粉狀?；酚?jì)量系統(tǒng)的加料方式

范蘭蘭，張國(guó)全，王立宗，祖逸倫，趙險(xiǎn)峰

粉狀?；酚?jì)量系統(tǒng)的加料方式

范蘭蘭1，張國(guó)全1，王立宗2，祖逸倫1，趙險(xiǎn)峰1

（1.武漢輕工大學(xué)，武漢 430048；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢 430070）

以粉狀?；酚?jì)量系統(tǒng)中的加料方式為研究對(duì)象，研究一種流動(dòng)性差的危化品物料的加料方式。從安全性角度分析現(xiàn)有強(qiáng)制性螺旋加料和振動(dòng)加料不適合粉狀?；芳恿系脑?；根據(jù)慢加料原理，提出激勵(lì)加料方式，構(gòu)建其工作原理和結(jié)構(gòu)，并通過(guò)控制振動(dòng)源啟停和振動(dòng)頻率，以及加料門(mén)的開(kāi)合角度來(lái)實(shí)現(xiàn)快慢均勻加料；采用離散元仿真軟件對(duì)慢加料過(guò)程進(jìn)行仿真，分析物料連續(xù)均勻下落所需的振動(dòng)力，得到加料流量與振動(dòng)頻率、振幅和出料口尺寸的關(guān)系。激勵(lì)加料方式適合于粉狀?；芳恿希軡M足其加料要求。基于上述結(jié)論，設(shè)計(jì)和制造了加料設(shè)備，試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置完全滿足計(jì)量系統(tǒng)中快慢加料的要求，對(duì)同類(lèi)型的物料加料具有一定的指導(dǎo)意義。

粉狀?；罚挥?jì)量系統(tǒng)；激勵(lì)加料；離散元仿真

近年來(lái)，粉狀危化品的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)其自動(dòng)包裝技術(shù)的需求也日益迫切。我國(guó)自20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)了一批粉狀物料定量填充機(jī)以來(lái)，目前已能自主研發(fā)多種物料的包裝設(shè)備，且具有較高的包裝速度和包裝精度[1]。由于粉狀?；肪哂幸字贫?、易燃、易爆、易腐蝕等危害特性[2]，因此對(duì)人體、設(shè)備及環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生危害。由于此類(lèi)物料的生產(chǎn)企業(yè)大部分依然采用人工方式來(lái)完成物料的包裝操作，因此機(jī)械自動(dòng)化程度低，并且存在嚴(yán)重的安全隱患。

文中的研究對(duì)象為某種粉狀?；肺锪?，它是一種摩擦因數(shù)大、爆速快的?；?。目前，在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的包裝技術(shù)和包裝理念的基礎(chǔ)上，我國(guó)民用爆破器材行業(yè)的工業(yè)炸藥包裝領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)炸藥的全自動(dòng)包裝生產(chǎn)，以及在線無(wú)人操作。例如，廣東振聲包裝技術(shù)有限公司研發(fā)的MRZ?011型自動(dòng)包裝生產(chǎn)線[3]，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)乳化炸藥的全自動(dòng)化包裝。目前，針對(duì)粉狀危化品包裝的研究仍未取得較大進(jìn)展，主要表現(xiàn)：針對(duì)粉狀危化品計(jì)量中的本安型供料方式缺乏深入研究；新技術(shù)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步提高，我國(guó)包裝機(jī)械行業(yè)大多沿用傳統(tǒng)的包裝工藝和包裝技術(shù)，對(duì)高新技術(shù)缺乏全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)[4]。

隨著國(guó)家大力發(fā)展智能化制造，設(shè)備自動(dòng)化的普及率越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)對(duì)粉狀?；返纳a(chǎn)自動(dòng)化需求也越來(lái)越迫切。在此背景下，筆者項(xiàng)目組針對(duì)粉狀?；酚?jì)量系統(tǒng)中的核心技術(shù)——加料方式進(jìn)行研究，提出流動(dòng)性差的粉狀危化品激勵(lì)加料方法，擬對(duì)?；返陌踩?jì)量設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供一定的技術(shù)借鑒。

