氣流擾動吸糧機關(guān)鍵部件的設(shè)計與分析

王繼煥 劉啟覺

(1. 武漢華夏理工學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430223；2. 武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

氣流擾動吸糧機關(guān)鍵部件的設(shè)計與分析

王繼煥1劉啟覺2

(1. 武漢華夏理工學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430223；2. 武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

針對吸糧機普遍存在的能耗較高、產(chǎn)量波動較大和吸糧嘴進料量不穩(wěn)定的實際狀況，分析氣流擾動機理，利用吸糧機正壓回風(fēng)為擾動氣源，設(shè)計氣流擾動吸糧嘴，可以增大吸糧口糧食與氣流的混合，有利于能量傳遞與轉(zhuǎn)換，有利于糧食進入系統(tǒng)。利用大彎頭分離器，具有防碰撞、防破碎、除塵等“一風(fēng)多用”的優(yōu)點，節(jié)能減損。研究表明：當(dāng)擾動氣流量設(shè)定為風(fēng)機風(fēng)量的11%～13%、擾動氣流速度為16～18 m/s時，吸糧機的產(chǎn)量及風(fēng)機的效率最高。

吸糧機；氣流擾動；吸糧嘴；兩相流；濃度

Abstract： According to the actual situation of higher energy consumption, as well as the greater fluctuations of yield and unstable feed quantity of suction nozzle in pneumatic conveying, the mechanism of airflow disturbance was analyzed. The grain suction nozzle of airflow disturbance was designed by using return air of positive pressure of pneumatic conveying as disturbed gas source, which could increase mixture between grain and airflow of grain inlet, by helping grain entering system and energy transmitting as well as converting. The use of separator of large curvature elbow had advantages of one wind multipurpose, including anti-collision, anti-broken, dust removal, energy saving and loss reduction. Results showed that the output of pneumatic conveying and efficiency of fan were the highest when the disturbed gas flow was 11%～13% of fan air volume, with the velocity of airflow disturbance at 16～18 m/s.

Keywords： pneumatic conveying; airflow disturbance; grain suction nozzle; two-phase flow; concentration

吸糧機是利用風(fēng)機產(chǎn)生的具有一定壓力和速度的氣流，通過管道輸送小麥、玉米等散狀糧食的輸送機械[1-2]。隨著糧食加工廠、糧食倉儲規(guī)模的日益擴大，吸糧機在裝卸強度大的糧庫、車站、碼頭得到了快速的發(fā)展，從而使得糧食的“四散”(散裝、散運、散存和散卸)技術(shù)得到普遍應(yīng)用。吸糧機的性能與風(fēng)機、吸嘴、輸送距離、旋風(fēng)分離器、底部供料器以及卸料器等設(shè)備有關(guān)[3-5]。如何提高吸糧機工作穩(wěn)定性、提高吸糧機的產(chǎn)量、降低能耗以及物料破碎率，一直是糧食科技工作者研究的課題。王蓉等[6]通過對國內(nèi)外移動式吸糧機的測試、對比，為機型選定、推廣應(yīng)用提供參考；吳建章等[7-8]研究了內(nèi)外筒面積比、內(nèi)外筒端面距離和輸送風(fēng)速等因素對雙筒型吸嘴性能的影響，探求了提高吸糧機輸送產(chǎn)量的較佳工作參數(shù)，并對吸糧機中葉輪式閉風(fēng)器的氣密性進行了研究；劉秀芳[9]對吸糧機裝置中的單筒型吸嘴進行了試驗研究，得到輸送產(chǎn)量最高時的吸嘴端口距料堆的距離；為了獲得吸糧機較高的輸送效率，張貝貝等[10]對輸送管道的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化；丁問司等[11]則利用FLUENT6.3對大噸位吸糧機(150 t/h)采用的KJLN07型三級離心風(fēng)機內(nèi)部流動進行了全三維整機可壓縮數(shù)值計算，為多級離心風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計提供參考。此外，物料性質(zhì)以及吸糧機系統(tǒng)的工作參數(shù)均對吸糧機產(chǎn)量具有顯著的影響，多名學(xué)者[12-15]對此進行了研究。但到目前為止，尚未見應(yīng)用氣流擾動技術(shù)設(shè)計吸糧機系統(tǒng)的相關(guān)報道。

