一种新型无动力抑尘斗的设计与应用*

马浩然 董晓欢 明 磊

(1 中储粮成都储藏研究院有限公司 610031)

(2 中央储备粮厦门直属库有限公司 361026)

(3 陕西科技大学 710016)

1 抑尘斗研究现状

目前，新西兰研制的DSH抑尘斗由于其良好的性能以及稳定的结构，被国内大部分粮库所采用[1]。DSH抑尘斗以粮食颗粒自身重力为驱动力，使粮食颗粒在下落过程中颗粒与颗粒之间的空隙不断减小，最终形成致密的“粮柱”，从而减小放粮过程中灰尘的产生[2]，其具体结构如图1所示。

图1 DSH抑尘斗结构示意图

DSH抑尘斗主要由上固定板、挡尘布袋、弹簧、锥形漏斗以及锥形体构成，其中，上固定板与粮仓侧壁溜管固定连接，锥形漏斗与上固定板之间通过弹簧连接，弹簧四周设有挡尘布袋，防止灰尘逸出；锥形漏斗内部设有锥形体，锥形体固定连接在上固定板上[3]。其具体工作方式为：初始状态下，锥形漏斗在弹簧拉力的作用下与内部的锥形体紧密贴合，当粮食颗粒流经上固定板进入锥形漏斗时，锥形漏斗在粮食颗粒自身重力以及冲击力的作用下向下移动，从而在锥形体与锥形漏斗之间形成环形空隙，粮食颗粒流经环形空隙时被集束为一道“粮柱”，灰尘与杂质夹杂在“粮柱”之中落下，从而达到除尘的目的。

DSH抑尘斗具有结构稳定，除尘效果明显等优势，但仍然有需要改进的地方。比如，DSH抑尘斗的纵向尺寸较大、所需安装空间要求较高、挡尘布袋需定期更换以及由于弹簧的上下振荡，因此必须垂直于抑尘料斗的中心进料。

根据我国粮库实际情况，郑州研制了一种新型粮食转运用抑尘料斗，其主要机构如图2所示。

图2 一种新型粮食转运用抑尘斗结构示意图

进料口通过法兰固定安装在粮仓侧壁的溜管上，当粮食颗粒通过进料口进入抑尘斗后，粮食颗粒撞击在内锥体侧壁上，此过程能够实现对颗粒的小幅度自然搅拌，将物料中的空气排出，同时保证了装载物料的均匀，防止物料分级[4]。内锥体固定安装，且内锥体上端设有调节机构，能够通过调节螺母，改变内锥体竖直方向的位置，适合不同物料和不同产量的需要。外筒体下端呈收缩机构，能够将粮食颗粒在下端出口处集中，形成“粮柱”，进而使杂质和灰尘与“粮柱”一同下落，达到除尘的目的。该装置已在国内多个粮库试点应用，取得了良好效果，但仍存在无法在设备工作过程中自动调节出口间隙的问题。

2 新型无动力抑尘斗的设计

2.1 结构设计

根据国内粮食侧壁发放时存在的问题以及现有抑尘斗存在的不足，我院研制了一种新型无动力抑尘斗，该设备能够将从粮仓侧壁发放的粮食颗粒之间的空气排出，并且能够根据侧壁发放的粮食流量自动调节出口大小，具有结构简单，除尘率高等特点，其结构示意图如图3所示。

图3 新型无动力抑尘斗结构示意图

如图3所示，新型无动力抑尘斗由固定板、上下挡板、弹簧等构成，固定板上设有螺纹孔，可与粮仓侧壁溜管快速固定连接，固定板下方设有落料斗，落料斗与固定板之间通过八根拉伸弹簧连接，可沿竖直方向上下运动；弹簧外围安装有上挡板与下挡板，上、下挡板能够保护弹簧不受粉尘、雨水等的侵蚀，有效延长设备使用寿命；上下挡板还能够限制落料斗与固定板之间的水平移动，使落料斗只能沿竖直方向运动，在任何方向的落料下均能正常工作；此外，下挡板上安装有限位螺栓，设备正常工作时，限位螺栓可在上挡板的卡槽内滑动，当负载过大时，限位螺栓达到最大移动位置，落料斗停止下移，能够有效保护设备因负载过大或外力而发生破坏；落料斗内部设有锥形体，锥形体可通过限位螺杆调节上下高度改变与落料斗之间的间隙，从而适应不同粒径的粮食颗粒，使不同类型粮食均能通过设备达到最佳除尘效果。

