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粉體設(shè)備中料斗設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分析和確定

在粉體設(shè)備行業(yè)中，顆粒物料處理設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中忽略物料的特性或是料性數(shù)據(jù)掌握得不夠準(zhǔn)確， 都將導(dǎo)致設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)各種各樣的故障， 影響企業(yè)的正常生產(chǎn)活動。在設(shè)計(jì)時， 充分考慮到設(shè)備將來的運(yùn)行工況，并對物料的料性進(jìn)行測試， 為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

粉體內(nèi)任一點(diǎn)的莫爾應(yīng)力圓在IYF的下方時，粉體將處于靜止?fàn)顟B(tài)；粉體內(nèi)某一點(diǎn)的莫爾應(yīng)力圓與IYF相切時，粉體處于臨界流動或流動狀態(tài)

把莫爾應(yīng)力圓與庫侖抗剪強(qiáng)度線相切時的應(yīng)力狀態(tài)，破壞狀態(tài)—稱為莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則，它是目前判別粉體(粉體單元)所處狀態(tài)的常用或基本的準(zhǔn)則。

根據(jù)這一準(zhǔn)則，當(dāng)粉體處于極限平衡狀態(tài)即應(yīng)理解為破壞狀態(tài)，此時的莫爾應(yīng)力圓即稱為極限應(yīng)力圓或破壞應(yīng)力圓，相應(yīng)的一對平面即稱為剪切破壞面（簡稱剪破面）。

對于非粘性粉體 τ=σtgφ_i      對于粘性粉體  τ= c +σtgφ_i

Molerus Ⅰ類粉體：初始抗剪強(qiáng)度為零的粉體

Molerus Ⅱ類粉體：初始抗剪強(qiáng)度不為零，但與預(yù)壓縮應(yīng)力無關(guān)的粉體

Molerus Ⅲ類粉體：初始抗剪強(qiáng)度不為零，且與預(yù)壓縮應(yīng)力有關(guān)的粉體，內(nèi)摩擦角也與預(yù)應(yīng)力有關(guān)

7.3. 粉體的屈服軌跡YL

7.4.料斗半頂角

料倉流型設(shè)計(jì), 就是根據(jù)倉存物料的特性(有效內(nèi)摩擦角Φ_i和壁面摩擦角φ_w) , 確定出一個料斗半頂角θ) ，確定一個合適的料斗半頂角θ,目的是為了適應(yīng)所選擇的流型。料倉下料不暢,關(guān)鍵是傾斜角小于物料安息角所致。整體流倉必須保證料倉各個部位的傾斜角大于物料的安息角。形成整體流的必要條件是料斗半頂角θ要小于θmax

7.5. 卸料口徑

正確選擇卸料口徑是防止料倉中產(chǎn)生結(jié)拱現(xiàn)象的基本方法，設(shè)計(jì)料倉時應(yīng)仔細(xì)考慮。影響卸料口徑的主要因素有：物料的流動性、物料粒度和均勻性，以及要求的卸料速度等。

對于整體流料倉, 卸料口尺寸太小, 將會形成料拱(或稱架橋) 。設(shè)計(jì)計(jì)算時, 用一定性尺寸B來描述卸料口的大小。對于圓形卸料口, B 等于卸料口直徑; 對于方形卸料口, B 為對角線長度; 對于縫形卸料口, B 為縫寬( L≥3 B , L 為縫長)。

7.6. 機(jī)械拱和粘性拱

對于平均直徑較大( > 3000μm) 的顆粒體, 易形成機(jī)械拱

對于平均直徑較小的粉體物料, 不產(chǎn)生粘性拱的小卸料口尺寸

對于圓形和方形卸料口, i = 1 ; 對于縫形卸料口( L ≥3B) , i = 0

a．料倉下部的錐面傾角對物料在倉內(nèi)的流動有重大影響；

b．至少要等于物料的休止角，必須大于物料與倉壁的摩擦角，否則，物料就不能全部從倉內(nèi)流出；

c．一般錐面傾角要比摩擦角大5 °～10°，比儲存物料的自然休止角約大10°～15°。對于整體流的料倉，錐面傾角一般取 55°～75°。考慮到較大的傾角會使建筑高度增加，對于直徑大于6m的料庫，宜采用2～4個卸料口。

d．減小粉體的壁摩擦角及料倉錐形部分的傾斜角，可以使料倉內(nèi)的粉粒體呈整體流；反之，成漏斗流。

6).屈服軌跡－失效時剪切應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系曲線。屈服軌跡(YL)有時被稱為瞬時屈服軌跡來區(qū)分于時間屈服軌跡。

