FU鏈式輸送機的創新型升級改造方法

孫欣林，邵皖平，鄭相宜

FU鏈式輸送機的創新型升級改造方法

Innovative Upgrading Method of FU Chain Conveyor

孫欣林，邵皖平，鄭相宜

FU鏈式輸送機普遍應用于國內水泥、建材、發電、冶金及化工等行業，用以輸送粉狀及粉、粒混合狀散料。由于具有全封閉、可長距離、多點進、出口、適合爬坡及耐高溫集于一體的技術特性，已成為輸送設備中市場競爭優勢較強的產品之一。截至目前，該機雖經過多次的技術完善，但仍存在著如性能不穩等問題。該文指出了這些問題以及產生的原因，通過討論和分析發現了一種創新型解決辦法，并加以詳細論證。

機槽；散料層；內壓力；內摩擦力；創新

1 前言

自二十世紀90年代初以來，FU鏈式輸送機就普遍應用于國內水泥、建材、發電、冶金及化工等行業，用以輸送粉狀及粉、粒混合狀散料。由于FU鏈式輸送機具有全封閉、可長距離、多點進出口、適合爬坡及耐高溫等技術特性，已成為輸送設備中市場競爭優勢較強的產品之一。

隨著主機設備技術要求的日益提高，作為與之相應配套的輸送設備，FU鏈式輸送機技術性能的優化升級顯得尤為迫切。

2 主要組成及存在問題

FU鏈式輸送機又稱FU拉鏈機，外形與構造如圖1所示，主要由機槽、附U形葉板的輸送鏈條（以下簡稱U形鏈條）、電機、減速機及鏈條傳動裝置等組成。當前，該機雖經過二十多年的技術發展，但仍存在著性能等諸多方面不足的問題。

（1）同機槽截面上的輸送速度均勻性差，極易導致散料層在機槽內出現局部的“紊流”和“渦流”現象，造成輸送機產量減少。

（2）同機槽截面上的輸送速度穩定性差，極易受到外界因素（如散料層溫度、粒度、硬度、厚度等因素）變化的干擾，造成輸送機性能降低。

（3）機槽磨損嚴重，其底部兩側的直角拐角處磨損尤為嚴重。如果沒有耐磨襯板的保護，機槽極易被磨穿。但若采用耐磨襯板，不僅會增加設備成本和能耗，而且還會因襯板經常脫落等原因引起U形鏈條卡死停車，帶來維修費用和停產損失。

（4）從動部分仍采用非直驅的鏈條傳動方式驅動，較直驅傳動能耗高、維修量大。

圖1 FU鏈式輸送機

長期以來，解決這些問題的方法除在設計時將輸送機產量提高一檔或一檔半進行配套選型，以彌補設備性能的不足外，還通過在使用運行中加厚機槽鋼板或在內部加襯板的方法，改善設備耐磨性能。以上兩種方法均未達到滿意的結果。

鑒此，本文擬分析這些問題產生的原因，并提出了一種創新型解決辦法，供大家參考。

3 原因分析

3.1 內壓力和內摩擦力

FU拉鏈機利用散料層中各微粒間存在著的內壓力和內摩擦力輸送物料。當機槽內散料層堆積到一定高度時，就會與正在環繞運行的U形鏈條附件發生接觸。由于散料層在機槽內受到與輸送鏈運動方向同方向力的擠壓作用，使微粒間的內壓力增大，散料層微粒之間的相對運動趨勢產生，從而使微粒間的內摩擦力也相應增大；當增大的內摩擦力大于散料層受到的機槽底和側壁的靜摩擦力時，散料層將沿著U形鏈條運動的方向向前移動；增大的內壓力保證了微粒間的穩定狀態，從而形成了整體的連續流動，實現了輸送的目的。由此可見，內壓力和內摩擦力是影響輸送性能的關鍵因素。據經典力學，散料層中微粒間的內摩擦力公式為：

