粉狀危化品計量系統的加料方式

范蘭蘭，張國全，王立宗，祖逸倫，趙險峰

粉狀危化品計量系統的加料方式

范蘭蘭1，張國全1，王立宗2，祖逸倫1，趙險峰1

（1.武漢輕工大學，武漢 430048；2.華中農業大學，武漢 430070）

以粉狀危化品計量系統中的加料方式為研究對象，研究一種流動性差的危化品物料的加料方式。從安全性角度分析現有強制性螺旋加料和振動加料不適合粉狀危化品加料的原因；根據慢加料原理，提出激勵加料方式，構建其工作原理和結構，并通過控制振動源啟停和振動頻率，以及加料門的開合角度來實現快慢均勻加料；采用離散元仿真軟件對慢加料過程進行仿真，分析物料連續均勻下落所需的振動力，得到加料流量與振動頻率、振幅和出料口尺寸的關系。激勵加料方式適合于粉狀危化品加料，能滿足其加料要求。基于上述結論，設計和制造了加料設備，試驗結果表明，該裝置完全滿足計量系統中快慢加料的要求，對同類型的物料加料具有一定的指導意義。

粉狀危化品；計量系統；激勵加料；離散元仿真

近年來，粉狀危化品的應用日益廣泛，對其自動包裝技術的需求也日益迫切。我國自20世紀80年代從國外引進了一批粉狀物料定量填充機以來，目前已能自主研發多種物料的包裝設備，且具有較高的包裝速度和包裝精度[1]。由于粉狀危化品具有易制毒、易燃、易爆、易腐蝕等危害特性[2]，因此對人體、設備及環境都會產生危害。由于此類物料的生產企業大部分依然采用人工方式來完成物料的包裝操作，因此機械自動化程度低，并且存在嚴重的安全隱患。

文中的研究對象為某種粉狀危化品物料，它是一種摩擦因數大、爆速快的危化品。目前，在借鑒國內外先進的包裝技術和包裝理念的基礎上，我國民用爆破器材行業的工業炸藥包裝領域已實現了工業炸藥的全自動包裝生產，以及在線無人操作。例如，廣東振聲包裝技術有限公司研發的MRZ?011型自動包裝生產線[3]，實現了工業乳化炸藥的全自動化包裝。目前，針對粉狀危化品包裝的研究仍未取得較大進展，主要表現：針對粉狀危化品計量中的本安型供料方式缺乏深入研究；新技術的應用還有待進一步提高，我國包裝機械行業大多沿用傳統的包裝工藝和包裝技術，對高新技術缺乏全面、系統的認識[4]。

隨著國家大力發展智能化制造，設備自動化的普及率越來越高，國內相關行業對粉狀危化品的生產自動化需求也越來越迫切。在此背景下，筆者項目組針對粉狀危化品計量系統中的核心技術——加料方式進行研究，提出流動性差的粉狀危化品激勵加料方法，擬對危化品的安全計量設計和應用提供一定的技術借鑒。

1 常見加料裝置的工作原理

常見物料計量的加料裝置被固定在用戶現場料倉下方，其加料過程主要分為快進料和慢進料2個階段，工藝流程如圖1所示。

如圖1所示，在開始加料前，系統需檢測料倉中有無所需的物料量（一般不少于5包的包裝量），以及計量斗門和加料門是否皆已關閉。若計量斗門和加料門為開啟狀態，則等待，直至2門均關閉后才開始加料動作。首先將快加料門打開，當加料量達到設定值1時，快加料門關閉。同時開啟慢加料，直至慢加料到設定值2時慢加料結束，表明計量加料過程結束。

通過上述加料過程可以看出，若要保證加料速度和計量精度，則加量裝置在加料時的加料量需可控，且加料均勻。根據工程經驗，加料均勻度誤差不得大于5%。

2 加料方式

2.1 現有加料方式分析

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成團，造成物料的流動性較差、易吸潮，在料倉中極易形成“結拱”現象[5]。由于危化品物料對沖擊和靜電等的敏感度較高、爆速快，在加料過程中應著重考慮這些因素。

