气流粉碎系统的低速高精度刮板式给料器设计_刘雨嘉.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-11 基金项目:国家科技重大专项项目（2011ZX06901-003）作者简介:刘雨嘉（1994），男，北京，博士，主要研究方向为球床颗粒流动，L。通信作者:桂南（1982），男，浙江富阳，博士，副教授，主要研究方向为球床堆，。引文格式:刘雨嘉，宫厚军，吴达岭，等.气流粉碎系统的低速高精度刮板式给料器设计J.实验技术与管理,2023,40(2):121-126.Cite this article:LIU Y J,GONG H J,WU D L,et al.Design of low-speed and high-precision scraper feeder for jet mill systemJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):121-126.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.020 仪器设备研制 气流粉碎系统的低速高精度刮板式给料器设计 刘雨嘉1，宫厚军2，吴达岭3，彭思凡1，桂 南1，杨星团1，姜胜耀1(1.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 10008；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213；3.浙江省应急管理科学研究院，浙江 杭州 310027)摘 要：针对现有给料器在低运量下精度受限的问题，依托气流粉碎系统，基于颗粒运动受力分析和刮板迷宫结构几何构造，设计开发了低速高精度刮板式给料器。该给料器的刮板型线设计为阿基米德螺线，确保了颗粒在刮板各处的均匀受力，解决了直线刮板的质量流率不均匀问题。以 150 m 粒径的石墨颗粒为研究对象，开展不同刮板高度和转速下的给料器性能测试，结果表明该刮板式给料器在 160 g/h 给料范围内具有良好的精度和给料线性度，给料性能满足气流粉碎系统的需求，具有较高的实用性。关键词：气流粉碎系统；刮板；给料器；低速高精度；型线 中图分类号：TQ11 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0121-06 Design of low-speed and high-precision scraper feeder for jet mill system LIU Yujia1,GONG Houjun2,WU Daling3,PENG Sifan1,GUI Nan1,YANG Xingtuan1,JIANG Shengyao1(1.Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 102413,China;2.Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610213,China;3.Zhejiang Academy of Emergency Management Science and Technology,Hangzhou 310027,China)Abstract:Based on the analysis of particle motion and the geometric structure of scraper structure,a low-speed and high-precision scraper feeder applied to the jet mill system is developed to solve the problem of the accuracy limitation of the existing feeder under low feeding volume.The scraper profile of the feeder is designed as Archimedes spiral,which realizes the uniform force of particles throughout the scraper and solves the problem of uneven mass flow rate of linear scraper.By selecting a particle size of 150 m graphite particles as the research object,the feeder performance tests are carried out under different scraper heights and rotating speeds.The results show that the scraper feeder has good accuracy and feeding linearity in the feeding range of 160 g/h,and the feeding performance meets the needs of the jet mill system,which has high practicability.Key words:jet mill system;scraper;feeder;low-speed and high-precision;profile 颗粒物料在工业生产过程中不仅以生产原料的形式出现，也常作为细化后的加工产品存在，颗粒的运动过程既具备固体的离散特性，同时也兼具了液体的流动特性，因此需要研究设计颗粒在工业运输和储存上的相关装置1。为了实现定量可控，给料器装置被广泛应用于生产流水线上，目前常见的颗粒给料装置可以分为螺旋式给料器2、刮板式给料器3和电磁振动式给料器4。