1 常見(jiàn)加料裝置的工作原理

常見(jiàn)物料計(jì)量的加料裝置被固定在用戶現(xiàn)場(chǎng)料倉(cāng)下方，其加料過(guò)程主要分為快進(jìn)料和慢進(jìn)料2個(gè)階段，工藝流程如圖1所示。

如圖1所示，在開(kāi)始加料前，系統(tǒng)需檢測(cè)料倉(cāng)中有無(wú)所需的物料量（一般不少于5包的包裝量），以及計(jì)量斗門(mén)和加料門(mén)是否皆已關(guān)閉。若計(jì)量斗門(mén)和加料門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)，則等待，直至2門(mén)均關(guān)閉后才開(kāi)始加料動(dòng)作。首先將快加料門(mén)打開(kāi)，當(dāng)加料量達(dá)到設(shè)定值1時(shí)，快加料門(mén)關(guān)閉。同時(shí)開(kāi)啟慢加料，直至慢加料到設(shè)定值2時(shí)慢加料結(jié)束，表明計(jì)量加料過(guò)程結(jié)束。

通過(guò)上述加料過(guò)程可以看出，若要保證加料速度和計(jì)量精度，則加量裝置在加料時(shí)的加料量需可控，且加料均勻。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，加料均勻度誤差不得大于5%。

2 加料方式

2.1 現(xiàn)有加料方式分析

這里研究的物料為粉狀危化品，粒度較小，平均粒徑小于0.2 mm。物料在物料顆粒之間的黏附力、摩擦力等作用下容易凝結(jié)成團(tuán)，造成物料的流動(dòng)性較差、易吸潮，在料倉(cāng)中極易形成“結(jié)拱”現(xiàn)象[5]。由于危化品物料對(duì)沖擊和靜電等的敏感度較高、爆速快，在加料過(guò)程中應(yīng)著重考慮這些因素。

在計(jì)量充填系統(tǒng)中，常見(jiàn)物料的加料方式主要有重力自流式和強(qiáng)制式2種[2]。其中，重力自流式加料依靠物料自身重力，通過(guò)加料裝置引導(dǎo)物料自由落入計(jì)量斗中。對(duì)于流動(dòng)性好的物料一般采用重力自流式加料方式。強(qiáng)制性加料方式分為螺旋推送式和電磁振動(dòng)式2種，適用于流動(dòng)性差、易吸潮、易結(jié)拱的物料。螺旋式加料[6-7]通過(guò)埋在物料內(nèi)的螺旋軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生軸向推力，將螺旋葉片內(nèi)的物料強(qiáng)制推入計(jì)量斗內(nèi)，其間易產(chǎn)生摩擦。由于螺旋葉片與螺旋殼體存在間隙（2～4 mm），其內(nèi)物料不易被清理，所以此方式不適用于粉狀危化品的計(jì)量供料。電磁振動(dòng)式供料[8]通過(guò)振動(dòng)將其上托盤(pán)內(nèi)的物料向前拋送。若粉狀物料采用電磁振動(dòng)式充填加料，則易引起粉塵飛揚(yáng)，所以該方式僅適合于易碎、具有少粉塵含量的物料。

綜上所述，根據(jù)加料原理和粉狀危化品的物料特性，可以得出此物料加料方式不適合采用如上重力自流式和強(qiáng)制性加料方式，需要研究一種全新的加料方法來(lái)實(shí)現(xiàn)粉狀危化品的自動(dòng)計(jì)量充填。

圖1 加料工藝流程

2.2 加料方式保證措施

為了滿足粉狀?；返募恿弦螅浼恿戏绞叫铦M足以下3個(gè)條件。

1）不易結(jié)拱。指能保證物料在料倉(cāng)和供料裝置內(nèi)不易形成拱形。

2）快慢加料柔性切換。指加料方式具有快慢加料功能，對(duì)計(jì)量斗的沖擊小。

3）自流性好。指物料在慢加料過(guò)程中能均勻下落。

下面就從這3個(gè)方面來(lái)說(shuō)明加料方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 加料方式滿足條件