式中：

μ——相鄰微粒之間的靜摩擦系數

μ1——微粒與U形鏈條附件之間的靜摩擦系數

Ni——相鄰微粒之間內壓力（i=1，2，3…）

Nj——U形鏈條附件對微粒的擠壓力

在一般情況下，內摩擦力會隨外力條件的變化而變化，當散料層微粒之間相對運動趨勢處于臨界狀態時，其內摩擦力既達到極限值。

從式（1）可知：（Ni+Nj）為散料層中各微粒所受的總內壓力。當靜摩擦系數不變時，內摩擦力與總內壓力成正比。

當前FU拉鏈機，因機槽由平面為底的純矩形截面組成，所以當機槽內積聚增加的微粒與輸送方向運動的U形鏈條接觸時，其微粒間總內壓力主要由微粒在機槽內自然堆積而產生的內壓力Ni，以及U形鏈條附件因運動產生的擠壓力Nj組成。這些力的作用及其方向如圖2所示。內壓力Ni不僅與微粒自身的體積、重量、物理性質以及堆積高度有關，還與機槽截面形狀有關；而擠壓力Nj僅與U形鏈條的外部驅動力有關。

由于平底面對于散料層因重力作用而產生的支撐力處處相等，且均垂直于同一底面、方向一致朝上，故在散料層堆積過程中，微粒間的橫向擠壓不會增加；又因兩側壁垂直于平底面，且又與散料層重力方向平行，故除了因阻止散料層堆積引起的邊緣擴散而產生的側壓力外，側壁對微粒的正壓力幾乎為零。微粒在各個方向所受的內壓力Ni差異較大，造成機槽橫斷面方向上因內壓力不足而出現散料層堆積松散的現象。

散料層堆積松散，不僅使微粒之間相互接觸面積減小，即靜摩擦系數減小；還造成內壓力在U型鏈條運動方向上受擠壓力Nj作用，增長相應減小。因而內摩擦力增長受到了嚴重的影響。

為此，內壓力和內摩擦力除了受到純矩形截面形狀機槽的不利影響外，還極易受到散料的顆粒度、硬度、黏度、溫度等物理性質及堆積高度的影響。內壓力和內摩擦力因受以上特性影響而不足，是導致當前該設備輸送速度均勻性和穩定性差的主要原因。

如果能夠通過機槽結構的變化，使相鄰微粒間受到的內壓力Ni趨于均勻合理，則可以彌補內壓力和內摩擦力增長不足的情況。

3.2 滑動摩擦力

圖2 微粒間總內壓力示意圖

FU拉鏈機的機身，既是機架又是輸送散料的載體——機槽，除受到驅動力、重力等外力作用外，還受到一定速度的散料層在機槽接觸表面上產生的滑動摩擦力等內力的作用。在內外力影響下，輸送受到阻礙，機槽底面也受到磨損。隨著磨損加劇，機槽的機械性能不斷減弱，設備性能也不斷降低。此時，如果不加以修補加固，就會影響設備的正常使用。顯然，滑動摩擦力既是產生機槽磨損的主要原因，又是決定機槽壽命的重要因素。

依據經典力學原理，機槽底面磨損度不僅與散料層的運動速度、機槽底面的摩擦系數有關，還與散料層對機槽底的正壓力有關。

式中：

W——機槽抗磨損消耗的功率，W，與其磨損度成正比，抗磨損消耗的功率越大，則磨損度越大、磨損量越嚴重。

V——散料層相對速度，m/s

ζ——散料層與機槽底之間滑動摩擦系數

F——機槽底所受的正壓力，N

式中，F、V兩個參數都是沿著機槽長度和截面發生變化的，其規律隨著不同的機槽截面形狀而差異很大。

由于當前FU拉鏈機的機槽截面形狀為純矩形，所以散料在自然堆積下，其頂面形狀似中間高兩側較低，與水平面形成一個下滑的夾角，當此下滑角小于臨界下滑角時，其堆積的形狀將保持相對不變。根據散料分布情況，F的變化規律是從平底面的對稱中心線向兩側緩慢減小，當到達兩側的直角拐角時，開始急劇增加。

這是由于平底面與側平面相交形成了直角拐角。由于平底面的幾何半徑近似為無窮大，故之上的壓力均勻相等；而直角拐角處的幾何半徑卻為零，即此處近似為點而不是面，故之上的壓力幾乎為無窮大；這種壓力從平底面到直角拐角，發生了從有限到無限的急劇變化，即所謂的邊緣效應。另外，處于側壁與U形鏈條附件之間的散料層，因受側壁邊緣的影響，其運動速度相對減小，易發生部分積料，導致機槽局部的壓力增加。