本文針對吸糧機廣泛存在的能耗較高、產(chǎn)量波動較大的實際狀況，特別是吸糧嘴的喂料量受吸料點的糧堆形狀、埋深及操作條件影響較大，導(dǎo)致吸糧機的瞬時濃度變化較大易產(chǎn)生糧食破碎和能量浪費等問題，研究設(shè)計氣流擾動吸糧機關(guān)鍵部件，分析氣流擾動吸糧嘴工作特性，探索減小吸糧嘴瞬時濃度變化幅度、降低吸糧機糧食損傷率的方法。

1 氣流擾動吸糧機的工作原理與工藝特點

氣流擾動吸糧機主要由氣流擾動吸糧嘴、可伸縮輸糧管、大彎頭分離器、關(guān)風(fēng)器、風(fēng)機、排風(fēng)管、回風(fēng)軟管及控制系統(tǒng)等組成(見圖1)。該吸糧機安裝在可移動的行走平臺上，通過可伸縮輸糧管，將氣流擾動吸糧嘴插入糧堆中，還可調(diào)節(jié)氣流擾動吸糧嘴插入糧堆的深度和位置。

當(dāng)吸糧嘴插入糧堆時，在風(fēng)機負壓的作用下，糧食經(jīng)吸糧嘴吸入。在吸糧嘴中，空氣與糧食混合，進行能量傳遞。糧食從氣流中獲得能量，并在吸糧嘴內(nèi)筒作加速運動[16]。由于管道橫斷面面積逐漸擴大，氣流速度逐漸降低，糧食的速度與氣流速度最終趨于一致。當(dāng)氣流與糧食從可伸縮輸糧管進入大彎頭分離器進口后，管道斷面面積進一步擴大，氣流速度進一步降低，失去攜帶糧食的能力。糧食在大彎頭分離器環(huán)形通道內(nèi)作減速運動。當(dāng)糧食通過大彎頭分離器頂點后，在重力作用下，降落到淌料板上，向下流動，在慣性和重力的共同作用下，落入大彎頭分離器的集糧斗，然后從關(guān)風(fēng)器中排出，裝入車、船或其它運輸機械中?？諝饽艽┩赶侣涞募Z流，將粉塵、輕雜物攜帶至集塵箱?？諝饨?jīng)引風(fēng)管被吸入通風(fēng)機內(nèi)，然后經(jīng)排風(fēng)管排入大氣中。風(fēng)機是吸糧機的動力，具有制造成本低、使用和維護方便、對被輸送氣體的要求不嚴(yán)格的特點。與高真空吸糧機相比，無需空氣過濾器，因而消耗動力較小。

1. 離心通風(fēng)機 2. 排風(fēng)管 3. 關(guān)風(fēng)器 4. 大彎頭分離器 5. 可伸縮輸糧管 6. 氣流擾動吸糧嘴 7. 回風(fēng)軟管 8. 回風(fēng)調(diào)節(jié)閥

圖1 氣流擾動吸糧機工作原理示意圖

Figure 1 Schematic drawing for working principle of pneumatic conveying of airflow disturbance

2 氣流擾動吸糧機的關(guān)鍵部件設(shè)計與工藝特性

2.1 氣流擾動吸糧嘴的設(shè)計

吸糧嘴即吸糧機的供料裝置,是吸糧機的關(guān)鍵部件之一，它的主要作用是使糧食與空氣混合，使糧食從氣流中獲得能量，并產(chǎn)生加速度?？諝馀c糧食的混合越均勻，則能量轉(zhuǎn)換效率越高，糧食越容易被吸入吸糧機中。吸嘴的性能與吸糧機的輸送產(chǎn)量、性能的穩(wěn)定性及能耗的高低密切相關(guān)。