2.3.1 破拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)中，導(dǎo)致物料可能結(jié)拱的區(qū)域主要有料倉(cāng)、加料斗等部位，為此，從料倉(cāng)和加料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，分析消除物料流動(dòng)性不暢的方法，并采取相應(yīng)措施。

2.3.2 料倉(cāng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

影響物料結(jié)拱的因素主要有料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形狀、物料的物理特性及存儲(chǔ)時(shí)間。物料的物理特性包括顆粒大小、顆粒形狀、顆粒間的摩擦角、顆粒與料倉(cāng)壁的摩擦角及壓實(shí)程度等。

基于上述影響因素，在料倉(cāng)內(nèi)存放流動(dòng)性不好的粉狀物料時(shí)，將料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)式。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，粉狀物料在料倉(cāng)出料口區(qū)域易形成拱形結(jié)構(gòu)[5]，從而出現(xiàn)粉狀物料在加料過(guò)程中難以順暢勻速排出的現(xiàn)象。此結(jié)拱形式如圖2所示。

圖2 物料在料倉(cāng)內(nèi)結(jié)拱

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者先后對(duì)結(jié)拱的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，其中文獻(xiàn)[9]中提到北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)張學(xué)雁教授等研究了物料在料倉(cāng)中的結(jié)拱條件，如式（1）所示。

式中：為相關(guān)系數(shù)，常取為1.2；為物料的密度；為物料層的高度；為出料口長(zhǎng)度；為料拱的厚度；為摩擦角；為料倉(cāng)側(cè)壁與鉛垂面的夾角，簡(jiǎn)稱(chēng)傾斜角；為修正系數(shù)；q為1/4無(wú)側(cè)限屈服強(qiáng)度。

由式（1）可以得出，出料口的尺寸越大，料倉(cāng)側(cè)壁的傾斜角度越小，物料則不容易發(fā)生結(jié)拱現(xiàn)象。文獻(xiàn)[10]提到，為了滿足某種?；返攘鲃?dòng)性差的物料能夠自由地落入下料口，料倉(cāng)口的長(zhǎng)度和寬度應(yīng)大于物料產(chǎn)生“斷料架橋”的結(jié)拱極限尺寸（168 mm），料倉(cāng)側(cè)壁與鉛垂面夾角須滿足≤28.9°。

根據(jù)上述要求，這里采用垂直面與傾斜面結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)的加料料倉(cāng)如圖3所示。在滿足料倉(cāng)儲(chǔ)存量一定的條件下，傾斜面有2個(gè)（圖3a），對(duì)應(yīng)的傾斜角為1。如圖3b所示，傾斜面的傾斜角2必須滿足式（2）。

由式（2）可以得出圖3中的料倉(cāng)高度H，以及出料口的尺寸L1和L2。

2.3.3 加料斗組件的設(shè)計(jì)

為了保證計(jì)量的速度和精度要求，在加料過(guò)程中一般有快慢加料2個(gè)階段。采用快加料方式來(lái)保證速度，采用慢加料方式來(lái)保證精度。加料斗與固定在其下的弧形門(mén)的配合是實(shí)現(xiàn)快慢加料的重要關(guān)鍵，且加料斗的結(jié)構(gòu)形式對(duì)加料均勻性的影響較大。

2.3.3.1 加料斗組件的組成

加料斗組件的外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。該組件主要由加料斗1、驅(qū)動(dòng)軸2和扇形門(mén)3等組成。其中，1和2分別為加料斗上部的長(zhǎng)度和寬度；3為加料斗下部的寬度；1為扇形門(mén)的旋轉(zhuǎn)半徑；2為加料斗下部的弧形半徑；為扇形門(mén)的開(kāi)度角；為加料斗底部的弧形角；為扇形門(mén)的弧形角；為扇形門(mén)與加料口底部的間隙距離；為扇形門(mén)驅(qū)動(dòng)軸與加料斗左側(cè)的距離；1、2為加料斗上部斜面與鉛垂面的左右?jiàn)A角。