122 实 验 技 术 与 管 理 随着我国工业化进程从高速度转向高质量发展，与颗粒加工相关的产业越加重视粒径更细的颗粒在生产和物料运输的精度把控，如在粉末冶金5、精细陶瓷6、制药7、喷涂8等行业中常需要微量供送（供送速度小于 5 g/min）细粉9。颗粒的比表面积会随着粒径的减小而增大10-11，其流动性也会随着颗粒间的粘附性增强而减弱12-14，因此具有复杂管内结构和较长输运距离的螺旋式给料器容易出现内部堵塞问题15-16。对于电磁振动式给料器，受限于功能部件相对位置难以精确调整，从而导致在运量较小时给料精度同样难以控制17。目前刮板式给料器在大运量、低精度的工业生产环节中已经得到了广泛的应用：文献18针对煤炭原料运输研制了一种大运量链式刮板给料机；文献19针对戈壁集料易板结、下料不均匀或堵塞下料口等问题，设计了一款刮板式给料机，节约了大量人工费用和电能。然而，现有的工程应用和研究设计多针对粗粒和粗粉（2001000 m 粒径），而对于细粉（20200 m 粒径）和微粉（320 m 粒径）的低速高精度刮板式给料器却少有相关研究20。因此，开展相关的刮板式给料器研究设计和性能测试是十分有必要的，同时，研究结果也可以为相关领域的高精度生产系统开发提供有效的数据和理论技术支持。1 给料器设计 1.1 应用背景 对喷式气流粉碎系统如图 1 所示。空气经空压机压缩进入储罐内稳压，然后经过冷干机除水和三级高效精密过滤器除油除杂后，得到干燥洁净的背压气源。背压气源经分流器后分为两路，两路气体均经过拉瓦 注：1-空压机；2-储罐；3-冷干机；4-三级高效精密过滤器；5-分流器；6-给料器及喷嘴；7-粉碎腔；8-旋风分离器；9-粉尘过滤器。图 1 对喷式气流粉碎机系统示意图 尔喷管形成超音速气流，两路气体流量通过多级闸阀和球阀保持平衡状态。物料颗粒粗料经由两路气体尾管上方的自制刮板给料器输料后，以恒定流率进入喷管尾部直管加速段，被超音速气流加速后对撞，从而实现粗料的粉碎。粉碎后的颗粒经旋风分离器进行一次粗分，细颗粒在二次气流的带动下进入粉尘过滤器中，通过筛网进行细分。当颗粒浓度过高时，颗粒在超音速气流中的携带速度会大大降低，导致对撞破碎率显著下降，同时出于改进优化系统设计的考虑，较低颗粒浓度的气流有利于高速相机拍捕捉粉碎腔内的气流流场和颗粒碰撞破碎过程。因此需要设计相应的低速给料器，使之既能满足稀疏相气流的高速摄像，同时又能适用于工业生产的最佳颗粒破碎效率范围。该气流粉碎系统主要针对的粉碎物料为石墨颗粒。根据以往的研究和工业化系统产品的相关数据，石墨颗粒的给料速度范围在 13000 g/h，由于较大给料速度的给料器在工业生产上已经很常见，因此本研究的目的是开发一种低速高精度的刮板式给料器，其给料速度范围在 160 g/h。1.2 关键部件设计 1.2.1 整体框架 给料器结构如图 2 所示，分为传动部件、密封部件和刮板部件三个部分。其中，传动部件保证了给料器转轴与步进电机之间的衔接；密封部件保证了给料器内部形成密闭空间，与喷嘴连接处等压，避免颗粒被反吹；刮板部件保证了料仓内颗粒的流动顺畅和出口处颗粒的均匀给料。图 2 给料器结构示意图 刘雨嘉，等：气流粉碎系统的低速高精度刮板式给料器设计 123 1.2.2 传动部件 传动部件由联轴器、轴承和转轴三部分组成，其实物图如图 3 所示。其中转轴通过联轴器与步进电机相连，联轴器除了消除给料器转轴与电机轴轴向偏移外，还起到了缓振的作用。轴承座上下两个滚珠轴承可保证转轴和圆柱体料仓的同轴度，同时，两个轴承还为转轴的转动减小了滑动阻力。转轴的下端车有右旋螺纹，与刮板上端的螺孔相配合，在顺时针转动给料时能够起到自锁的作用。(a)转轴 (b)联轴器 (c)轴承、轴承座 图 3 传动部件实物图 1.2.3 密封部件 密封部件主要用于料仓的上下端口以及给料进口处，其实物如图 4 所示。所有密封部件与钢结构料仓均使用 55管螺纹连接，为了方便逐次加注物料和拆卸，密封件使用了润滑性能较好的聚四氟乙烯材料。在结构强度上，密封件最薄处壁厚为 4 mm，可保证下方喷管在运行压力的工况下不会发生破损断裂。(a)下端封口 (b)进料封口 (c)上端封口 图 4 密封部件实物图 1.2.4 刮板部件 刮板部件是给料器中最重要的部分，决定了给料速度的下限和给料速度的均匀性。本研究使用的刮板部件结构如图 5 所示，刮板整体分为上下两个部分。刮板部件的上半部分为边缘带有缺口的圆台，其顶端通过螺纹结构与转轴相连，料仓内的颗粒通过刮板边缘的下料缺口进入刮板下半部分的空间。下料缺口是一个圆柱体与刮板圆台相贯形成的结构，有两方面的作用：一是下料缺口限制了颗粒的流动速度，保 (a)刮板部件上半部分 (b)刮板部件下半部分 图 5 刮板实物图 证了颗粒在刮板部件上下流动的均匀性；二是由于刮板部件与料仓壁面存在相对运动，因此位于近壁面处的下料缺口不会发生颗粒搭桥堵塞现象，保证了给料的连续性。刮板部件的下半部分是具有型线结构的刮板。圆台的下表面、刮板和料仓下端密封件的上表面，构成了一个具有迷宫结构的空间，当颗粒从下料缺口进入刮板所在的空间后，旋转的刮板会挤压推动颗粒向中心流动，最后颗粒从下端密封件中心的变径口掉落，实现对喷管的给料过程。传统的给料器一般分为栅格和刮板两种形式。栅格式给料器可以实现固定体积给料，但栅格与栅格之间存在明显的间歇，在低速给料的情况下会有显著的脉冲波动现象。刮板式给料器可以实现连续给料，其原理是通过控制刮板和物料的接触厚度来控制给料精度，通过控制传动速度来控制给料速度。刮板的型线一般多为直线，物料出口多为旋转刮板扫过的某一小块扇形区间。在直线型刮板旋转的过程中，由于径向上各点的线速度不同，不同位置的颗粒因而所受的压力也不相同，从而导致给料体积速率相同，而质量流率不同。本研究提出了一种型线为阿基米德螺线的刮板，其型线示意图如图 6 所示：蓝色实线为刮头外缘；蓝色虚线为刮板下方的给料