2.2 工作方式

根据具体粮食类型，通过调节螺杆调节好锥形体与落料斗之间的间隙，当粮食颗粒进入设备后，落在锥形体上的粮食颗粒被均匀分散；落料斗在粮食自身重力与粮食颗粒的冲击力作用下向下移动，粮食颗粒的重量与冲击力和落料斗下移距离呈线性关系，粮食颗粒的排量越大，落料斗下移距离越大，并且落料斗与锥形体之间的间隙越大，从而保证不同数量的粮食颗粒均能够通过锥形体与落料斗之间的环形区域，使不同排量、不同种类的粮食颗粒在流出抑尘斗后均能形成“粮柱”，使粮食杂质与灰尘裹挟在其中下落，从而达到除尘的目的。需要说明的是，锥形体不仅可将落下的粮食颗粒分散均匀，并且锥形体的特殊结构能使其下方在粮食颗粒出口处形成负压，从而将灰尘和杂质吸入“粮柱”内部，达到更好的除尘效果，如图4所示。

图4 负压除尘区域位置示意图

2.3 具体参数

新型无动力抑尘斗具有结构简单、便于安装维护、除尘效率高等优点，能够解决大部分粮库在粮仓侧壁放粮时的粉尘大、污染环境的问题，其具体参数设计如下：

根据经验，立筒仓与浅圆仓在进行侧壁放粮时，粮食颗粒的平均流量约为160 t/h，在此过程中，新型无动力抑尘斗受到粮食颗粒的重力、粮食颗粒的冲击力以及抑尘斗自身重力的作用。

2.3.1 粮食颗粒的冲击力 由于粮食颗粒到达溜管底部时速度较高，因此需考虑粮食颗粒对抑尘斗的冲击力；粮仓侧壁溜管的结构示意图如图5所示。

图5 粮仓侧壁溜管结构示意图

根据实际粮仓侧壁溜管结构，取溜管与仓壁夹角为30°，溜管竖直方向高度为5 m，取溜管内任意一点对粮食颗粒进行受力分析，如图6所示。

图6 粮食颗粒受力分析图

由图6可知，粮食颗粒在溜管内下滑的过程中，受到自身重力mg，溜管对其的支持力N以及摩擦力f的作用，则有：

①

其中，μ为粮食颗粒与溜管之间的滑动摩擦系数，取μ=0.2。

由能量守恒定理得：

②

其中，L为溜管长度，v1为粮食颗粒运动至溜管末端位置1时的速度。解得v1=9.31 m/s。

以溜管末端位置1为初始位置，以粮食颗粒与抑尘斗或与抑尘斗内堆积的颗粒接触时的位置为终止位置，则在t秒内，由动量定理得：

I=Ft=mv1-mv2

③

其中，I为冲量变化量；F为粮食颗粒落入抑尘斗时对抑尘斗施加的力；v2为粮食颗粒与抑尘斗接触时的速度，取v2=0 m/s。解得F=403.2 N。

考虑到在刚开始出粮和放粮结束时溜管内粮食颗粒的流量较小，因此将粮食颗粒落下时对抑尘斗的冲击力取为F(冲)=150 N。

2.3.2 抑尘斗活动部分重力 抑尘斗采用不锈钢材质，其活动部分质量mg(抑尘斗)=117.6 N。

2.3.3 粮食颗粒的重量 取粮食颗粒的平均密度为750 kg/m3，当粮食颗粒充满抑尘斗时的重量为mg(粮食)=678.4 N。

则抑尘斗在工作过程中所受的合力大小为：

F(总)=F(冲)+mg(抑尘斗)+mg(粮食)=946 N

④

为了使新型无动力抑尘斗的活动部分受力更加均匀，抑尘斗中弹簧的数量设为8个；在新型无动力抑尘斗未工作时，弹簧的总预紧力应与其活动部分重力相互平衡，则每一根弹簧所需预紧力为：