說(shuō)明：通過(guò)扇形門(mén)3的開(kāi)度的變化來(lái)改變加料口的大小，從而實(shí)現(xiàn)快慢加料過(guò)程。在快加料時(shí)將扇形門(mén)完全打開(kāi)，物料從加料斗底部的出料口（長(zhǎng)為3，寬為2）排出；在慢加料時(shí)，將扇形門(mén)關(guān)閉到一定程度，物料從扇形門(mén)上的小槽缺口（長(zhǎng)為2，寬為1）排出。

圖4 加料斗和扇形門(mén)的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2.3.3.2 加料斗組件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

為了保證加料順暢，采用如圖4所示的加料斗外形結(jié)構(gòu)，需滿足的條件見(jiàn)式（3）—（6）。

說(shuō)明：式（3）中加料斗兩側(cè)板斜邊的傾角1、2須小于，可確保物料在其內(nèi)不易結(jié)拱，易于從加料斗底部的出料口（長(zhǎng)為3，寬為2）排出。其次，驅(qū)動(dòng)扇形門(mén)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸安置在離加料斗左側(cè)面距離為的位置，可保證驅(qū)動(dòng)軸不通過(guò)加料斗內(nèi)中部位置，這會(huì)降低結(jié)拱和堵料的風(fēng)險(xiǎn)。式（4）定義了驅(qū)動(dòng)軸2（常取=25 mm）與加料斗最近的側(cè)壁之間的距離，此距離的存在可保證兩者之間不存在摩擦。式（5）定義了扇形門(mén)內(nèi)表面與加料斗底部之間的間隙不小于4 mm，其目的是防止和避免兩者之間的摩擦風(fēng)險(xiǎn)。式（6）定義了扇形門(mén)的弧度，縱然有間隙的存在，也可確保扇形門(mén)關(guān)閉后，加料斗內(nèi)的粉狀物料也不易落入計(jì)量斗中（在結(jié)構(gòu)滿足的前提下，扇形門(mén)的弧長(zhǎng)留有10～15 mm的余量）。

按上述要求設(shè)計(jì)的加料斗結(jié)構(gòu)，可保證在快加料時(shí)粉狀物料均勻地落入其下的計(jì)量斗中；在慢加料時(shí)，為了保證計(jì)量精度，1與2構(gòu)成的加料區(qū)域面積有限，對(duì)于流動(dòng)性差的粉狀物料，可能導(dǎo)致加料失敗。為此，這里采用激勵(lì)措施，在加料斗側(cè)壁固定1個(gè)小型的氣動(dòng)振動(dòng)器，通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣量改變振動(dòng)頻率，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 加料斗組件結(jié)構(gòu)示意圖

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的破拱裝置有倉(cāng)壁安裝振動(dòng)破拱器、氣力助流破拱器[11]，這里的激勵(lì)加料選擇氣動(dòng)式振動(dòng)器。將振動(dòng)器安裝在料倉(cāng)側(cè)壁靠近加料口的位置，根據(jù)?；返募恿弦筮x擇氣動(dòng)振動(dòng)器。

2.3.4 快慢加料柔性切換

在快慢加料過(guò)程中，為了保證包裝速度，一般快加料量為總料量的95%左右，其加料時(shí)間為總時(shí)間的1/3左右（通常時(shí)間的分配根據(jù)充填速度的改變而改變）。大流量物料在短時(shí)間內(nèi)落入計(jì)量斗內(nèi)，易于造成稱(chēng)重傳感器檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)超載現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)未達(dá)到設(shè)定重量就停止供料。

為了解決物料對(duì)計(jì)量斗的沖擊問(wèn)題，在加料時(shí)間一定的前提下，通過(guò)改變快加料氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)扇形門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉，保持勻加速和勻減速，物料的加料量等加速增多或等減速減少。加料流量與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 流量與時(shí)間的關(guān)系

