一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型

摘要

本发明提出一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型，属于粉体技术领域。本发明针对将粉体药剂装入细长金属管时，一次给料太多会堵塞金属管这一问题，建立了一种基于振动筛的给料量控制模型。本模型建立过程如下：步骤A：药剂拱的微元体力学分析；步骤B：药剂拱的微元体运动学分析；步骤C：建立一种基于振动筛的稳定给料模型。依据本发明建立的模型，结合实际的下料量需求，进行振动筛振动频率和振幅的参数优化。经试验验证，本发明可有效地实现细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料。

权利要求

1.一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型，其特征在于：本模型描述如下：其中Q为下药量；C和k是常数，与内摩擦角有关，其值可经过实验测定；ρs为药剂堆积密度；g为重力加速度；D0为给药嘴开口尺寸；dp为药剂颗粒的粒径；tz为气缸运动距离L所需要的时间；f为振动筛水平振动的频率；L为振动筛水平振动的振幅；r0为筛孔截面内圆半径；θ为筛孔截面倾角；δc为微元体高度；m为水平振动装置的质量；fc为开放屈服应力；

进一步，本模型建立过程有如下步骤：步骤A：药剂拱的微元体力学分析：取一含自由面的药剂拱微元体；

步骤A-1：求解微元体的重力：微元体的重力Warch可近似为：2

Warch＝π(r0sinθ)δcρsg步骤A-2：分析外部作用力Fw：破坏拱，使药剂颗粒下落，施加在振动筛的外部作用力Fw应大于开放屈服应力fc，即：Fw>fc

步骤A-3：分析微元体与容器壁的摩擦力Fm：微元体与容器壁的摩擦力应小于微元体重力，即：Fm＝μFw

步骤B：微元体运动学分析：步骤B-1：求解气缸由静止转向运动的加速度a：a＝8f2L

步骤B-2：求解气缸运动的最大速度v0：v0＝4fL

步骤B-3：求解施加在振动筛的外部作用力Fw：Fw＝mv0/2tz＝4mf2L步骤C：建立基于振动筛的稳定给料模型：步骤C-1：药剂从柱体底部开口流出时，设定质量流量经验公式为：步骤C-2：建立基于振动筛的稳定给料模型：

说明书

一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型

技术领域

[0001] 本发明属于粉体技术领域，涉及一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型。

背景技术

[0002] 在导爆索生产中，需要把粉体药剂装入到细长型金属管内。由于药剂颗粒的粒度很小，平均粒度小于18μm，因此药剂颗粒本身的流动性很差；同时金属管的内径小，而且长度长，因此把一定质量的药剂颗粒装入到细长型金属管内，并满足线密度等指标要求是导爆索生产过程的一个难点。同时，由于粉体材料的粘附性较强，如果在装填过程中一次下药量太多则会堵塞下料管。因此要求在装填过程中给料量应该是稳定可控的。

[0003] 在外部振动作用下，粉体的流动性能会得到改善。但是，由于不同颗粒物质体系在不同因素的作用下，其运动特性差异较大。有必要结合具体的实际应用问题，对粉体的流动和装填问题进行研究。

[0004] 基于振动筛实现稳定给料，主要是通过水平振动将筛网中一定质量的粉体药剂以一个较为缓慢放料速度放入加料斗中，以确保药剂装填的顺利完成。在整个下料过程中，药剂以散堆的方式呈现在筛网中。在静止状态下，由于组成药剂的颗粒之间的团聚力和颗粒之间的内摩擦力，使得筛网中的药剂表现出一定的集合特性，会使处于筛网孔处的药剂颗粒结拱，处于筛网孔处的药剂颗粒也不会因为药剂自身的重力作用从筛网漏出。通过给筛网施加一个水平方向上的振动作用，克服药剂颗粒之间的团聚力，破坏由药剂颗粒之间的团聚力和内摩擦力形成的集合特性，让少量的药剂从药剂集合体中分离出来，从而在重力加速度的作用下以自由沉降的方式进入加料斗，如此反复，实现整个振动下料过程。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型，该方法针对将粉体药剂装入细长金属管时，一次给料太多会造成金属管堵塞这一问题，借助本发明所建立的模型，结合实际的下料量需求，进行振动筛振动频率和振幅的参数优化，通过水平振动将筛网中一定质量的粉体药剂以一个较为缓慢放料速度放入加料斗中，以确保药剂装填的顺利完成。

