口的管內壁外側)。一般把物料顆粒在彎頭處的流動簡化為直線，顆粒最先碰撞的管壁受到的磨損最大，所以計算和分析彎頭入口22.5°處的磨損。

3.1 示例

飼料加工廠原料車間氣力輸送系統(tǒng)輸送玉米，玉米密度 ρm=1.295×10-3g/mm3，采用90°彎管，用20#鋼的無縫鋼管按要求彎制而成，彎管內徑D=100 mm，彎管材料密 ρz=7.85×10-3g/mm3，塑性流變應力 p=σs=225 MPa=22 500 g/mm2,玉米對彎頭的沖擊角度α=30°時磨損最為嚴重，將α代入式(3)

n=1.268[7]，式（2）和（4）代入式（1）得彎管沖蝕磨損量。

3.2 討論

①氣流速度，按陳志希等[5]，輸送玉米時的氣流速度ν=(18～30)m/s，計算了沖蝕磨損量W。氣流速度高，物料的動能大，不易下沉，不易堵管，但是氣流速度高時，物料顆粒與彎管內壁的撞擊能量就越大，管壁的沖蝕磨損量就越嚴重。所以從磨損角度看，能確保被輸送物料在所有輸送管段內暢通無阻的前提下，氣流速度取小一些為好。

②沖擊角度，彎管沖擊磨損的程度與物料顆粒的沖擊角度α有關，彎管多為塑性材料，沖擊角度在20°～30°時物料對管壁產(chǎn)生的磨損量大于75°～90°時產(chǎn)生的磨損量，沖擊角度約在30°時磨損量最大。合理地設計彎管的結構對減少磨損有重大作用。

③彎管直徑，單位長度內彎頭管壁面積和彎頭容積的比值即面容比為2/R，其中R是彎頭的半徑?？梢钥闯觯笾睆綇濐^的面容比小于小直徑彎頭的面容比，當輸送同樣氣流速度，大直徑彎頭暴露的內壁面積相對小，磨損小，而且大直徑彎管，輸送物料容易在管內懸浮，管道阻塞的可能性就小，基于這2個原因，在相同的r/D值時，選取大直徑彎管為好。

④在輸送過程中物料顆粒持續(xù)沖擊彎管內壁面，物料密度 ρm(質量)和氣流速度越大時，物料顆粒的能量越大，與管壁之間產(chǎn)生的接觸應力越高,使管壁金屬組織產(chǎn)生局部疲勞或裂紋而脫落，造成磨損就越大。

⑤彎管材料密度和塑性流變應力。彎管材料為鋼材，密度 ρz變化不大，只考慮塑性流變應力p。鋼材不同，塑性流變應力變化，計算的沖蝕磨損量也不同。

4 結語

彎管沖蝕磨損機理可以采用微切削模型來解釋，并且以這個模型為基礎推導彎管沖蝕磨損量計算模型，進行磨損計算或預測。①這種計算方法比較簡便，可為進一步研究彎管耐磨損設計提供依據(jù)。②影響彎管沖蝕磨損的因素很多，這里主要討論了氣流速度、沖擊角度、彎管直徑、金屬材料和物料的性能等對磨損的影響，沒有考慮物料的硬度、濃度、粒度等性能對磨損的影響，物料硬度、濃度增加，磨損加劇，物料顆粒粒徑越大，磨損加劇，因此考慮這些因素，繼續(xù)完善彎管沖蝕磨損計算，為進一步研究彎管耐磨損設計提供依據(jù)。