0～1時(shí)間段為加料門(mén)從關(guān)閉狀態(tài)到勻速打開(kāi)階段，在單位時(shí)間內(nèi)的加料量為1()，它是隨時(shí)間變化的變量。1～2時(shí)間段為加料門(mén)完全打開(kāi)狀態(tài)階段，在單位時(shí)間內(nèi)的加料量為一定量。2～3時(shí)間段為加料門(mén)逐漸關(guān)閉至慢加料階段，在單位時(shí)間內(nèi)的加料量為2()，也為變量。3～4時(shí)間段為慢加料階段，物料從加料門(mén)的小槽口排出。整個(gè)階段的加料流量表達(dá)式見(jiàn)式（7）。

由式（7）可知，此方式能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料，且緩解了大流量對(duì)計(jì)量斗的沖擊。

3 慢加料仿真分析

粉體是由大量顆粒及顆粒間的空隙所構(gòu)成的集合體[12]。顆粒是構(gòu)成粉體的最小單元，在工程上研究粉體，一般研究微觀顆粒。由于粉體物料的運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜，因此用現(xiàn)有的基本理論很難解釋清楚。離散元素法將粉體分離為單一顆粒的集合，對(duì)單一顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，再采用迭代法求解，從而得出整個(gè)粉體物料的運(yùn)動(dòng)情況，因此離散元素法適用于粉體的運(yùn)動(dòng)求解問(wèn)題[13]。

3.1 料倉(cāng)的力學(xué)分析

基于GT?25氣動(dòng)振動(dòng)器參數(shù)，振動(dòng)器輸入的振動(dòng)力為交變的，如圖7所示。振動(dòng)力的峰值為5 kN，針對(duì)振動(dòng)器處于峰值的工況，對(duì)料倉(cāng)管壁振動(dòng)情況進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，得出振幅峰值為3.5 mm，該峰值出現(xiàn)在/2和時(shí)刻（為1個(gè)振動(dòng)周期），如圖8所示。同理，對(duì)料倉(cāng)管壁受到振動(dòng)力2.1 kN時(shí)進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，得到的振幅峰值為1.7 mm。

3.2 仿真模型

根據(jù)料倉(cāng)受到振動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力分布及振動(dòng)區(qū)，在SolidWorks中建立料倉(cāng)模型，然后導(dǎo)入離散元仿真軟件中，如圖9所示。物料顆粒的直徑為0.2 mm，料倉(cāng)中填滿的物料顆粒數(shù)達(dá)到上千萬(wàn)個(gè)甚至上億個(gè)，一般普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限，無(wú)法進(jìn)行有效模擬，故采用顆?？s放法對(duì)物料顆粒的仿真參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。為了提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及盡可能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，縮放比例根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]，將物料顆粒放大10倍后進(jìn)行模擬仿真，得到的物料模型如圖10所示。標(biāo)定的物料仿真參數(shù)：物料密度為2 250 kg/m3，泊松比為0.25，剪切模量為1×108Pa；不銹鋼的密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.25，剪切模量為7.9×1010Pa；物料?物料恢復(fù)系數(shù)為0.2，靜摩擦因數(shù)為0.65，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1；物料?不銹鋼恢復(fù)系數(shù)為0.2，靜摩擦因數(shù)為0.72，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1；JKR的系數(shù)為0.15。

圖7 仿真輸入振動(dòng)力變化

圖8 料倉(cāng)受到振動(dòng)時(shí)的應(yīng)變分析

圖9 料倉(cāng)模型

圖10 物料顆粒模型

Fig.10 Material particle model

影響激勵(lì)加料物料流量的因素有振動(dòng)頻率、振幅和開(kāi)口尺寸等3個(gè)因素。為了研究這些因素對(duì)流量的影響，并盡可能減少試驗(yàn)次數(shù)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素考慮2個(gè)水平（如表1所示），一共進(jìn)行23組仿真試驗(yàn)（如表2所示），正交試驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示。

表1 因素水平

Tab.1 Factor level

表2 正交試驗(yàn)