傳統(tǒng)雙筒吸糧嘴見圖2。當(dāng)雙筒吸糧嘴插入糧堆3中，在吸糧嘴的附近有一個吸糧區(qū)6。輸送糧食的空氣由糧堆負壓氣流4和補充氣流5組成。吸糧區(qū)底部呈現(xiàn)鍋底狀，中心部分最深。吸糧機工作時，在風(fēng)機的作用下，吸糧嘴內(nèi)筒形成較大負壓，并在吸糧嘴附近形成負壓吸糧區(qū)6。由質(zhì)量守恒和能量守恒理論[17]：

Q=Q1+Q2，

(1)

1. 內(nèi)筒 2.外筒 3.糧堆 4. 糧堆負壓氣流 5. 補充氣流 6. 吸糧區(qū)

圖2 傳統(tǒng)雙筒吸糧嘴工作原理示意圖

Figure 2 Schematic drawing for working principle of traditional grain suction nozzle of double cylinder

式中：

Q——吸糧機輸送糧食空氣流量，m3/h；

Q1——糧堆負壓氣流，m3/h；

Q2——外部空氣經(jīng)內(nèi)外筒環(huán)形空間的補充氣流，m3/h。

由理論分析和試驗測試知：Q1占Q的50%～90%；Q2占Q的10%～50%。

當(dāng)Q1增大時，吸糧嘴的阻力增大較快，吸糧機的總風(fēng)量減小，將使吸糧機的產(chǎn)量降低；而當(dāng)Q2增加時，吸糧嘴的阻力會降低，吸糧機的總風(fēng)量增加，但吸糧機輸送糧食的濃度會降低，亦將影響吸糧機的產(chǎn)量。所以，吸糧區(qū)的Q1和Q2相互影響，不斷變化。通過調(diào)節(jié)外筒的位置H值和吸糧嘴插入糧堆的深度，可以調(diào)節(jié)Q1和Q2之間的比例。但在線調(diào)節(jié)技術(shù)受糧堆狀況、操作場地、操作技術(shù)、調(diào)節(jié)頻率等因素的影響較大，使吸糧機的產(chǎn)量和吸糧濃度波動較大，產(chǎn)生糧食破損和能量損耗。在兩相流阻力計算中，常將阻力表述為：

P=P氣+P糧，

(2)

式中：

P——吸糧嘴的總阻力，Pa；

P氣——空氣進入吸糧嘴的阻力，Pa；

P糧——糧食進入吸糧嘴的阻力，Pa。

吸糧嘴工作時的總阻力為空氣進入吸糧嘴的阻力P氣與糧食進入吸糧嘴的阻力P糧之和。糧堆內(nèi)的空氣在進入吸糧嘴的過程中，穿過糧粒之間的空隙，需克服糧層的阻力，并將一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯乃俣龋@兩部分能量損耗之和即為P氣。同時，糧食在進入吸糧嘴的過程中，將克服糧粒間的摩擦、碰撞、擠壓等阻力，并將一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧Z粒的速度，這兩部分能量損失之和即為P糧。

如圖3所示，當(dāng)氣流擾動吸糧嘴工作時，應(yīng)滿足以下關(guān)系：

Q=Q1+Q3，

(3)

P=P氣+P糧-P噴，

(4)

1. 內(nèi)筒 2. 外筒 3. 導(dǎo)糧錐 4. 噴風(fēng)嘴 5. 糧堆負壓氣流 6. 吸糧區(qū) 7. 糧堆 8. 擾動氣流 9. 回風(fēng)軟管接口

圖3 氣流擾動吸糧嘴工作原理示意圖

Figure 3 Schematic drawing for working principle of grain suction nozzle of airflow disturbance

式中：

Q3——各噴風(fēng)嘴噴風(fēng)氣流之和(占Q的5%～20%)，m3/h 。

P噴——各噴風(fēng)嘴噴風(fēng)氣流動能之和，Pa。

比較式(1)、(3)可知：增大Q1的波動范圍，將導(dǎo)致吸糧嘴內(nèi)兩相流濃度波動較大。同時，當(dāng)濃度過小時，糧粒的速度增大，易產(chǎn)生破損；當(dāng)濃度增加較快時，吸糧機阻力增加較快，導(dǎo)致風(fēng)機的風(fēng)量快速降低，造成吸糧機工作不穩(wěn)定。

