一種新型無動力抑塵斗的設計與應用*

馬浩然 董曉歡 明 磊

(1 中儲糧成都儲藏研究院有限公司 610031)

(2 中央儲備糧廈門直屬庫有限公司 361026)

(3 陜西科技大學 710016)

1 抑塵斗研究現狀

目前，新西蘭研制的DSH抑塵斗由于其良好的性能以及穩定的結構，被國內大部分糧庫所采用[1]。DSH抑塵斗以糧食顆粒自身重力為驅動力，使糧食顆粒在下落過程中顆粒與顆粒之間的空隙不斷減小，最終形成致密的“糧柱”，從而減小放糧過程中灰塵的產生[2]，其具體結構如圖1所示。

圖1 DSH抑塵斗結構示意圖

DSH抑塵斗主要由上固定板、擋塵布袋、彈簧、錐形漏斗以及錐形體構成，其中，上固定板與糧倉側壁溜管固定連接，錐形漏斗與上固定板之間通過彈簧連接，彈簧四周設有擋塵布袋，防止灰塵逸出；錐形漏斗內部設有錐形體，錐形體固定連接在上固定板上[3]。其具體工作方式為：初始狀態下，錐形漏斗在彈簧拉力的作用下與內部的錐形體緊密貼合，當糧食顆粒流經上固定板進入錐形漏斗時，錐形漏斗在糧食顆粒自身重力以及沖擊力的作用下向下移動，從而在錐形體與錐形漏斗之間形成環形空隙，糧食顆粒流經環形空隙時被集束為一道“糧柱”，灰塵與雜質夾雜在“糧柱”之中落下，從而達到除塵的目的。

DSH抑塵斗具有結構穩定，除塵效果明顯等優勢，但仍然有需要改進的地方。比如，DSH抑塵斗的縱向尺寸較大、所需安裝空間要求較高、擋塵布袋需定期更換以及由于彈簧的上下振蕩，因此必須垂直于抑塵料斗的中心進料。

根據我國糧庫實際情況，鄭州研制了一種新型糧食轉運用抑塵料斗，其主要機構如圖2所示。

圖2 一種新型糧食轉運用抑塵斗結構示意圖

進料口通過法蘭固定安裝在糧倉側壁的溜管上，當糧食顆粒通過進料口進入抑塵斗后，糧食顆粒撞擊在內錐體側壁上，此過程能夠實現對顆粒的小幅度自然攪拌，將物料中的空氣排出，同時保證了裝載物料的均勻，防止物料分級[4]。內錐體固定安裝，且內錐體上端設有調節機構，能夠通過調節螺母，改變內錐體豎直方向的位置，適合不同物料和不同產量的需要。外筒體下端呈收縮機構，能夠將糧食顆粒在下端出口處集中，形成“糧柱”，進而使雜質和灰塵與“糧柱”一同下落，達到除塵的目的。該裝置已在國內多個糧庫試點應用，取得了良好效果，但仍存在無法在設備工作過程中自動調節出口間隙的問題。

2 新型無動力抑塵斗的設計

2.1 結構設計

根據國內糧食側壁發放時存在的問題以及現有抑塵斗存在的不足，我院研制了一種新型無動力抑塵斗，該設備能夠將從糧倉側壁發放的糧食顆粒之間的空氣排出，并且能夠根據側壁發放的糧食流量自動調節出口大小，具有結構簡單，除塵率高等特點，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 新型無動力抑塵斗結構示意圖

如圖3所示，新型無動力抑塵斗由固定板、上下擋板、彈簧等構成，固定板上設有螺紋孔，可與糧倉側壁溜管快速固定連接，固定板下方設有落料斗，落料斗與固定板之間通過八根拉伸彈簧連接，可沿豎直方向上下運動；彈簧外圍安裝有上擋板與下擋板，上、下擋板能夠保護彈簧不受粉塵、雨水等的侵蝕，有效延長設備使用壽命；上下擋板還能夠限制落料斗與固定板之間的水平移動，使落料斗只能沿豎直方向運動，在任何方向的落料下均能正常工作；此外，下擋板上安裝有限位螺栓，設備正常工作時，限位螺栓可在上擋板的卡槽內滑動，當負載過大時，限位螺栓達到最大移動位置，落料斗停止下移，能夠有效保護設備因負載過大或外力而發生破壞；落料斗內部設有錐形體，錐形體可通過限位螺桿調節上下高度改變與落料斗之間的間隙，從而適應不同粒徑的糧食顆粒，使不同類型糧食均能通過設備達到最佳除塵效果。