Tab.2 Orthogonal test

3.3 后處理及結(jié)果分析

在后處理模塊中提取上述8組仿真試驗(yàn)加料過(guò)程中流量隨時(shí)間變化的折線，以及振動(dòng)器模塊的振動(dòng)力變化情況，分別如圖11—12所示。增加1組無(wú)振動(dòng)小加料口的仿真試驗(yàn)E01，其流量時(shí)間變化如圖13所示。由流量時(shí)間圖可以看出，激勵(lì)加料可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻加料，如不加振動(dòng)，依靠物料自身重力則很難排出，這驗(yàn)證了粉狀物料在料倉(cāng)中易結(jié)拱、難以加料的情況。由振動(dòng)力?時(shí)間關(guān)系圖可知，在慢加料時(shí)，物料顆粒所受的振動(dòng)力最大，為146 N?？梢?jiàn)，只要物料顆粒受到的力大于146 N，就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、均勻加料。

圖11 流量?時(shí)間關(guān)系

圖12 振動(dòng)力?時(shí)間關(guān)系

圖13 無(wú)振動(dòng)流量–時(shí)間關(guān)系

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

Tab.3 Analysis of orthogonal test results

為極差，極差最大的為C，可見(jiàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素為開(kāi)口尺寸，即影響加料流量的主要因素。C＞A＞B，可見(jiàn)各因素從主到次的順序?yàn)殚_(kāi)口尺寸、振幅、頻率。

4 激勵(lì)供料裝置的結(jié)構(gòu)

4.1 激勵(lì)供料裝置的模型

激勵(lì)供料裝置的三維模型如圖14所示。供料裝置的內(nèi)壁光滑，無(wú)凸起、翹曲。各運(yùn)動(dòng)件之間固定牢靠、無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將快慢氣缸置于驅(qū)動(dòng)密封室內(nèi)，將加料斗等組件安裝在加料密封室內(nèi)，則外界的粉塵和空氣不會(huì)進(jìn)入供料裝置內(nèi)部。在用戶料倉(cāng)側(cè)壁安裝氣動(dòng)敲擊錘以輔助加料，在最底部的過(guò)渡料斗內(nèi)部安裝導(dǎo)靜電軸，吸收物料在加料過(guò)程中產(chǎn)生的靜電，從而保障供料安全。

圖14 激勵(lì)供料裝置三維模型

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)論

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該激勵(lì)加料方式能夠?qū)崿F(xiàn)?；钒踩€(wěn)定的加料及加料量的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖15所示），測(cè)量在一定加料時(shí)間內(nèi)的加料量。受到測(cè)試條件的限制，此次試驗(yàn)選用的物料為與實(shí)際?；肺锢硇再|(zhì)較為相似的粉料，以測(cè)試慢進(jìn)料過(guò)程的加料量。此外，準(zhǔn)備1個(gè)量程為50 kg、精度為0.1%的電子秤。

圖15 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果可知，料倉(cāng)內(nèi)的物料充足，并在氣動(dòng)振動(dòng)器的作用下，慢下料口的尺寸為50 mm×10 mm，以慢進(jìn)料階段10 s內(nèi)的理論加料量為4.2 kg為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其供料的均勻性。測(cè)試步驟如下。

1）保持料倉(cāng)內(nèi)壁清潔光滑，不加料啟動(dòng)振動(dòng)器10 min，觀察組件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

2）關(guān)閉振動(dòng)器，向料倉(cāng)內(nèi)加物料，待物料填滿料倉(cāng)時(shí)壓實(shí)物料。

3）啟動(dòng)振動(dòng)器并開(kāi)始計(jì)時(shí)，每10 s后暫停振動(dòng)器，測(cè)試加料的質(zhì)量，每組測(cè)試15次。

4）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，去掉第1組和最后1組，隨機(jī)抽取5組數(shù)據(jù)記錄，并整理現(xiàn)場(chǎng)。

根據(jù)表4可知，加料均勻度誤差率均在5%以內(nèi)，說(shuō)明此激勵(lì)加料方式符合加料要求。此外，為了驗(yàn)證振動(dòng)器選型符合加料要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)增加了1組GT?20氣動(dòng)振動(dòng)器加料試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表4 GT?25慢進(jìn)料運(yùn)行測(cè)試情況記錄

