粉粒物料運輸車多錐內傾臥式罐體結構的設計

李宴瑞

（柳州乘龍專用車有限公司，廣西柳州545006）

隨著散裝水泥運輸車市場競爭的激烈化，為了提高產品的競爭力，提高散裝水泥運輸車罐體有效容積的利用率，輕量化設計成為了未來散裝水泥運輸車發展的趨勢。然而，目前大多數廠家均采用圓柱形臥式罐體結構，這種傳統的罐體結構，通常在增大罐體有效容積的同時，也在很大程度上增加了生產成本和整備質量，降低了產品的競爭力。因此，我們要突破思維，設計開發出一種新的結構，以適應市場的需要。

針對散裝水泥運輸車產品的特性及現狀，通過技術、銷售部門共同進行的大量調查、研究、比較，經過多次三維建模和計算，并從技術及工藝方面進行了深入細致的研究，發現傳統的粉罐汽車在降低生產成本、提高整備質量利用系數、增大罐體有效容積及提升用戶的經濟型指標等方面，還是有很大的空間。即可采用新的多錐內傾臥式罐體結構。

1 傳統的圓柱形臥式罐體結構

圓柱形臥式罐體結構，是流態化式氣力罐體的一種傳統結構，也是國內目前在大型粉罐汽車上應用最廣泛的一種結構（如圖1所示），該結構罐體內設有側滑料板和中間滑料板及其相應支撐，采用多孔板、帆布等組成流化床。圖1傳統的圓柱形臥式罐體結構，罐體直徑為2500 mm，直筒長8600 mm，3倉形結構，有效容積40 m3，容積利用率82%。圖中罐體的直徑和長度尺寸已至極限。若想增加有效容積，而將罐體直徑再增大，必然會使整車寬度超過國家安全法規限制的2.5 m。而要增加罐體有效容積，唯一的辦法就是再多分倉室。經過計算，對于圓柱臥式罐體，采用多分倉室方法使有效容積增加并不多，而生產成本和整備質量卻增加不少，進氣管路和卸料管路變得更加復雜，操作性變得更差，經濟型指標不理想。圖1為圓柱臥式罐體總成（3倉型）。

圖1 圓柱臥式罐體總成

2 多錐內臥式罐體結構

這是一種全新的罐體結構（如圖2所示）。筒體由2個小封頭和6個圓頂-橢圓底斜錐筒組成，每2個錐筒內傾構成一個倉，共3個倉，在隔倉板處設計一個小氣室；流化床由多條氣袋和內嵌板組成，采用壓條、螺栓等，將之直接固定在斜錐筒底面；斜錐筒底面母線與水平面成固定夾角β；罐內沒有多孔板、中間滑料板及其相應支撐；容積利用率可高達95%。

圖2也為三倉型罐體，有效容積40 m3，罐體的長為9583 mm，寬為2414 mm，高為2720 mm。與圖1相同，高度尺寸比圖1大，考慮到國內二類底盤的主車架上翼面距地面高度通常為1120～1150 mm，上裝底架高度設計為50 mm，因此整車極限高度為：2720+1150+50=3920 mm，不會超過法規限制的4 m。

圖2 多錐內臥式罐體總成（三倉型）

事實上，由于錐筒小端外徑僅為Φ 2310 mm，可將樓梯布置在小端附近，這樣錐筒大端的橢圓短軸完全可以更靠近2.5 m，使罐體有效容積變得更大。當然，若罐體倉數分的更多，罐體有效容積也可變得更大。

由以上可知，與傳統圓柱形臥式罐體相比，多錐臥式罐體結構具有以下特點：

（1）容積利用率大。采用透氣袋式流化床，其流化床緊貼在罐體上，無需專門氣室，大大減少了氣室容積，其容積利用率達到94%～98%；

（2）罐體結構簡單，自重輕。不需要焊裝多孔板、中間滑料板及其相應支撐，既簡化了制造工藝、降低了生產成本，又減輕了整備質量。經計算，圖2罐體總質量比圖1少0.8 t；