比較式(2)、(4)可知：傳統(tǒng)吸糧嘴的阻力為空氣與糧食進入吸糧嘴的阻力之和。由圖2可知：從糧堆的糧食顆粒間隙中進入吸糧嘴的空氣從吸糧區(qū)的邊緣朝吸糧嘴流動，而外部空氣經(jīng)內(nèi)外筒之間的環(huán)形空間補入吸糧嘴。兩股氣流有較明顯的分界面，不利于糧粒與空氣的混合，不利于能量傳遞與轉(zhuǎn)換。而圖3所示的氣流擾動吸糧嘴，輸入了經(jīng)回風(fēng)軟管補入的正壓噴風(fēng)P噴，P噴能量的大小，由風(fēng)機與回風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)。同時，從噴風(fēng)嘴噴入的氣流沖擊吸糧區(qū)的邊緣，并對吸糧區(qū)邊緣的糧食產(chǎn)生擾動作用，有利于糧粒與空氣的混合，有利于能量傳遞與轉(zhuǎn)換，有利于兩相流濃度穩(wěn)定及吸糧機阻力平衡穩(wěn)定產(chǎn)量。另外，圖2的吸糧區(qū)中部為一拋物面，深度較大；而圖3的吸糧區(qū)中部接近于平面，氣流從吸糧嘴邊緣的環(huán)形通道進入，能量較集中，有利于吸糧嘴邊緣的糧食進入吸糧機。

由上述分析知：雙筒吸糧嘴從大氣中補入氣流Q2，因大氣與吸糧嘴之間的壓力差較小，外筒與內(nèi)筒之間環(huán)形風(fēng)口處的補風(fēng)氣流速度不高，補風(fēng)氣流Q2一般位于糧堆負壓氣流Q1的上部，并從補風(fēng)口沿內(nèi)筒邊緣進入吸糧嘴。而氣流擾動吸糧嘴利用吸糧機所配置風(fēng)機出風(fēng)口的高壓氣流作為擾動氣流Q3。在外筒環(huán)形底部設(shè)置有多個噴風(fēng)嘴，各噴風(fēng)嘴風(fēng)量之和為Q3，故擾動氣流Q3的壓力比大氣壓力大很多，從噴風(fēng)嘴噴出氣流的風(fēng)速為14～20 m/s，具有較高的動能，可穿透糧堆負壓氣流Q1，對吸糧區(qū)邊緣糧食產(chǎn)生擾動。由實踐經(jīng)驗知：當(dāng)吸糧區(qū)邊緣糧粒與糧堆負壓氣流Q1產(chǎn)生的吸力平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)時，只需很小的外力擾動，就能將糧粒由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)。所以，利用擾動氣流對吸糧區(qū)糧食擾動的吸糧嘴稱為氣流擾動吸糧嘴。通過調(diào)節(jié)Q3的大小，可以調(diào)節(jié)噴風(fēng)嘴氣流的速度，從而調(diào)節(jié)擾動力的大小，實現(xiàn)吸糧機產(chǎn)量的調(diào)節(jié)。另外，Q3比Q1小很多，對吸糧嘴附近空氣與糧食的兩相流流場的擾動不大，有利于吸糧機濃度穩(wěn)定，有利于吸糧機產(chǎn)量與工作穩(wěn)定。