屈服軌跡由粉體的剪切試驗(yàn)確定：一組粉體樣品在同樣的垂直應(yīng)力條件下密實(shí)，然后在不同的垂直壓力下，對每一個粉體樣品進(jìn)行剪切破壞試驗(yàn)。在這種特殊的密實(shí)狀態(tài)中，得到的粉體破壞包絡(luò)線稱為該粉體的屈服軌跡。

10).流動函數(shù)FF－特定散裝固體的無側(cè)限屈服強(qiáng)度和主要固結(jié)應(yīng)力的關(guān)系曲線。

有時也稱做開裂函數(shù)，是由Jenike提出的，用來表示松散顆粒粉體的流動性能。

松散顆粒粉體的流動取決于由密實(shí)而形成的強(qiáng)度。

當(dāng)f_c=0時，F(xiàn)F=¥，即粉體*自由流動

流動性的標(biāo)準(zhǔn)分級如下：
FF <1 不流動，凝結(jié)
1< FF <2 很粘結(jié)，附著性強(qiáng)，流不動
2< FF <4 粘結(jié)，有附著性
4< FF <10 容易流動
10< FF 自由流動
影響粉體流動性的因素

• 粉體加料時的沖擊：沖擊處的物料應(yīng)力可以高于流動時產(chǎn)生的應(yīng)力；
• 溫度和化學(xué)變化：高溫時顆粒可能結(jié)塊或軟化，而冷卻時可能產(chǎn)生相變，這些都可能影響粉體的流動性；
• 濕度：濕料可以影響屈服軌跡和壁摩擦系數(shù)，而且還能引起料壁黏附；
• 粒度：當(dāng)顆粒變細(xì)時，流動性常常降低，而壁摩擦系數(shù)卻趨于增加；
• 振動：細(xì)顆粒的物料在振動時趨于密實(shí)，引起流動中斷。

11).料斗－料倉結(jié)構(gòu)的融合部分。

23）.壁屈服軌跡WYL－壁剪切應(yīng)力與壁正應(yīng)力的關(guān)系曲線。壁摩擦角由壁屈服軌跡獲得，為壁剪切應(yīng)力與壁正應(yīng)力比率的反正切。

7.7.料倉中大主應(yīng)力σ₁

大主應(yīng)力σ₁。該應(yīng)力與料倉中的料位高度H 有關(guān), 在筒倉部分, σ₁ 隨料深按指數(shù)規(guī)律增加; 在筒倉與料斗的相接處, σ₁ 達(dá)大; 在料斗部分, σ₁ 線性遞減, 至料斗頂角處, σ₁ 降至零。σc 隨σ₁ 的增加而增加, σc 在h = 0 和h =H 處并不等于零, 這是由粉體的粘性所致。粉體物料的開放屈服強(qiáng)度σc , 可由試驗(yàn)確定料拱腳處的支承反作用主應(yīng)力σ, 簡稱反作用主應(yīng)力, 又稱破拱主應(yīng)力。它主要取決于料斗半頂角和料拱跨度W 等。由

于σ正比于料拱跨度W , 故在筒倉部分σ為一常數(shù), 在料斗部分σ線性減至零。

7.8. 粉體物料的臨界開放屈服強(qiáng)度

指的是相應(yīng)于兩條曲線σ= f (σ1 ) 與σc = F (σ1 ) 的交點(diǎn)的開放屈服強(qiáng)度。

7.9. 粉體在料倉中的流動模式

倉中物料呈現(xiàn)的流動模式是理解作用于物料或料倉上各種力的基礎(chǔ)。

倉壁壓力不僅取決于顆粒料沿倉壁滑動引起的摩擦力，而且還取決于加料和卸料過程中形成的流動模式。

漏斗流模式：在平底或帶料斗的料倉中，由于料斗的斜度太小或斗壁太粗糙，顆粒料難以沿斗壁滑動，顆粒料是通過不流動料堆中的通道到達(dá)出口的。這種通道常常是圓錐形的，下部的直徑近似等于出口有效面積的大直徑。這種流動模式也稱為“核心流動”

