粉粒物料运输车多锥内倾卧式罐体结构的设计

2011-06-23李宴瑞

装备制造技术 2011年10期

李宴瑞

（柳州乘龙专用车有限公司，广西柳州545006）

随着散装水泥运输车市场竞争的激烈化，为了提高产品的竞争力，提高散装水泥运输车罐体有效容积的利用率，轻量化设计成为了未来散装水泥运输车发展的趋势。然而，目前大多数厂家均采用圆柱形卧式罐体结构，这种传统的罐体结构，通常在增大罐体有效容积的同时，也在很大程度上增加了生产成本和整备质量，降低了产品的竞争力。因此，我们要突破思维，设计开发出一种新的结构，以适应市场的需要。

针对散装水泥运输车产品的特性及现状，通过技术、销售部门共同进行的大量调查、研究、比较，经过多次三维建模和计算，并从技术及工艺方面进行了深入细致的研究，发现传统的粉罐汽车在降低生产成本、提高整备质量利用系数、增大罐体有效容积及提升用户的经济型指标等方面，还是有很大的空间。即可采用新的多锥内倾卧式罐体结构。

1 传统的圆柱形卧式罐体结构

圆柱形卧式罐体结构，是流态化式气力罐体的一种传统结构，也是国内目前在大型粉罐汽车上应用最广泛的一种结构（如图1所示），该结构罐体内设有侧滑料板和中间滑料板及其相应支撑，采用多孔板、帆布等组成流化床。图1传统的圆柱形卧式罐体结构，罐体直径为2500 mm，直筒长8600 mm，3仓形结构，有效容积40 m3，容积利用率82%。图中罐体的直径和长度尺寸已至极限。若想增加有效容积，而将罐体直径再增大，必然会使整车宽度超过国家安全法规限制的2.5 m。而要增加罐体有效容积，唯一的办法就是再多分仓室。经过计算，对于圆柱卧式罐体，采用多分仓室方法使有效容积增加并不多，而生产成本和整备质量却增加不少，进气管路和卸料管路变得更加复杂，操作性变得更差，经济型指标不理想。图1为圆柱卧式罐体总成（3仓型）。

图1 圆柱卧式罐体总成

2 多锥内卧式罐体结构

这是一种全新的罐体结构（如图2所示）。筒体由2个小封头和6个圆顶-椭圆底斜锥筒组成，每2个锥筒内倾构成一个仓，共3个仓，在隔仓板处设计一个小气室；流化床由多条气袋和内嵌板组成，采用压条、螺栓等，将之直接固定在斜锥筒底面；斜锥筒底面母线与水平面成固定夹角β；罐内没有多孔板、中间滑料板及其相应支撑；容积利用率可高达95%。

图2也为三仓型罐体，有效容积40 m3，罐体的长为9583 mm，宽为2414 mm，高为2720 mm。与图1相同，高度尺寸比图1大，考虑到国内二类底盘的主车架上翼面距地面高度通常为1120～1150 mm，上装底架高度设计为50 mm，因此整车极限高度为：2720+1150+50=3920 mm，不会超过法规限制的4 m。

图2 多锥内卧式罐体总成（三仓型）

事实上，由于锥筒小端外径仅为Φ 2310 mm，可将楼梯布置在小端附近，这样锥筒大端的椭圆短轴完全可以更靠近2.5 m，使罐体有效容积变得更大。当然，若罐体仓数分的更多，罐体有效容积也可变得更大。

由以上可知，与传统圆柱形卧式罐体相比，多锥卧式罐体结构具有以下特点：

（1）容积利用率大。采用透气袋式流化床，其流化床紧贴在罐体上，无需专门气室，大大减少了气室容积，其容积利用率达到94%～98%；

（2）罐体结构简单，自重轻。不需要焊装多孔板、中间滑料板及其相应支撑，既简化了制造工艺、降低了生产成本，又减轻了整备质量。经计算，图2罐体总质量比图1少0.8 t；

（3）流化床采用多条气袋及内嵌板直接并行平铺在锥筒底面，如果个别气袋破损只需换破损气袋即可，装配、维修均方便；

（4）卸料速度快，剩余率低。由于气室空间小，气流几乎直接作用到流化床，提高了卸料速度快，降低剩余率，低节省燃油消耗，提高了用户的经济指标；

（5）重心低。在相同有效容积情况下，比其他厂家重心低200 mm以上，车辆行驶安全性及稳定性更好；

（6）罐体外部结构的特殊性，结构的截面尺寸变化，使得罐体在下料、卷形及对接阻焊比圆柱形的复杂、技术要求高，不规则底架的下料、阻焊也比圆柱形的技术要求高。但由于三维软件及数控切割技术的广泛应用，能很好地解决这些问题。

3 卸料原理和设计方法

3.1 卸料原理

多锥内倾卧式罐体卸料时，压缩空气透过气袋进入粉料颗粒之间，使粉料流态化后会像液体一样，具有由高至低的流动性，当罐内压力升到196 kPa时，打开出料蝶阀，粉料便在罐内压力作用下经卸料管排出。

3.2 流态化速度及气流速度的计算

（1）临界流态化速度vf即使粉料开始发生流态化时的气流速度，按下式计算。

式中，

ds为水泥直径，取ds=88×10-6m；

ρs为水泥真密度，ρs=3200 kg/m3；

ρg为气体密度，在气体压力p=0.3 MPa，气体温度T=373 K，气体常数Ra=29.28时，

ρg=p/（RaT）=2.75 kg/m3；

η为气体的动力粘度，一般取

η=0.0218×10-3Pa·s

因此

所以临界流态化床气流速度为0.009 m/s。

（2）粉料带出气流速度νt，即粉料开始形成稀相流态化床时的气流速度的计算。若气流速度大于此值，床层的稳定操作行为急剧偏离理想行为，导致操作失常。

νt按下式计算

式中,

ds为水泥直径，取ds=88×10-6m；

ρs为水泥真密度，为 ρs=3200 kg/m3；

ρg为气体密度，在气体压力p=0.3 MPa，气体温度T=373 K，气体常数Ra=29.28时，

ρg=/（RaT）=2.75 kg/m3；

η为气体的动力粘度，一般取0.0218×10-3Pa·s；

g为重力加速度，g=9.81 m/s2

把已知量代入公式得

所以，粉料带出气流速度为0.58 m/s。

3.3 流化床面积A的确定

流化床面积的大小，与罐体尺寸和仓数、流化床结构形式、所运输粉料性质有关，其中起主要作用的，是粉料的临界流态化速度和带出气流速度。将流化床的最大允许面积用Amax表示，最小允许面积用Amin表示，则流化床面积A必须满足下式：

Amax和Amin按下式计算

式中，

Q为空压机排量（m3/s）；

Vf为临界流态化床气流速度(m/s)；

Ka为输送系统的漏气系数，取1.1～1.2。

若所运输的粉料为水泥，一般有效容积为40 m3散装水泥运输车所配空压机排量Q为9 m3/min，Vf=0.009 m/s，输送系统的漏气系数ka=1.2，则

Amax=13.8 m2

Amin=0.23 m2

由式（3）、（4）、（5）可知，当 Q 一定时，A 与 Vf成反比，若流化床面积过大，透过透气袋的气流速度，就会小于粉料的临界流态化速度，粉料就不能良好的流态化，流动性差，容易滞留在床面上；当Q一定时，A与Vf成反比，若流化床面积过小，透过透气袋的气流速度，就会大于粉料的临界流态化速度，形成稀相流态化床，使床层的稳定操作行为急剧偏离理想行为，导致操作失常，出现卸料不完全。