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    粉体剪切仪在粉体设备设计中的应用

    2019-02-23 08:52:06
    粉体剪切仪在粉体设备设计中的应用
    粉体设备中料斗设计数据的分析和确定


    粉体内任一点的莫尔应力圆在IYF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IYF相切时,粉体处于临界流动或流动状态
    把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态,破坏状态—称为莫尔-库仑破坏准则,它是目前判别粉体(粉体单元)所处状态的*常用或*基本的准则。
    根据这一准则,当粉体处于极限平衡状态即应理解为破坏状态,此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆,相应的一对平面即称为剪切破坏面(简称剪破面)。
     

    对于非粘性粉体 τ=σtgφi      对于粘性粉体  τ= c +σtgφi
     

    Molerus Ⅰ类粉体:初始抗剪强度为零的粉体
    Molerus Ⅱ类粉体:初始抗剪强度不为零,但与预压缩应力无关的粉体
    Molerus Ⅲ类粉体:初始抗剪强度不为零,且与预压缩应力有关的粉体,内摩擦角也与预应力有关
    7.3. 粉体的屈服轨迹YL
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    7.4.料斗半顶角
    料仓流型设计, 就是根据仓存物料的特性(有效内摩擦角Φi和壁面摩擦角φw) , 确定出一个料斗半顶角θ) 确定一个合适的料斗半顶角θ,目的是为了适应所选择的流型。料仓下料不畅,关键是倾斜角小于物料安息角所致。整体流仓必须保证料仓各个部位的倾斜角大于物料的安息角。形成整体流的必要条件是料斗半顶角θ要小于θmax
     

    7.5. 卸料口径
    正确选择卸料口径是防止料仓中产生结拱现象的基本方法,设计料仓时应仔细考虑。影响卸料口径的主要因素有:物料的流动性、物料粒度和均匀性,以及要求的卸料速度等。

    对于整体流料仓, 卸料口尺寸太小, 将会形成料拱(或称架桥) 。设计计算时, 用一定性尺寸B来描述卸料口的大小。对于圆形卸料口, B 等于卸料口直径; 对于方形卸料口, B 为对角线长度; 对于缝形卸料口, B 为缝宽( L≥3 B , L 为缝长)。
    7.6. 机械拱和粘性拱
    对于平均直径较大( > 3000μm) 的颗粒体, 易形成机械拱
     

    对于平均直径较小的粉体物料, 不产生粘性拱的*小卸料口尺寸
     
     

    对于圆形和方形卸料口, i = 1 ; 对于缝形卸料口( L ≥3B) , i = 0
     
    a.料仓下部的锥面倾角对物料在仓内的流动有重大影响;
    b.至少要等于物料的休止角,必须大于物料与仓壁的摩擦角,否则,物料就不能全部从仓内流出;
    c.一般锥面倾角要比摩擦角大5 °~10°,比储存物料的自然休止角约大10°~15°。对于整体流的料仓,锥面倾角一般取 55°~75°。考虑到较大的倾角会使建筑高度增加,对于直径大于6m的料库,宜采用2~4个卸料口。
    d.减小粉体的壁摩擦角及料仓锥形部分的倾斜角,可以使料仓内的粉粒体呈整体流;反之,成漏斗流。
    6).屈服轨迹-失效时剪切应力与正应力的关系曲线。屈服轨迹(YL)有时被称为瞬时屈服轨迹来区分于时间屈服轨迹。
    屈服轨迹由粉体的剪切试验确定:一组粉体样品在同样的垂直应力条件下密实,然后在不同的垂直压力下,对每一个粉体样品进行剪切破坏试验。在这种特殊的密实状态中,得到的粉体破坏包络线称为该粉体的屈服轨迹。
    10).流动函数FF-特定散装固体的无侧限屈服强度和主要固结应力的关系曲线。
    有时也称做开裂函数,是由Jenike提出的,用来表示松散颗粒粉体的流动性能。
    松散颗粒粉体的流动取决于由密实而形成的强度。
     

    当fc=0时,FF=¥,即粉体完全自由流动
    流动性的标准分级如下:
    FF <1 不流动,凝结
    1<
    FF <2 很粘结,附着性强,流不动
    2<
    FF <4 粘结,有附着性
    4<
    FF <10 容易流动
    10<
    FF 自由流动
    影响粉体流动性的因素
    • 粉体加料时的冲击:冲击处的物料应力可以高于流动时产生的应力;
    • 温度和化学变化:高温时颗粒可能结块或软化,而冷却时可能产生相变,这些都可能影响粉体的流动性;
    • 湿度:湿料可以影响屈服轨迹和壁摩擦系数,而且还能引起料壁黏附;
    • 粒度:当颗粒变细时,流动性常常降低,而壁摩擦系数却趋于增加;
    • 振动:细颗粒的物料在振动时趋于密实,引起流动中断。
    11).料斗-料仓结构的融合部分。
    23).壁屈服轨迹WYL-壁剪切应力与壁正应力的关系曲线。壁摩擦角由壁屈服轨迹获得,为壁剪切应力与壁正应力比率的反正切。
    7.7.料仓中*大主应力σ1
    *大主应力σ1。该应力与料仓中的料位高度H 有关, 在筒仓部分, σ1 随料深按指数规律增加; 在筒仓与料斗的相接处, σ1 达*大; 在料斗部分, σ1 线性递减, 至料斗顶角处, σ1 降至零。σc 随σ1 的增加而增加, σc 在h = 0 和h =H 处并不等于零, 这是由粉体的粘性所致。粉体物料的开放屈服强度σc , 可由试验确定料拱脚处的支承反作用主应力σ, 简称反作用主应力, 又称破拱主应力。它主要取决于料斗半顶角和料拱跨度W 等。由
    σ正比于料拱跨度W , 故在筒仓部分σ为一常数, 在料斗部分σ线性减至零。