• 當(dāng)通道從出口處向上伸展時，它的直徑逐漸增大，如圖5-19所示。
• 如果顆粒料在料位差壓力下固結(jié)，物料密實(shí)且表現(xiàn)出很差的流動性，那么，有效的流動通道卸空后，就會形成穿孔或管道，如圖5-20所示。
• 情況嚴(yán)重時，物料可以在卸料口上方形成料橋或料供，如圖5-21所示。
• 這種流動通道周圍的物料可能是不穩(wěn)定的，在這種情況下，物料將產(chǎn)生一停一開式的流動、脈沖流動或不平穩(wěn)流動。這些脈沖可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破損。

• 整體流模式這種流動發(fā)生在帶有相當(dāng)陡峭而光滑的料斗筒倉內(nèi)，物料從出口的全面積上卸出。
• 整體流中，流動通道與料倉壁或料斗壁是一致的，全部物料都處于運(yùn)動狀態(tài)，并貼著垂直部分的倉壁或收縮的料斗壁滑動。
• 如果料面高于料斗與圓筒轉(zhuǎn)折處上面某個臨界距離，那么料倉垂直部分的物料就可以拴流形式均勻向下移動。
• 如果料位降到轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下，那么通道中心處的物料將流得比倉壁處的物料為快。

• 這種流動發(fā)生在帶有相當(dāng)陡峭而光滑的料斗倉內(nèi)，物料從出口的全面積上卸出。整體流中，流動通道與料倉或料斗壁是一致的，全部物料都處于運(yùn)動狀態(tài)，并貼著垂直部分的倉壁和收縮的料斗壁移動。
• 如果料面高于料斗與圓筒轉(zhuǎn)折處上面某個臨界距離，料倉垂直部分的物料就以栓流形式均勻向下移動。料位降到該處以下，通道中心的物料將流得比倉壁處的物料為快。
• 目前，這個臨界料位的高度還不能準(zhǔn)確確定，它是物料內(nèi)摩擦角、料壁摩擦力和料斗斜度的函數(shù)。
• 避免了粉料的不穩(wěn)定流動、溝流和溢流。
• 消除了筒倉內(nèi)的不流動區(qū)。
• 形成了先進(jìn)先出的流動，大限度地減少了存儲期間的結(jié)塊問題、變質(zhì)問題或偏析問題。
• 顆粒的偏析被大大的減少或杜絕。
• 顆粒料的密度在卸料時是常數(shù)，料位差對它根本沒有影響。這就有可能用容積式拱料裝置來很好地控制顆粒料，而且改善了計(jì)量式喂料裝置的性能。

• 由圖可知，f_c值和s₁值的兩條直線相交于一個臨界值，由此可以確定料拱的尺寸B。根據(jù)流動不流動判據(jù)，交點(diǎn)以下，粉體物料形成足夠的強(qiáng)度支撐料拱，使流動停止。該點(diǎn)以上，粉體物料的強(qiáng)度不夠，不能形成料拱，就發(fā)生重力流動。

• 已經(jīng)表明穩(wěn)定料拱的拱腳上作用著主應(yīng)力s₁，它與料拱的跨距B成正比。
• 作用在料拱腳處的主應(yīng)力可以表示為：

式中，r_B-物料容積密度，B-卸料口寬度，q-料斗半頂角， m為料斗形狀系數(shù)，軸線對稱的圓錐形料斗，m=1;平面對稱的楔形料斗，m=0

• 在相應(yīng)的密實(shí)應(yīng)力下，對粉體物料進(jìn)行剪切試驗(yàn)，可以確定開放屈服強(qiáng)度f_c，由此可以建立該粉體物料的流動函數(shù)FF。

7.11流動因子ff：

用來描述流動通道或料斗的流動性。

式中，S（q）為應(yīng)力函數(shù)，對于各種數(shù)值不同的有效內(nèi)摩擦角、壁面摩擦角和料斗半頂角q，Jenike已經(jīng)算出了它們的流動因素