而在該機槽長度方向上，因U形鏈條每個附件運動狀態基本保持不變，故F的變化不大。同理，V的變化規律與F的變化規律基本相似，變化最大的仍在機槽平底兩側的直角拐角處。F、V沿機槽截面方向的變化如圖3。

圖3 F、V沿截面方向變化示意圖

分析式（2）可知：該機槽截面各點磨損度以槽底中心為標準值，則沿兩側略微減小；到直角拐角處則迅速增加；到側壁后，則迅速降低，直至為零。

據此推定：平底中間的表面磨損度較大，而平底兩側的直角拐角處的表面磨損度最大。

4 一種創新型解決方法

4.1 機槽及輸送鏈條的創新型結構

機槽和輸送鏈條是FU拉鏈機的重要組成部分。該創新型機槽的截面是由上部、中部和下部三種不同的幾何形狀組合而成。上部由兩塊對稱排列的側板、蓋板和中部的頂邊圍成，形似矩形；中部由兩塊對稱排列的斜側板、上部的底邊和下部弧形的弦圍成，形似倒梯形，倒梯形的銳角（90-α）約在65°～85°之間選擇；下部由弧形底板和中部的下底邊圍成，形似弓形，弧形的弦長為機槽的槽寬，槽寬共有270mm、350mm等7種規格組成，而所有弧形的弦高都在100～140mm之間。下部弧形底板與中部斜側板之間的過渡由半徑≯100mm的弧面光滑連接。

因此，該創新型機槽是由弧形為底的多幾何形狀組合截面組成，其外形與結構見圖4所示。

創新型輸送鏈條及其附件由滾子、鏈扳和U-V型組合式葉板附件組成。其中，U-V型組合式葉板附件是由“V”字形和“U”字形兩種字形疊加組成的一種倒梯形鋼結構葉板，其梯形的銳角（90-α）約在60°～80°之間選擇，其外形與結構見圖5所示。

4.2 作用原理

圖4 以弧形為底的多幾何形組合截面機槽示意圖

圖5 U-V型輸送鏈條示意圖

依據經典力學原理，若物體在同一個圓心的弧形面上，則該物體無論位于何處，均受到一個指向圓心的最大支撐力，并與弧形面垂直，即向心效應。當物體受到自重與最大支撐力的合力作用時，就會在弧形面上產生相對運動或運動趨勢，這種運動或運動趨勢將導致相鄰物體之間產生一對相互作用的擠壓力，而這種擠壓力（即內壓力）在水平面上是不會發生的。

由此類推，對于弧形底多幾何形狀組合截面機槽來說，當散料層自然堆積到同一個弧形底面時，散料層中相鄰微粒之間產生的內壓力，除了包括自然堆積下產生的內壓力外，還有向心效應所產生的擠壓力，弧形越大則擠壓力越大。而當散料層繼續堆積到中部倒梯形時，散料層在兩斜側板上受到因自重產生的下滑力的作用，而具有向前運動或運動趨勢時，又會對相鄰微粒產生擠壓力，該擠壓力與斜側板的傾斜角度和料層高度有關。

因此，散料層中微粒間總內壓力不僅包含因自然堆積產生的內壓力、U形輸送鏈條運動產生的擠壓力，還有機槽弧形底因向心效應所產生的擠壓力和斜側板上因斜面作用而產生的擠壓力。這些新增的擠壓力不僅使微粒間所受的不同方向的內壓力趨于均勻合理，而且使機槽底所受的正壓力也相對減小。

機槽橫斷截面方向上的內壓力增強，致使散料層堆積相對緊密。這種緊密的堆積狀態，不僅使微粒間的相互接觸面積增大，即靜摩擦系數增加，而且造成在U形鏈條運動產生的擠壓力的作用下，內壓力增長也相應提高。所以，內摩擦力增長也相應提高。

壓力和內摩擦力增大，從而可以解決當前FU拉鏈機存在的輸送速度不均和失穩的問題。

4.3 F、V沿組合槽截面的變化規律

對于弧形底的多幾何形狀組合截面機槽，當散料層自然堆積到弓形高以下時，其形狀似弓形；當繼續堆積超過弓形后，散料層的形狀卻由弓形和倒梯形兩部分組成。對于形狀似弓形的散料層，因受向心效應的作用，其正壓力F只是本身重力的分力，離弧形中心越遠，其正壓力F越小，當到達弧形兩端部時，其正壓力F為最小；對于形狀似弓形和倒梯形組合的散料層，其正壓力F情況基本相同，但因受斜側板的斜面傾角的作用，其在斜側板上的正壓力F只是本身重力的分力，斜面傾角越大，其正壓力F越小，當傾角趨近90°時，其正壓力F趨近于零。