Tab.4 Records of GT-25 slow feed running test

表5 GT?20慢進(jìn)料運(yùn)行測(cè)試情況記錄

Tab.5 Records of GT-20 slow feed running test

根據(jù)表5可知，加料均勻度誤差率均超過(guò)5%，說(shuō)明GT?20氣動(dòng)振動(dòng)器提供的振動(dòng)力不夠，其加料量達(dá)不到要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)粉狀?；返奈锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)，提出了一種激勵(lì)連續(xù)變速供料方案，設(shè)計(jì)了一種加料斗與扇形門(mén)配合的方法實(shí)現(xiàn)快慢加料的加料結(jié)構(gòu)，并通過(guò)在加料斗側(cè)壁固定1個(gè)小型氣動(dòng)振動(dòng)器，以解決慢下料時(shí)不易出料的問(wèn)題。此加料結(jié)構(gòu)完全滿足粉狀?；酚?jì)量系統(tǒng)中快慢加料的要求，該技術(shù)對(duì)同類(lèi)型物料的包裝生產(chǎn)具有重大意義，并已在相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

[1] 張國(guó)全, 董結(jié). 重力稱(chēng)重式充填機(jī)三段式加料系統(tǒng)原理的研究[J]. 包裝工程, 2006, 27(6): 189-193.

ZHANG Guo-quan, DONG Jie. Study on the Theory of Three Stages Type Material Feeding System of Gravity Gravimetric Filling Machine[J]. Packaging Engineering, 2006, 27(6): 189-193.

[2] 郭寧, 張國(guó)全, 黎厚斌, 等. 小顆粒狀?；酚?jì)量系統(tǒng)中的加料方式[J]. 包裝工程, 2017, 38(7): 159-163.

GUO Ning, ZHANG Guo-quan, LI Hou-bin, et al. Feeding Mode of the Measurement System of Small Granular Hazardous Chemical Substance[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(7): 159-163.

[3] 張國(guó)全, 梅文清, 董結(jié), 等. 民爆中包包裝和裝箱全自動(dòng)生產(chǎn)線的方案設(shè)計(jì)[J]. 輕工機(jī)械, 2006, 24(4): 161-164.

ZHANG Guo-quan, MEI Wen-qing, DONG Jie, et al. Conceptual Design of Automation Production Line of Industrial Explosive Secondary Packing[J]. Light Industry Machinery, 2006, 24(4): 161-164.

[4] 王帆. 粉狀?；冯p層包裝袋內(nèi)袋扎口裝置的設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 武漢輕工大學(xué), 2016: 3.

WANG Fan. Design of Inner Bag Tying Device for Powder Hazardous Chemicals Double-Layer Packaging Bag[D]. Wuhan: Wuhan Polytechnic University, 2016: 3.

[5] 周波, 史宏. 料倉(cāng)內(nèi)物料的結(jié)拱原理及破拱設(shè)計(jì)[J]. 企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā), 2001, 20(4): 7-9.

ZHOU Bo, SHI Hong. Arch-Forming Principle and Arch-Breaking Design of Materials in Silo[J]. Technological Development of Enterprise, 2001, 20(4): 7-9.

[6] 張麟. 面粉包裝機(jī)的螺旋供料器設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與設(shè)計(jì), 1997(6): 27-28.

ZHANG Lin. Design of the Screwy feed Appliance of the Flour Packer[J]. Food & Machinery, 1997(6): 27-28.

[7] 周丹, 方先其, 王利強(qiáng), 等. 一種超細(xì)粉充填計(jì)量結(jié)構(gòu)研究[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2019, 37(6): 37-41.

ZHOU Dan, FANG Xian-qi, WANG Li-qiang, et al. Study on a Filling and Metering Mechanism for Ultrafine Powder[J]. Packaging and Food Machinery, 2019, 37(6): 37-41.