• 作用在流動通道上的密實(shí)應(yīng)力越高，作用在料拱上的應(yīng)力越低，那么流動通道的流動性或料斗的流動性就越低。

流動函數(shù)FF和流動因素ff見上圖。當(dāng)密實(shí)主應(yīng)力s₁大于臨界密實(shí)主應(yīng)力，位于f_c線之上的s₁線部分滿足流動判據(jù)，處于料拱上的應(yīng)力s₁超過料拱強(qiáng)度f_c, 則發(fā)生流動。 s₁小于臨界密實(shí)主應(yīng)力時，應(yīng)力不足以引起破壞，將發(fā)生起拱。

• 物料在料倉中的運(yùn)動模式應(yīng)為整體流模式，不應(yīng)出現(xiàn)漏斗流模式。
• 結(jié)拱的臨界條件為FF=ff，即s₁=f_c。而形成整體流動的條件為FF>ff，即f_c<s₁。如以f_c,crit表示結(jié)拱時的臨界開放屈服強(qiáng)度，則料口孔徑為：

式中ρ_B—物料容積密度； B—卸料口寬度   H(θ)—料斗半頂角的函數(shù)

• 流動函數(shù)FF越大，粉體的流動性越好，它與粉體的有效內(nèi)摩擦角δ有關(guān)；而流動因數(shù)ff越小，粉體在流動通道的流動性或料斗的流動性越好，流動因數(shù)是壁面摩擦角f’和料斗半頂角q的函數(shù)，壁面摩擦角f’越小，料斗半頂角q越小，料斗的流動性越好。
• 因此在料倉設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量使料斗的半頂角小些，但這會增加料倉的高度。
• 料斗用材料的壁摩擦系數(shù)越小越好。這些材料包括聚四氟乙烯塑料、玻璃、各種環(huán)氧樹脂涂料、不銹鋼和超量高分子聚乙烯。料斗表面光滑，則可以適當(dāng)增大料斗半頂角，從而降低整個料斗的高度。

• Janssen法確定整體流料倉小卸料口徑步驟：

①作剪切測定，在s-t坐標(biāo)上畫出屈服軌跡，求有效內(nèi)摩擦角d 、開放屈服強(qiáng)度f_C、壁摩擦角f_r；

②在流動型式判斷圖上的整體流區(qū)域中選擇料斗半頂角q，并確定料斗的流動因數(shù)ff；

③從相應(yīng)的摩爾圓上確定f_C及s₁值，做出流動函數(shù)FF曲線,并在同一座標(biāo)中畫出ff；

④算出小卸料口徑。

7.12.顆粒儲存和流動時的偏析

• 由于粒徑、顆粒密度、顆粒形狀、表面形狀等差異，粉體層的組成呈不均質(zhì)的現(xiàn)象稱為偏析；
• 偏析現(xiàn)象在粒度分布范圍寬的自由流動顆粒粉體物料中經(jīng)常發(fā)生，但在粒度小于70mm的粉料中卻很少見到；
• 粘性粉料在處理中一般不會發(fā)生偏析，但包含粘性和非粘性倆種成分的粉料可能發(fā)生偏析。

設(shè)備的設(shè)計(jì)

顆粒物料處理設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中忽略物料的特性或是料性數(shù)據(jù)掌握得不夠準(zhǔn)確， 都將導(dǎo)致設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)各種各樣的故障， 影響企業(yè)的正常生產(chǎn)活動。在設(shè)計(jì)時， 充分考慮到設(shè)備將來的運(yùn)行工況，并對物料的料性進(jìn)行測試， 為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)， 這些只需很少花費(fèi)的前期工作可大大地降低設(shè)備故障給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失。料性測試結(jié)果的準(zhǔn)確性、 一致性很大程度上依賴于操作者的實(shí)驗(yàn)水平和測試經(jīng)驗(yàn)。因此， 需要制定詳細(xì)的測試操作規(guī)范，既可以共享測試經(jīng)驗(yàn)、 提高整體測試水平，又能降低人為因素的影響， 提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。