因此，正壓力F沿組合截面的變化規律是：以機槽圓弧底的對稱中心為標準值，沿兩側以函數級逐漸減小，到兩側的過渡圓弧處，則降低到最小。

由于此處有過渡圓弧的光滑連接，避免了因直角拐角的邊緣效應而發生的突變現象；同時又因機槽斜側壁的斜面作用影響，使斜側壁邊緣的散料層運動速度滯后減小，從而消除了此處因積料而產生的部分局部壓力。

同理，散料層運動速度V沿組合截面變化規律同正壓力F。F、V沿組合截面方向變化如圖6所示。

圖6 F、V沿截面方向變化示意圖

通過式（2）的定性分析可知，該創新型機槽截面上的各點磨損度以機槽圓弧底中心為標準值，向兩側逐漸減小，到兩側端部時則降為最小。

為此推定：圓弧底中間的表面磨損度相對較大，而底部其余部分的表面磨損度明顯減小，過渡圓弧面的表面磨損度最小，這與當前FU拉鏈機機槽的磨損情況完全相反。

5 有益效果

同機槽截面上的輸送速度均勻性好，從而避免散料層在機槽內出現局部的“紊流”和“渦流”現象，使輸送機產量正常穩定。

同機槽截面上的輸送速度穩定性好，外界因素（如散料層溫度、粒度、硬度、比重、厚度等）變化時，抗干擾性強，使輸送機性能穩定和提高。

散料層所受機槽底的摩擦阻力明顯減小，機槽耐磨性增強，尤其兩側的耐磨性更加顯著。因此，拉鏈機使用壽命長、能耗低。

獨特的組合型機槽結構，使機槽抗扭變形和抗彎變形能力增強，尤其抗熱變形能力強。因此，高溫下機槽防熱變形能力好。

機槽受力合理、應力集中少，因而機械性能強，無須加強、加固，鋼材用量少、成本低。

機槽內沒有因直角拐角而帶來的運動節點或死角，因而可以避免機槽出現積料或堵料現象。

獨特的倒梯形結構，使輸送鏈條上的U-V形組合式葉板受力均勻、抗變形能力強。

6 工業性應用

該創新型機槽結構曾作為雙質體單驅動振動輸送機機槽，在水泥生產線上進行塊、粒狀混合水泥熟料的輸送試驗。經兩年的連續運轉后，對機槽底部鋼板厚度進行測定，結果顯示該機槽底部鋼板磨損量只相當于同規格的純矩形截面機槽底部鋼板磨損量的四分之一。即，如果純矩形截面機槽使用壽命為一年，則該創新型機槽的使用壽命為四年。另外，還有輸送性能和輸送產量都得到了提高。

振動輸送機要求其機槽具有更強的耐磨性能、防變形能力和機械強度，否則將難以在復雜的受力條件下實現正常的設備運轉。而FU拉鏈機機槽在某些方面有很多相似的特點。因此推斷：該創新型機槽能夠通過FU拉鏈機工業性應用，實現該機技術性能的優化提升。當然，要完全達到上述理想效果，有待今后進一步的技術開發予以完善。

7 小結

總而言之，通過機槽和輸送鏈條等重要部件的創新開發，實現技術性能的優化升級，對于當前FU拉鏈機，意味著在達到同樣輸送能力的同時，電動機能耗卻比以前節省一級到一級半。同時也意味著提高機槽的抗磨損性，而無須采用增加鋼板厚度或者耐磨襯板的方法。這不僅能夠增加設備的使用壽命、減輕鋼材重量和降低投資成本，而且可以節省設備的維修費用和減少停產損失，社會和經濟效益極其顯著。該創新型組合式機槽已獲得國家發明專利。■

TQ172.687

A

1001-6171（2015）06-0092-04

合肥水泥研究設計院，安徽合肥230051；

2015-03-07；編輯：趙蓮