2.2 大彎頭分離器的設(shè)計

大彎頭分離器見圖4，料氣兩相流經(jīng)伸縮管進入分離器。環(huán)形通道的曲率半徑較大，糧食在環(huán)形通道中運動時，與邊壁發(fā)生斜碰撞，碰撞力較小。另外，環(huán)形通道的斷面積逐漸增大，則兩相流速度逐漸減小，并將氣流的速度控制在8～10 m/s，有效地減小了碰撞力。在大彎頭分離器中，設(shè)計有一曲面淌料板，當(dāng)兩相流經(jīng)過分離器最高點后，兩相流的速度進一步降低，糧食沿淌料板向下流動，糧食在淌料板上的運動速度很小，糧粒間的碰撞、糧粒與淌料板間的碰撞均很小。所以，糧流的阻力小，噪音低。氣流的慣性比糧食的慣性小得多，較容易改變方向。所以，氣流從淌板的上部折轉(zhuǎn)，穿透下落的糧流，并帶走糧流中的雜質(zhì)和灰塵。集塵室的斷面呈U型，中間設(shè)計有一隔板。氣流帶著雜質(zhì)和粉塵進入集塵室后，先向下運動，隨后轉(zhuǎn)180°，向上進入排風(fēng)口，氣流中的雜質(zhì)和粗塵粒在重力和離心力的作用下，落入集塵室底部而被分離。所以，大彎頭分離器具有分離糧食、除塵等多項功能，且阻力小，糧食破碎少，噪音較低，可廣泛用于粒狀物料的分離。

1. 關(guān)風(fēng)器 2. 集料斗 3. 淌料板 4. 環(huán)形通道 5. 料氣進口 6. 排風(fēng)口 7. 集塵器

3 性能測試與結(jié)果分析

3.1 吸糧機性能試驗與測試

在福建沿海碼頭，分別采用雙筒吸嘴式吸糧機和氣流擾動式吸糧機進行小麥卸船對比試驗，其升運高度為20 m，測試結(jié)果見表1。

調(diào)節(jié)雙筒吸糧嘴外筒下端部補風(fēng)口與內(nèi)筒下端部進風(fēng)口之間的高度H，可以調(diào)節(jié)大氣補入吸嘴空氣的阻力。當(dāng)H值增大時，外筒補風(fēng)口與內(nèi)筒進風(fēng)口之間的糧層增厚，阻力增大，補風(fēng)量減?。环粗枇p小，補風(fēng)量增大；當(dāng)H為負值時，補風(fēng)進入吸嘴的阻力近似為零。

表1 雙筒吸嘴式吸糧機與氣流擾動式吸糧機的主要性能參數(shù)比較

氣流擾動吸糧嘴是在雙筒吸糧嘴的基礎(chǔ)上，將雙筒吸糧嘴外筒的上、下端封閉，并在外筒下端設(shè)置多個噴風(fēng)嘴，利用回風(fēng)軟管，將風(fēng)機出風(fēng)口的高壓氣流引回位于外筒上的回風(fēng)軟管接口，使高壓氣流經(jīng)噴風(fēng)嘴噴入氣流擾動吸糧嘴的吸糧區(qū)，對吸糧區(qū)四周和吸糧區(qū)底部的糧食產(chǎn)生擾動，調(diào)節(jié)擾動氣流的流量，可以調(diào)節(jié)吸糧機的產(chǎn)量。

3.2 結(jié)果分析

雙筒吸糧嘴的補風(fēng)氣流是大氣經(jīng)外筒與內(nèi)筒之間的環(huán)形空間吸入，在吸糧區(qū)與糧堆氣流混合，再與吸糧區(qū)的糧食產(chǎn)生能量傳遞，使吸糧區(qū)內(nèi)的某些糧食顆粒產(chǎn)生加速度，并隨氣流一起進入吸糧嘴。外筒與內(nèi)筒之間的補風(fēng)口與內(nèi)筒吸風(fēng)口之間的糧層平均厚度為H。當(dāng)H值較大時，補風(fēng)氣流穿透糧層的阻力較大，補入的空氣量減少；反之，補入的空氣量增加。由表1可知：H值不宜過小或過大。當(dāng)H值過小時，糧層對補風(fēng)氣流的阻力過小，使補入的空氣直接進入內(nèi)筒吸風(fēng)口，未充分與來自糧堆的負壓氣流混合，未能攜帶糧食進入吸糧嘴，從而使吸糧機的產(chǎn)量下降。當(dāng)H值過大時，糧層對補風(fēng)氣流的阻力過大，從大氣補入的空氣量過小，使吸糧機的吸風(fēng)量偏小，產(chǎn)量下降。另外，雙筒吸嘴吸糧機工作時，由于糧堆形狀和H值均不斷變化，使吸糧機兩相流的濃度值波動范圍增大，當(dāng)濃度值變小時，吸糧機的阻力減小，風(fēng)量增大，糧食在吸糧機內(nèi)的速度增大，易產(chǎn)生糧粒損傷與噪聲；當(dāng)濃度值增加速度過快時，吸糧機的阻力會急劇增加，導(dǎo)致吸糧機工作不穩(wěn)定。