在計量充填系統中，常見物料的加料方式主要有重力自流式和強制式2種[2]。其中，重力自流式加料依靠物料自身重力，通過加料裝置引導物料自由落入計量斗中。對于流動性好的物料一般采用重力自流式加料方式。強制性加料方式分為螺旋推送式和電磁振動式2種，適用于流動性差、易吸潮、易結拱的物料。螺旋式加料[6-7]通過埋在物料內的螺旋軸旋轉，產生軸向推力，將螺旋葉片內的物料強制推入計量斗內，其間易產生摩擦。由于螺旋葉片與螺旋殼體存在間隙（2～4 mm），其內物料不易被清理，所以此方式不適用于粉狀危化品的計量供料。電磁振動式供料[8]通過振動將其上托盤內的物料向前拋送。若粉狀物料采用電磁振動式充填加料，則易引起粉塵飛揚，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制性加料方式，需要研究一種全新的加料方法來實現粉狀危化品的自動計量充填。

圖1 加料工藝流程

2.2 加料方式保證措施

為了滿足粉狀危化品的加料要求，其加料方式需滿足以下3個條件。

1）不易結拱。指能保證物料在料倉和供料裝置內不易形成拱形。

2）快慢加料柔性切換。指加料方式具有快慢加料功能，對計量斗的沖擊小。

3）自流性好。指物料在慢加料過程中能均勻下落。

下面就從這3個方面來說明加料方式的結構設計。

2.3 加料方式滿足條件

2.3.1 破拱結構設計

在此系統中，導致物料可能結拱的區域主要有料倉、加料斗等部位，為此，從料倉和加料斗的結構設計著手，分析消除物料流動性不暢的方法，并采取相應措施。

2.3.2 料倉結構分析與設計

影響物料結拱的因素主要有料倉的結構形狀、物料的物理特性及存儲時間。物料的物理特性包括顆粒大小、顆粒形狀、顆粒間的摩擦角、顆粒與料倉壁的摩擦角及壓實程度等。

基于上述影響因素，在料倉內存放流動性不好的粉狀物料時，將料倉結構設計為對稱式。經過一段時間后，粉狀物料在料倉出料口區域易形成拱形結構[5]，從而出現粉狀物料在加料過程中難以順暢勻速排出的現象。此結拱形式如圖2所示。

圖2 物料在料倉內結拱

國內外許多學者先后對結拱的形成機理進行了研究，其中文獻[9]中提到北京農業工程大學張學雁教授等研究了物料在料倉中的結拱條件，如式（1）所示。

式中：為相關系數，常取為1.2；為物料的密度；為物料層的高度；為出料口長度；為料拱的厚度；為摩擦角；為料倉側壁與鉛垂面的夾角，簡稱傾斜角；為修正系數；q為1/4無側限屈服強度。

由式（1）可以得出，出料口的尺寸越大，料倉側壁的傾斜角度越小，物料則不容易發生結拱現象。文獻[10]提到，為了滿足某種危化品等流動性差的物料能夠自由地落入下料口，料倉口的長度和寬度應大于物料產生“斷料架橋”的結拱極限尺寸（168 mm），料倉側壁與鉛垂面夾角須滿足≤28.9°。

根據上述要求，這里采用垂直面與傾斜面結合的結構形式，設計的加料料倉如圖3所示。在滿足料倉儲存量一定的條件下，傾斜面有2個（圖3a），對應的傾斜角為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中的料倉高度H，以及出料口的尺寸L1和L2。

2.3.3 加料斗組件的設計

為了保證計量的速度和精度要求，在加料過程中一般有快慢加料2個階段。采用快加料方式來保證速度，采用慢加料方式來保證精度。加料斗與固定在其下的弧形門的配合是實現快慢加料的重要關鍵，且加料斗的結構形式對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構如圖4所示。該組件主要由加料斗1、驅動軸2和扇形門3等組成。其中，1和2分別為加料斗上部的長度和寬度；3為加料斗下部的寬度；1為扇形門的旋轉半徑；2為加料斗下部的弧形半徑；為扇形門的開度角；為加料斗底部的弧形角；為扇形門的弧形角；為扇形門與加料口底部的間隙距離；為扇形門驅動軸與加料斗左側的距離；1、2為加料斗上部斜面與鉛垂面的左右夾角。

說明：通過扇形門3的開度的變化來改變加料口的大小，從而實現快慢加料過程。在快加料時將扇形門完全打開，物料從加料斗底部的出料口（長為3，寬為2）排出；在慢加料時，將扇形門關閉到一定程度，物料從扇形門上的小槽缺口（長為2，寬為1）排出。