（3）流化床采用多條氣袋及內嵌板直接并行平鋪在錐筒底面，如果個別氣袋破損只需換破損氣袋即可，裝配、維修均方便；

（4）卸料速度快，剩余率低。由于氣室空間小，氣流幾乎直接作用到流化床，提高了卸料速度快，降低剩余率，低節省燃油消耗，提高了用戶的經濟指標；

（5）重心低。在相同有效容積情況下，比其他廠家重心低200 mm以上，車輛行駛安全性及穩定性更好；

（6）罐體外部結構的特殊性，結構的截面尺寸變化，使得罐體在下料、卷形及對接阻焊比圓柱形的復雜、技術要求高，不規則底架的下料、阻焊也比圓柱形的技術要求高。但由于三維軟件及數控切割技術的廣泛應用，能很好地解決這些問題。

3 卸料原理和設計方法

3.1 卸料原理

多錐內傾臥式罐體卸料時，壓縮空氣透過氣袋進入粉料顆粒之間，使粉料流態化后會像液體一樣，具有由高至低的流動性，當罐內壓力升到196 kPa時，打開出料蝶閥，粉料便在罐內壓力作用下經卸料管排出。

3.2 流態化速度及氣流速度的計算

（1）臨界流態化速度vf即使粉料開始發生流態化時的氣流速度，按下式計算。

式中，

ds為水泥直徑，取ds=88×10-6m；

ρs為水泥真密度，ρs=3200 kg/m3；

ρg為氣體密度，在氣體壓力p=0.3 MPa，氣體溫度T=373 K，氣體常數Ra=29.28時，

ρg=p/（RaT）=2.75 kg/m3；

η為氣體的動力粘度，一般取

η=0.0218×10-3Pa·s

因此

所以臨界流態化床氣流速度為0.009 m/s。

（2）粉料帶出氣流速度νt，即粉料開始形成稀相流態化床時的氣流速度的計算。若氣流速度大于此值，床層的穩定操作行為急劇偏離理想行為，導致操作失常。

νt按下式計算

式中,

ds為水泥直徑，取ds=88×10-6m；

ρs為水泥真密度，為 ρs=3200 kg/m3；

ρg為氣體密度，在氣體壓力p=0.3 MPa，氣體溫度T=373 K，氣體常數Ra=29.28時，

ρg=/（RaT）=2.75 kg/m3；

η為氣體的動力粘度，一般取0.0218×10-3Pa·s；

g為重力加速度，g=9.81 m/s2

把已知量代入公式得

所以，粉料帶出氣流速度為0.58 m/s。

3.3 流化床面積A的確定

流化床面積的大小，與罐體尺寸和倉數、流化床結構形式、所運輸粉料性質有關，其中起主要作用的，是粉料的臨界流態化速度和帶出氣流速度。將流化床的最大允許面積用Amax表示，最小允許面積用Amin表示，則流化床面積A必須滿足下式：

Amax和Amin按下式計算

式中，

Q為空壓機排量（m3/s）；

Vf為臨界流態化床氣流速度(m/s)；

Ka為輸送系統的漏氣系數，取1.1～1.2。

若所運輸的粉料為水泥，一般有效容積為40 m3散裝水泥運輸車所配空壓機排量Q為9 m3/min，Vf=0.009 m/s，輸送系統的漏氣系數ka=1.2，則

Amax=13.8 m2

Amin=0.23 m2

由式（3）、（4）、（5）可知，當 Q 一定時，A 與 Vf成反比，若流化床面積過大，透過透氣袋的氣流速度，就會小于粉料的臨界流態化速度，粉料就不能良好的流態化，流動性差，容易滯留在床面上；當Q一定時，A與Vf成反比，若流化床面積過小，透過透氣袋的氣流速度，就會大于粉料的臨界流態化速度，形成稀相流態化床，使床層的穩定操作行為急劇偏離理想行為，導致操作失常，出現卸料不完全。

3.4 驗證流化床

流態化床采用透氣袋式，一個倉內設計12條透氣袋，其設計尺寸為：寬為114 mm，長為1485 mm，3個倉的流化床面積基本相等。其面積為

A=3×12×0.14×1.485=7.48（m2）

所以，設計的流化床面積為7.48 m2。

4 結束語

流化床的面積不能過大，若流化床面積過大，氣流速度就會小于介質的臨界流態化速度，介質就不能良好地流態化，流動性差，易滯留在床面上。所設計的流化床面積為7.48 m2小于最大空床截面積13.8 m2，大于最小空床截面積0.23 m2，所以流化床設計是合理的。

[1]徐 達，蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京:北京理工大學出版社，1998.

[2]徐 達，叢錫堂.專用汽車結構與設計[M].北京:人民交通出版社，2008.