F0=mg(抑尘斗)/8=14.7 N

⑤

当粮食颗粒的流量达到最大值时，每一根弹簧所受最大拉力为：

Fmax=(F(冲)+mg(抑尘斗)+mg(粮食))/8

=118.25 N

⑥

为确保在抑尘斗满载时，粮食颗粒刚好能从锥形体与落料斗之间的环形空隙中流出，以减小粮食颗粒之间的空隙，需要对满载时锥形体与落料斗之间的环形间隙大小进行计算。

已知粮食的流量为0.05925 m3/s，抑尘斗出粮口的出粮速度为1.89 m/s，则锥形体与落料斗之间的环形间隙出粮速度也为1.89 m/s，环形间隙的截面积应为：

S=Q/V=0.05925÷1.89=0.03 m2

根据满载时的环形间隙截面积与抑尘斗的结构参数，计算出弹簧所需伸长量为：100 mm。(注：此伸长量不包含预紧时的伸长量)。

根据上述计算，最终选取弹簧参数如表1所示：

表1 弹簧参数

通过对新型无动力抑尘斗的受力计算以及对弹簧的选型，能够在保证粮食颗粒顺利排出的前提下，有效缩小粮食颗粒流经抑尘斗时的颗粒间隙，从而使粮食颗粒流出抑尘斗时形成致密的“粮柱”，有效减小粉尘的产生，改善粮食进行侧壁发放时的工作环境。

2.4 仿真与样机测试

为了验证新型无动力抑尘斗结构的合理性与可靠性，通过EDEM离散元分析软件，对其进行仿真验证。EDEM是全球首个大型离散元分析软件，能够对离散体进行运动学、动力学等多种颗粒运动特性进行仿真分析，有助于快速缩短产品研发周期，减小产品研发成本[5]。

本文通过建立稻谷颗粒模型，模拟新型无动力抑尘斗实际工作条件下的状态，稻谷颗粒的离散元模型如图7所示。

图7 稻谷颗粒离散元模型

稻谷颗粒模型通过Solidworks建立，转换为通用格式后再导入EDEM离散元分析软件中，手动选择球形颗粒对模型进行填充，最终得到稻谷颗粒的离散元模型。颗粒模型建立成功后，对新型无动力抑尘斗在满载时的工作状态进行仿真分析，结果云图如图8所示。

图8 仿真结果云图

由图8可知，稻谷颗粒初始速度较大，流经锥形体后速度急剧减小，最终流出抑尘斗后形成形状规则的“粮柱”，并且粮食颗粒的速度在流出抑尘斗后逐步增加。由上述仿真结果可知，新型无动力抑尘斗能够有效的使粮仓侧壁发放时分散的粮食颗粒集束为形状规则的“粮柱”，从而达到除尘、改善工作环境的目的。

新型无动力抑尘斗的样机已加工完成，并且进行了现场测试，结果表明，新型无动力抑尘斗样机性能可靠，能够很好地满足实际需求。

3 结果与讨论

为了解决粮仓侧壁发放时易产生粉尘从而危害工人身体健康的问题，本文对现有抑尘斗结构以及功能进行了分析，并且结合现有抑尘斗的不足之处，设计了一种新型无动力抑尘斗，通过对粮仓侧壁发放时抑尘斗所受力值大小的分析计算，最终确定了新型无动力抑尘斗中弹簧的参数以及机构，并且通过离散元仿真分析的方法，验证了新型无动力抑尘斗在工作时其结构的实用性和合理性，最终实现了样机的生产与制造，为粮仓侧壁发放时易产生粉尘的问题提供了完善的解决思路。

但在研究过程中，本文对锥形体详细尺寸结构对除尘效果的影响未进行深入探究，并且对于锥形体下方“负压区”形成机理未进行分析，后续可从改善锥形体尺寸结构、使锥形体下方“负压区”区域增大的方面进行研究，从而使新型无动力抑尘斗的除尘效果进一步提高。