圖4 加料斗和扇形門的結構參數示意圖

2.3.3.2 加料斗組件結構參數確定

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

說明：式（3）中加料斗兩側板斜邊的傾角1、2須小于，可確保物料在其內不易結拱，易于從加料斗底部的出料口（長為3，寬為2）排出。其次，驅動扇形門擺動的驅動軸安置在離加料斗左側面距離為的位置，可保證驅動軸不通過加料斗內中部位置，這會降低結拱和堵料的風險。式（4）定義了驅動軸2（常取=25 mm）與加料斗最近的側壁之間的距離，此距離的存在可保證兩者之間不存在摩擦。式（5）定義了扇形門內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險。式（6）定義了扇形門的弧度，縱然有間隙的存在，也可確保扇形門關閉后，加料斗內的粉狀物料也不易落入計量斗中（在結構滿足的前提下，扇形門的弧長留有10～15 mm的余量）。

按上述要求設計的加料斗結構，可保證在快加料時粉狀物料均勻地落入其下的計量斗中；在慢加料時，為了保證計量精度，1與2構成的加料區域面積有限，對于流動性差的粉狀物料，可能導致加料失敗。為此，這里采用激勵措施，在加料斗側壁固定1個小型的氣動振動器，通過調整進氣量改變振動頻率，其結構如圖5所示。

圖5 加料斗組件結構示意圖

目前，國內外應用較廣泛的破拱裝置有倉壁安裝振動破拱器、氣力助流破拱器[11]，這里的激勵加料選擇氣動式振動器。將振動器安裝在料倉側壁靠近加料口的位置，根據危化品的加料要求選擇氣動振動器。

2.3.4 快慢加料柔性切換

在快慢加料過程中，為了保證包裝速度，一般快加料量為總料量的95%左右，其加料時間為總時間的1/3左右（通常時間的分配根據充填速度的改變而改變）。大流量物料在短時間內落入計量斗內，易于造成稱重傳感器檢測信號出現超載現象，導致系統未達到設定重量就停止供料。

為了解決物料對計量斗的沖擊問題，在加料時間一定的前提下，通過改變快加料氣缸活塞桿的運動速度，實現扇形門的打開和關閉，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。加料流量與時間的關系如圖6所示。

圖6 流量與時間的關系

0～1時間段為加料門從關閉狀態到勻速打開階段，在單位時間內的加料量為1()，它是隨時間變化的變量。1～2時間段為加料門完全打開狀態階段，在單位時間內的加料量為一定量。2～3時間段為加料門逐漸關閉至慢加料階段，在單位時間內的加料量為2()，也為變量。3～4時間段為慢加料階段，物料從加料門的小槽口排出。整個階段的加料流量表達式見式（7）。

由式（7）可知，此方式能實現連續加料，且緩解了大流量對計量斗的沖擊。

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成的集合體[12]。顆粒是構成粉體的最小單元，在工程上研究粉體，一般研究微觀顆粒。由于粉體物料的運動情況非常復雜，因此用現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，對單一顆粒進行運動分析，再采用迭代法求解，從而得出整個粉體物料的運動情況，因此離散元素法適用于粉體的運動求解問題[13]。

3.1 料倉的力學分析

基于GT?25氣動振動器參數，振動器輸入的振動力為交變的，如圖7所示。振動力的峰值為5 kN，針對振動器處于峰值的工況，對料倉管壁振動情況進行了模態仿真分析，得出振幅峰值為3.5 mm，該峰值出現在/2和時刻（為1個振動周期），如圖8所示。同理，對料倉管壁受到振動力2.1 kN時進行了模態仿真分析，得到的振幅峰值為1.7 mm。

3.2 仿真模型

根據料倉受到振動過程中的應力分布及振動區，在SolidWorks中建立料倉模型，然后導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，料倉中填滿的物料顆粒數達到上千萬個甚至上億個，一般普通計算機的計算能力有限，無法進行有效模擬，故采用顆粒縮放法對物料顆粒的仿真參數進行標定。為了提高仿真結果的準確性，以及盡可能節省計算時間，縮放比例根據相關文獻[14-15]，將物料顆粒放大10倍后進行模擬仿真，得到的物料模型如圖10所示。標定的物料仿真參數：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?物料恢復系數為0.2，靜摩擦因數為0.65，滾動摩擦因數為0.1；物料?不銹鋼恢復系數為0.2，靜摩擦因數為0.72，滾動摩擦因數為0.1；JKR的系數為0.15。