     
    7.8. 粉体物料的临界开放屈服强度
    指的是相应于两条曲线σ= f (σ1 ) σc = F (σ1 ) 的交点的开放屈服强度。

    7.9. 粉体在料仓中的流动模式
    仓中物料呈现的流动模式是理解作用于物料或料仓上各种力的基础。
    仓壁压力不仅取决于颗粒料沿仓壁滑动引起的摩擦力,而且还取决于加料和卸料过程中形成的流动模式。
    漏斗流模式:在平底或带料斗的料仓中,由于料斗的斜度太小或斗壁太粗糙,颗粒料难以沿斗壁滑动,颗粒料是通过不流动料堆中的通道到达出口的。这种通道常常是圆锥形的,下部的直径近似等于出口有效面积的*大直径。这种流动模式也称为“核心流动”
     
    • 当通道从出口处向上伸展时,它的直径逐渐增大,如图5-19所示。
    • 如果颗粒料在料位差压力下固结,物料密实且表现出很差的流动性,那么,有效的流动通道卸空后,就会形成穿孔或管道,如图5-20所示。
    • 情况严重时,物料可以在卸料口上方形成料桥或料供,如图5-21所示。
    • 这种流动通道周围的物料可能是不稳定的,在这种情况下,物料将产生一停一开式的流动、脉冲流动或不平稳流动。这些脉冲可以导致结构的破损。
    • 整体流模式这种流动发生在带有相当陡峭而光滑的料斗筒仓内,物料从出口的全面积上卸出。
    • 整体流中,流动通道与料仓壁或料斗壁是一致的,全部物料都处于运动状态,并贴着垂直部分的仓壁或收缩的料斗壁滑动。
    • 如果料面高于料斗与圆筒转折处上面某个临界距离,那么料仓垂直部分的物料就可以拴流形式均匀向下移动。
    • 如果料位降到转折点以下,那么通道中心处的物料将流得比仓壁处的物料为快。
    • 这种流动发生在带有相当陡峭而光滑的料斗仓内,物料从出口的全面积上卸出。整体流中,流动通道与料仓或料斗壁是一致的,全部物料都处于运动状态,并贴着垂直部分的仓壁和收缩的料斗壁移动。
    • 如果料面高于料斗与圆筒转折处上面某个临界距离,料仓垂直部分的物料就以栓流形式均匀向下移动。料位降到该处以下,通道中心的物料将流得比仓壁处的物料为快。
    • 目前,这个临界料位的高度还不能准确确定,它是物料内摩擦角、料壁摩擦力和料斗斜度的函数。
    • 避免了粉料的不稳定流动、沟流和溢流。
    • 消除了筒仓内的不流动区。
    • 形成了先进先出的流动,*大限度地减少了存储期间的结块问题、变质问题或偏析问题。
    • 颗粒的偏析被大大的减少或杜绝。
    • 颗粒料的密度在卸料时是常数,料位差对它根本没有影响。这就有可能用容积式拱料装置来很好地控制颗粒料,而且改善了计量式喂料装置的性能。
    • 由图可知,fc值和s1值的两条直线相交于一个临界值,由此可以确定料拱的尺寸B。根据流动不流动判据,交点以下,粉体物料形成足够的强度支撑料拱,使流动停止。该点以上,粉体物料的强度不够,不能形成料拱,就发生重力流动。
    • 已经表明稳定料拱的拱脚上作用着主应力s1,它与料拱的跨距B成正比。
    • 作用在料拱脚处的主应力可以表示为:
     
     

    式中,rB-物料容积密度,B-卸料口宽度,q-料斗半顶角, m为料斗形状系数,轴线对称的圆锥形料斗,m=1;平面对称的楔形料斗,m=0
     
    • 在相应的密实应力下,对粉体物料进行剪切试验,可以确定开放屈服强度fc,由此可以建立该粉体物料的流动函数FF
    7.11流动因子ff
    用来描述流动通道或料斗的流动性。
     
     

    式中,Sq)为应力函数,对于各种数值不同的有效内摩擦角、壁面摩擦角和料斗半顶角q,Jenike已经算出了它们的流动因素
     
     
    • 作用在流动通道上的密实应力越高,作用在料拱上的应力越低,那么流动通道的流动性或料斗的流动性就越低。

    流动函数FF和流动因素ff见上图。当密实主应力s1大于临界密实主应力,位于fc线之上的s1线部分满足流动判据,处于料拱上的应力s1超过料拱强度fc, 则发生流动。 s1小于临界密实主应力时,应力不足以引起破坏,将发生起拱。
    • 物料在料仓中的运动模式应为整体流模式,不应出现漏斗流模式。

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