[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型，包括以下步骤：

[0008] 步骤A：药剂拱的微元体力学分析：

[0009] 考虑如图1所示的药剂拱的微元体，取含自由面的一微元体；

[0010] 步骤A-1：求解微元体的重力：

[0011] 微元体的重力Warch可近似为：

[0012] Warch＝π(r0 sinθ)2δcρsg

[0013] 其中r0为筛孔截面内圆半径；θ为筛孔截面倾角；δc为微元体高度；ρs为药剂堆积密度；g为重力加速度。

[0014] 步骤A-2：分析施加在振动筛的外部作用力Fw：

[0015] 要想破坏拱，使药剂颗粒下落，外部作用力应大于开放屈服应力fc，即：

[0016] Fw>fc

[0017] 步骤A-3：分析微元体与容器壁的摩擦力Fm：

[0018] 微元体与容器壁的摩擦力应小于微元体重力，即：

[0019] Fm＝μFw

[0020] 其中μ为药剂与容器壁的摩擦系数；

[0021] 步骤B：微元体运动学分析：

[0022] 设振动筛水平振动的频率为f，振幅为L，水平振动装置的质量为m，振动采用气缸振动的方式，在气缸由静止到运动的过程中有：

[0023]

[0024] 其中a为气缸由静止转向运动的加速度，tz为气缸运动距离L所需要的时间；

[0025] 步骤B-1：求解气缸的运动加速度a：

[0026] 由于

[0027] tz＝1/2f

[0028] 可求得气缸的运动加速度a为：

[0029] a＝8f2L

[0030] 步骤B-2：求解气缸运动的最大速度v0：

[0031] v0＝4fL

[0032] 步骤B-3：求解施加在振动筛的外部作用力Fw：

[0033] 根据冲量定理，可得筛网中药剂所受水平方向上的力：

[0034] Fw＝mv0/2tz＝4mf2L

[0035] 步骤C：建立基于振动筛的稳定给料模型：

[0036] 步骤C-1：考虑图2所示给药嘴结构，分析质量流量，药剂从柱体底部开口流出时，设定质量流量经验公式为：

[0037]

[0038] 式中，C和k是常数，与内摩擦角有关，其值可经过实验测定；dp为药剂颗粒的粒径。

[0039] 步骤C-2:综合上面各式，可得到下药量Q与振动频率f，振幅L的关系，于是可建立基于振动筛的稳定给料模型：

[0040]

[0041] 本发明的有益效果在于：

[0042] 依据本发明建立的模型，结合实际的下料量需求，进行振动筛振动频率和振幅的参数优化，可以实现细长型金属管粉体药剂装填中的稳定给料，并取得了较好的装填效果。

附图说明

[0043] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0044] 图1药剂拱的微元体示意图

[0045] 图2给药嘴结构示意图

[0046] 图3下药速率与振动频率的关系仿真曲线

[0047] 图4下药速率与振幅的关系仿真曲线

[0048] 表1下药量试验

[0049] 表2下药量控制试验

具体实施方式

[0050] 下面将结合附图和附表，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0051] 本发明所述的细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料模型，包括以下步骤：步骤A：药剂拱的微元体力学分析；步骤B：药剂拱的微元体运动学分析；步骤C：建立基于振动筛的稳定给料模型。

[0052] 步骤A：药剂拱的微元体力学分析

[0053] 步骤A-1：本步骤中，参考图1对药剂拱的微元体进行重力分析。考虑如图1所示药剂拱的微元体，取含自由面的一微元体，由莫尔-库仑定律可知，粉体内任一点的莫尔应力圆在有效屈服轨迹的下方时，粉体将处于静止状态；粉体内某一点的莫尔应力圆与有效屈服轨迹相切时，粉体处于临界流动或流动状态。由于自由表面上的主应力和剪应力均为零，这就相当于莫尔圆上的最小主应力为零，剪应力为零，而最大主应力等于开放屈服应力的状态。