氣流擾動吸糧嘴的補風(fēng)氣流是來自吸糧機的高壓風(fēng)機，具有較高的壓力，可使經(jīng)噴風(fēng)嘴噴出的補風(fēng)氣流速度達到14～20 m/s，可以對吸糧區(qū)四周和吸糧區(qū)底部的糧食產(chǎn)生擾動作用。擾動氣流對糧食顆粒的擾動作用，是吸糧機高壓風(fēng)機對吸糧區(qū)糧食顆粒施加的外力，有助于氣流與糧粒之間的能量傳遞、糧粒加速、糧食穩(wěn)定進入吸糧嘴，提高吸糧機產(chǎn)量。而擾動氣流量的大小，可以通過吸糧機的回風(fēng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，有利于現(xiàn)場調(diào)節(jié)和實現(xiàn)智能控制。由表1可知：當(dāng)擾動氣流流量在風(fēng)機流量的11%～13%時，吸糧機產(chǎn)量最大。由噴嘴數(shù)量和噴嘴有效面積可知：當(dāng)擾動氣流速度在16～18 m/s時，吸嘴的工作效果最好。

由表1還可知：雙筒吸糧嘴通過調(diào)節(jié)H值的大小來調(diào)節(jié)吸糧機的產(chǎn)量。而H值的變化與工作現(xiàn)場和糧堆狀況密切相關(guān)，使現(xiàn)場操控難度增大，且濃度波動范圍較大，吸糧機的工作狀況的穩(wěn)定性不夠好，易產(chǎn)生糧食損傷、碰撞及噪聲。采用控制擾動氣流流量的方法調(diào)節(jié)吸糧機的產(chǎn)量，便于現(xiàn)場操作，技術(shù)和控制條件均較成熟，且濃度波動范圍較小，吸糧機的工作狀況較穩(wěn)定，有利于提高吸糧機產(chǎn)量和減少糧食損傷。

4 結(jié)論

(1) 利用回風(fēng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)吸糧機高壓風(fēng)機的回風(fēng)量，可以調(diào)節(jié)吸糧機的產(chǎn)量。當(dāng)擾動氣流量在風(fēng)機風(fēng)量的11%～13%時，吸糧機的產(chǎn)量最高，且風(fēng)機的效率最高。

(2) 調(diào)節(jié)擾動氣流量來調(diào)節(jié)吸糧機工作狀況的方法有利于現(xiàn)場操作，且相關(guān)技術(shù)和控制條件較成熟，有利于吸糧機的推廣應(yīng)用。當(dāng)擾動氣流速度在16～18 m/s時，吸糧機產(chǎn)量及風(fēng)機效率最高。

采用氣流擾動技術(shù)和氣流擾動吸糧嘴，有利于吸糧機提高產(chǎn)量、穩(wěn)定工作，并具有節(jié)能、減少糧食損傷的優(yōu)點。

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Design and analysis for key parts of pneumatic conveying of airflow disturbance

WANG Ji-huan1LIUQi-jue2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanHuaxiaUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430223,China; 2.SchoolofFoodScienceandEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan,Hubei430023,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.020

國家重點科技成果轉(zhuǎn)化項目(編號：2012258)

王繼煥(1956—)，女，武漢華夏理工學(xué)院教授，碩士。 E-mail:362426977@qq.com

2017—04—05