2.2 工作方式

根據具體糧食類型，通過調節螺桿調節好錐形體與落料斗之間的間隙，當糧食顆粒進入設備后，落在錐形體上的糧食顆粒被均勻分散；落料斗在糧食自身重力與糧食顆粒的沖擊力作用下向下移動，糧食顆粒的重量與沖擊力和落料斗下移距離呈線性關系，糧食顆粒的排量越大，落料斗下移距離越大，并且落料斗與錐形體之間的間隙越大，從而保證不同數量的糧食顆粒均能夠通過錐形體與落料斗之間的環形區域，使不同排量、不同種類的糧食顆粒在流出抑塵斗后均能形成“糧柱”，使糧食雜質與灰塵裹挾在其中下落，從而達到除塵的目的。需要說明的是，錐形體不僅可將落下的糧食顆粒分散均勻，并且錐形體的特殊結構能使其下方在糧食顆粒出口處形成負壓，從而將灰塵和雜質吸入“糧柱”內部，達到更好的除塵效果，如圖4所示。

圖4 負壓除塵區域位置示意圖

2.3 具體參數

新型無動力抑塵斗具有結構簡單、便于安裝維護、除塵效率高等優點，能夠解決大部分糧庫在糧倉側壁放糧時的粉塵大、污染環境的問題，其具體參數設計如下：

根據經驗，立筒倉與淺圓倉在進行側壁放糧時，糧食顆粒的平均流量約為160 t/h，在此過程中，新型無動力抑塵斗受到糧食顆粒的重力、糧食顆粒的沖擊力以及抑塵斗自身重力的作用。

2.3.1 糧食顆粒的沖擊力 由于糧食顆粒到達溜管底部時速度較高，因此需考慮糧食顆粒對抑塵斗的沖擊力；糧倉側壁溜管的結構示意圖如圖5所示。

圖5 糧倉側壁溜管結構示意圖

根據實際糧倉側壁溜管結構，取溜管與倉壁夾角為30°，溜管豎直方向高度為5 m，取溜管內任意一點對糧食顆粒進行受力分析，如圖6所示。

圖6 糧食顆粒受力分析圖

由圖6可知，糧食顆粒在溜管內下滑的過程中，受到自身重力mg，溜管對其的支持力N以及摩擦力f的作用，則有：

①

其中，μ為糧食顆粒與溜管之間的滑動摩擦系數，取μ=0.2。

由能量守恒定理得：

②

其中，L為溜管長度，v1為糧食顆粒運動至溜管末端位置1時的速度。解得v1=9.31 m/s。

以溜管末端位置1為初始位置，以糧食顆粒與抑塵斗或與抑塵斗內堆積的顆粒接觸時的位置為終止位置，則在t秒內，由動量定理得：

I=Ft=mv1-mv2

③

其中，I為沖量變化量；F為糧食顆粒落入抑塵斗時對抑塵斗施加的力；v2為糧食顆粒與抑塵斗接觸時的速度，取v2=0 m/s。解得F=403.2 N。

考慮到在剛開始出糧和放糧結束時溜管內糧食顆粒的流量較小，因此將糧食顆粒落下時對抑塵斗的沖擊力取為F(沖)=150 N。

2.3.2 抑塵斗活動部分重力 抑塵斗采用不銹鋼材質，其活動部分質量mg(抑塵斗)=117.6 N。

2.3.3 糧食顆粒的重量 取糧食顆粒的平均密度為750 kg/m3，當糧食顆粒充滿抑塵斗時的重量為mg(糧食)=678.4 N。

則抑塵斗在工作過程中所受的合力大小為：

F(總)=F(沖)+mg(抑塵斗)+mg(糧食)=946 N

④

為了使新型無動力抑塵斗的活動部分受力更加均勻，抑塵斗中彈簧的數量設為8個；在新型無動力抑塵斗未工作時，彈簧的總預緊力應與其活動部分重力相互平衡，則每一根彈簧所需預緊力為：