[0054] 微元体的重力Warch可近似为：Warch＝π(r0 sinθ)2δcρsg

[0055] 步骤A-2：在整个下料过程中，药剂颗粒以散堆的方式放置在筛网上。在静止状态下，当筛网孔尺寸在一定范围时，由于药剂颗粒之间的团聚力和颗粒之间的内摩擦力的作用，会使处于筛网孔处的药剂颗粒结拱，使得颗粒不会因为自身的重力作用从筛网漏出。

[0056] 要想破坏拱，使药剂颗粒下落，外部作用力应满足Fw>fc

[0057] 步骤A-3：微元体与容器壁的摩擦力应小于微元体重力，即：Fm＝μFw

[0059] 本步骤中参考图2所示给药嘴结构，当对筛网施加一个水平方向上的振动作用时，正应力大于开放屈服应力，颗粒拱被破坏。这时，部分药剂颗粒在重力加速度的作用下以自由沉降的方式进入加料斗。图2所示为给药嘴结构示意图，与流体不同，颗粒的质量流量qm与高度H和直径D无关；与开口尺寸D0、药剂的堆积密度ρs、重力加速度g有关。

[0060] 根据已知参数和数据计算筛网中药剂所受水平方向上的力：Fw＝mv0/2tz＝4mf2L[0061] 步骤C：根据已知参数，求解未知参数，建立基于振动筛的稳定给料模型[0062]

[0063] 实施例

[0064] 在本实施例中，通过仿真以及试验数据对模型有效性进行验证分析。

[0065] 1.结合实际应用设定参数

[0066] 本发明实施例中，所选粉体药剂颗粒散堆密度ρs为0.362g/ml，给药嘴孔直径D0为4.2mm，半径r0长10mm，开口倾角θ为5°，孔深δc为1.4mm，以加料斗出口可能出现堵塞为临界条件，计算得到在确保加料斗出口不堵塞的情况下最大下料速率为：0.035g/s。同时假定药剂颗粒为光滑的球形颗粒，令C＝0.64，k＝1.5。对模型进行求解。

[0067] 2.结合参数对模型求解并仿真优化

[0068] 根据参数对模型进行求解和仿真，得到下药速率与振动频率、振幅的关系如图3、图4所示。从图3中可以看到，随着振动频率的增加，下药速率会逐渐增加，但是随着频率的增加，下药速率出现饱和现象，当频率为3Hz左右，其对下药量的影响就较小了。从图4中可以看到，振幅的增加，也有利于提高下药速率，但是随着振幅的增加，下药速率出现饱和现象，当振幅为20mm以后，下药速率的变化就很小了。

[0069] 3.基于求解的相关优化参数，设计实验验证分析。

[0070] 由气缸提供振动动力源，气缸工作气压是0.8Mpa。物料散放堆积在料仓，散堆密度是0.362g/ml。料管与料仓连接。为了便于观察下料现象，用同尺寸规格的玻璃管代替银管。

[0071] 试验1：下药量试验。药仓加药量为8克，在不同振动条件下进行下药量试验，每组条件下重复5次等条件装药，计算下药，其实验数据如表1所示。

[0072] 从表1可以看出，条件1下，振动强度不够，下药量少，随时间变化不明显。条件4下，下药速率快，下药量分布不均匀。条件2、3下，下药情况好，但条件2的下药量一致性较好。

[0073] 试验2：下药量控制试验。物料质量15g，频率为3Hz，振幅为20mm，每次振动时间为27秒，实验做5次，试验结果如表2所示。

[0074] 分析表2可知:当振动频率为3Hz，振幅为20mm，下药量的均值在预期目标内，且方差较小，控制效果较好。根据该参数进行下料量控制测试，下药量误差约为7％，并且浮药少。

[0075] 通过分析实验结果，可得出，加载振动前，药剂散放到料仓时，有零星物料下落，之后停止；加载振动后，药剂开始下落。当振动频率为3Hz，振幅为20mm，下药速度较快，控制效果较好，与模型计算和仿真结果相同。

[0076] 因此，依据本发明建立的模型，基于求解的相关优化参数，通过改变振动筛振幅和频率，可以有效的实现细长型金属管粉体药剂装填的稳定给料，并取得了较好的装填效果。

[0077] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。