圖7 仿真輸入振動力變化

圖8 料倉受到振動時的應變分析

圖9 料倉模型

圖10 物料顆粒模型

Fig.10 Material particle model

影響激勵加料物料流量的因素有振動頻率、振幅和開口尺寸等3個因素。為了研究這些因素對流量的影響，并盡可能減少試驗次數，采用正交試驗設計，每個因素考慮2個水平（如表1所示），一共進行23組仿真試驗（如表2所示），正交試驗結果分析如表3所示。

表1 因素水平

Tab.1 Factor level

表2 正交試驗

Tab.2 Orthogonal test

3.3 后處理及結果分析

在后處理模塊中提取上述8組仿真試驗加料過程中流量隨時間變化的折線，以及振動器模塊的振動力變化情況，分別如圖11—12所示。增加1組無振動小加料口的仿真試驗E01，其流量時間變化如圖13所示。由流量時間圖可以看出，激勵加料可以實現連續均勻加料，如不加振動，依靠物料自身重力則很難排出，這驗證了粉狀物料在料倉中易結拱、難以加料的情況。由振動力?時間關系圖可知，在慢加料時，物料顆粒所受的振動力最大，為146 N。可見，只要物料顆粒受到的力大于146 N，就能實現穩定、連續、均勻加料。

圖11 流量?時間關系

圖12 振動力?時間關系

圖13 無振動流量–時間關系

表3 正交試驗結果分析

Tab.3 Analysis of orthogonal test results

為極差，極差最大的為C，可見對試驗結果影響最大的因素為開口尺寸，即影響加料流量的主要因素。C＞A＞B，可見各因素從主到次的順序為開口尺寸、振幅、頻率。

4 激勵供料裝置的結構

4.1 激勵供料裝置的模型

激勵供料裝置的三維模型如圖14所示。供料裝置的內壁光滑，無凸起、翹曲。各運動件之間固定牢靠、無相對運動，將快慢氣缸置于驅動密封室內，將加料斗等組件安裝在加料密封室內，則外界的粉塵和空氣不會進入供料裝置內部。在用戶料倉側壁安裝氣動敲擊錘以輔助加料，在最底部的過渡料斗內部安裝導靜電軸，吸收物料在加料過程中產生的靜電，從而保障供料安全。

圖14 激勵供料裝置三維模型

4.2 現場試驗及結論

為了進一步驗證該激勵加料方式能夠實現危化品安全穩定的加料及加料量的穩定性，需要進行現場試驗驗證（如圖15所示），測量在一定加料時間內的加料量。受到測試條件的限制，此次試驗選用的物料為與實際危化品物理性質較為相似的粉料，以測試慢進料過程的加料量。此外，準備1個量程為50 kg、精度為0.1%的電子秤。

圖15 現場試驗

根據仿真結果可知，料倉內的物料充足，并在氣動振動器的作用下，慢下料口的尺寸為50 mm×10 mm，以慢進料階段10 s內的理論加料量為4.2 kg為評判標準，計算其供料的均勻性。測試步驟如下。

1）保持料倉內壁清潔光滑，不加料啟動振動器10 min，觀察組件的運轉情況。

2）關閉振動器，向料倉內加物料，待物料填滿料倉時壓實物料。

3）啟動振動器并開始計時，每10 s后暫停振動器，測試加料的質量，每組測試15次。

4）統計數據，去掉第1組和最后1組，隨機抽取5組數據記錄，并整理現場。

根據表4可知，加料均勻度誤差率均在5%以內，說明此激勵加料方式符合加料要求。此外，為了驗證振動器選型符合加料要求，現場試驗增加了1組GT?20氣動振動器加料試驗，試驗數據如表5所示。

表4 GT?25慢進料運行測試情況記錄

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

表5 GT?20慢進料運行測試情況記錄

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

根據表5可知，加料均勻度誤差率均超過5%，說明GT?20氣動振動器提供的振動力不夠，其加料量達不到要求。

5 結語

針對粉狀危化品的物理和化學性質，提出了一種激勵連續變速供料方案，設計了一種加料斗與扇形門配合的方法實現快慢加料的加料結構，并通過在加料斗側壁固定1個小型氣動振動器，以解決慢下料時不易出料的問題。此加料結構完全滿足粉狀危化品計量系統中快慢加料的要求，該技術對同類型物料的包裝生產具有重大意義，并已在相關領域得到應用。

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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，實驗員，主要研究方向為自動化包裝機械設計。

責任編輯：彭颋