F0=mg(抑塵斗)/8=14.7 N

⑤

當糧食顆粒的流量達到最大值時，每一根彈簧所受最大拉力為：

Fmax=(F(沖)+mg(抑塵斗)+mg(糧食))/8

=118.25 N

⑥

為確保在抑塵斗滿載時，糧食顆粒剛好能從錐形體與落料斗之間的環形空隙中流出，以減小糧食顆粒之間的空隙，需要對滿載時錐形體與落料斗之間的環形間隙大小進行計算。

已知糧食的流量為0.05925 m3/s，抑塵斗出糧口的出糧速度為1.89 m/s，則錐形體與落料斗之間的環形間隙出糧速度也為1.89 m/s，環形間隙的截面積應為：

S=Q/V=0.05925÷1.89=0.03 m2

根據滿載時的環形間隙截面積與抑塵斗的結構參數，計算出彈簧所需伸長量為：100 mm。(注：此伸長量不包含預緊時的伸長量)。

根據上述計算，最終選取彈簧參數如表1所示：

表1 彈簧參數

通過對新型無動力抑塵斗的受力計算以及對彈簧的選型，能夠在保證糧食顆粒順利排出的前提下，有效縮小糧食顆粒流經抑塵斗時的顆粒間隙，從而使糧食顆粒流出抑塵斗時形成致密的“糧柱”，有效減小粉塵的產生，改善糧食進行側壁發放時的工作環境。

2.4 仿真與樣機測試

為了驗證新型無動力抑塵斗結構的合理性與可靠性，通過EDEM離散元分析軟件，對其進行仿真驗證。EDEM是全球首個大型離散元分析軟件，能夠對離散體進行運動學、動力學等多種顆粒運動特性進行仿真分析，有助于快速縮短產品研發周期，減小產品研發成本[5]。

本文通過建立稻谷顆粒模型，模擬新型無動力抑塵斗實際工作條件下的狀態，稻谷顆粒的離散元模型如圖7所示。

圖7 稻谷顆粒離散元模型

稻谷顆粒模型通過Solidworks建立，轉換為通用格式后再導入EDEM離散元分析軟件中，手動選擇球形顆粒對模型進行填充，最終得到稻谷顆粒的離散元模型。顆粒模型建立成功后，對新型無動力抑塵斗在滿載時的工作狀態進行仿真分析，結果云圖如圖8所示。

圖8 仿真結果云圖

由圖8可知，稻谷顆粒初始速度較大，流經錐形體后速度急劇減小，最終流出抑塵斗后形成形狀規則的“糧柱”，并且糧食顆粒的速度在流出抑塵斗后逐步增加。由上述仿真結果可知，新型無動力抑塵斗能夠有效的使糧倉側壁發放時分散的糧食顆粒集束為形狀規則的“糧柱”，從而達到除塵、改善工作環境的目的。

新型無動力抑塵斗的樣機已加工完成，并且進行了現場測試，結果表明，新型無動力抑塵斗樣機性能可靠，能夠很好地滿足實際需求。

3 結果與討論

為了解決糧倉側壁發放時易產生粉塵從而危害工人身體健康的問題，本文對現有抑塵斗結構以及功能進行了分析，并且結合現有抑塵斗的不足之處，設計了一種新型無動力抑塵斗，通過對糧倉側壁發放時抑塵斗所受力值大小的分析計算，最終確定了新型無動力抑塵斗中彈簧的參數以及機構，并且通過離散元仿真分析的方法，驗證了新型無動力抑塵斗在工作時其結構的實用性和合理性，最終實現了樣機的生產與制造，為糧倉側壁發放時易產生粉塵的問題提供了完善的解決思路。

但在研究過程中，本文對錐形體詳細尺寸結構對除塵效果的影響未進行深入探究，并且對于錐形體下方“負壓區”形成機理未進行分析，后續可從改善錐形體尺寸結構、使錐形體下方“負壓區”區域增大的方面進行研究，從而使新型無動力抑塵斗的除塵效果進一步提高。