[8] 王高峰, 王艷平, 李光輝. 電磁振動(dòng)給料器的設(shè)計(jì)[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械, 2017(4): 43-46.

WANG Gao-feng, WANG Yan-ping, LI Guang-hui. Design of Electromagnetic Vibration Feeder[J]. Lifting and Transportation Machinery, 2017(4): 43-46.

[9] 王順喜. 筒式飼料倉(cāng)結(jié)拱機(jī)理及破拱技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 糧油加工與食品機(jī)械, 1992(3): 25-28.

WANG Shun-xi. The Research Status of Arch Formation Mechanism and Arch Breaking Technology in Bucket Feed Silos[J]. Grain and Oil Processing and Food Machinery, 1992(3): 25-28.

[10] 汪慶華, 鄧國(guó)棟, 李大勇. 黑索金粉料安全、連續(xù)加料與計(jì)量裝置[J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 2015, 21(4): 95-98.

WANG Qing-hua, DENG Guo-dong, LI Da-yong. Research on Safely and Continuously Feeding and Metering Device of RDX Powders[J]. China Powder Science and Technology, 2015, 21(4): 95-98.

[11] 方奕格, 劉亞俊. 粉料輸送過(guò)程機(jī)理及優(yōu)化控制技術(shù)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué)，2019: 3-4.

FANG Yi-ge, LIU Ya-jun. Research on the Mechanism and Optimization Control Technology of Powder Transportation Process[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2019: 3-4.

[12] 郝友莉. 粉體包裝螺旋式密實(shí)輸送研究[D]. 無(wú)錫: 江南大學(xué), 2017: 7-10.

HAO You-Li. Research on Densifying Transportation of Spiral Powder Packaging Machine[D]. Wuxi: JiangNan University, 2017: 7-10.

[13] 李飛翔. 小麥粉螺旋給料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 鄭州: 河南工業(yè)大學(xué)，2020: 40-44.

LI Fei-xiang. Optimization Design and Experimental Research on the Spiral Feeding Device for Wheat Flour[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2020: 40-44.

[14] 周龍海. 垂直螺旋輸送的EDEM仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江工業(yè)大學(xué), 2017: 7-18.

ZHOU Long-hai. EDEM Simulation and Experimental Study on Vertical Spiral Conveying[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2017: 7-18.

[15] KUMAR S, SAINI C S. Study of Various Characteristics of Composite Flour Prepared from the Blend of Wheat Flour and Gorgon Nut Flour[J]. International Journal of Agriculture, Environment and Biotechnology, 2016, 9(4): 679-689.

Feeding Method of Metering System for Powdery Hazardous Chemicals

FAN Lan-lan1, ZHANG Guo-quan1, WANG Li-zong2,ZU Yi-lun1,ZHAO Xian-feng1

(1. Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China; 2. Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

The work aims to develop a feeding method for hazardous chemical materials with poor fluidity with the feeding method in the metering system of powdery hazardous chemicals as a research object. From the perspective of safety, the reasons why the existing mandatory screw feeding and vibration feeding was not suitable for feeding powdery hazardous chemicals were analyzed. According to the principle of slow feeding, an incentive feeding method was proposed, and its working principle and structural composition were constructed. By controlling the start and stop of the vibration source and the vibration frequency, as well as the opening and closing angle of the feeding door, fast, slow and uniform feeding was realized. Then the discrete element simulation software was used to simulate the slow feeding process, and the vibration force required for uniform and continuous falling of materials was analyzed. The relationships between the feeding flow and the vibration frequency, amplitude and size of the outlet were obtained. The incentive feeding method was suitable for the feeding of powdery hazardous chemicals and could meet the feeding requirements. Based on the above conclusions, the feeding equipment is designed and manufactured. According to the testing, the device fully meets the requirements of fast and slow feeding in the metering system. This method has certain guiding significance for feeding the same type of materials.

powdery hazardous chemicals; metering system; incentive feeding; discrete element simulation

TB486+.1

A

1001-3563(2023)09-0312-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.038

2022?07?06

范蘭蘭（1987—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)員，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化包裝機(jī)械設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：彭颋