粮机泵车臂架连接关节的设计与受力分析设计说明书.doc

机电工程学院 毕 业 论 文 论文题目: 粮机泵车臂架连接关节的设计与受力分析 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2012年 5 月 26 日摘要气力输送已经经过了数十年的发展，在粮食等散装物料运输行业中，气力输送以其不可替代的灵活性在起着不可替代的作用。伴随着吸粮机以及粮机泵车等器械的发展，气力输送的应用前景也是不可估量的。移动式气力输送机械的发展使气力输送迈上了一个新台阶。但由于气力输送所输送物料的多样性，无法用一种统一模型来研究气力输送中所遇到的问题，对于这一问题的解决目前还是研究领域的一项空白。另外气力输送中物料破碎关乎气力输送的成果，如何计算一台气力输送装置工作时对物料产生的破碎率，以及怎样以最低的破碎率和最高的输送效率来输送物料仍是很多研究者目前致力解决的问题。本文基于单颗粒球形和微元段两种基本模型在研究分析气流速度和物料速度的基础上总结了破碎率的一般计算公式。首先从倾斜管中单颗粒物料模型出发，在分析研究的基础上将研究单颗粒物料模型的计算方法应用与与输送实际联系更为紧密的物料微元段模型，由浅入深地总结出破碎率计算公式，为实际应用中气力输送机械的选用和设计提供了依据。此外，本文还设计论述了一种新型泵车臂架关节，并通过对关节的受力分析达到关节尺寸、关节材料的最优化设计。关键词： 气力输送 粮机泵车 物料速度 破碎率 球铰关节 受力分析Abstract: Pneumatic conveying has gone through several decades of development, in grain and other bulk materials transport industry, pneumatic conveying with its irreplaceable flexibility is playing a leading role. Accompanied by grain elevator and grain machine pump and other equipment for the development of pneumatic conveying, the application prospect is also immeasurable. But as a result of the material diversity in pneumatic conveying, there is not a unified model to study the problems encountered in pneumatic conveying. In addition , material crushing in pneumatic conveying is still what many researchers currently committed to solve. Based on the single particle spherical and segments of two basic models ,in the analysis of the flow speed and the speed of material on the basis of summing up the broken rate of the general formula, for practical application in pneumatic conveying machinery selection and provide reference for the design of it. In addition, this paper also discusses a new pump truck arm joint, and through the joint force analysis to the joint size, joint material optimization design.Key words: Pneumatic conveying Machine pump Material rate Broken rate Ball jionts Stress analysis目录摘要I关键词I第1章 绪论11.1仓储运输现状11.2 我国粮食仓储设备发展史11.3 我国现有的出入仓设备21.4 粮机泵车的优缺点及其性能要求31.5 泵车与吸粮机的布料装置（臂架及输送管）51.5.1泵车臂架的分类方法51.5.2粮机泵车臂架及输送管的性能要求81.6先前气力输送中存在的一些问题121.7本章小结13第2章 粮食气力输送过程中的粮食破碎问题142.1影响破碎率的主要因素142.2粒径对破碎率的影响272.3物料颗粒形状（球形度）对球破碎率的影响272.4弯管对破碎率的影响272.5综合分析272.6本章小结28第3章 单颗粒在管道内自由悬浮运动微分方程293.1不同阻力区单颗粒物料运动速度与L和t的关系313.1.1斯托克斯阻力区313.1.2牛顿阻力区333.2本章小结34第4章 颗粒群在管道内的运动微分方程364.1倾斜管中微元段模型364.2水平管内颗粒群微元段运动方程384.3铅垂管内颗粒群的运动微分方程394.4颗粒群运动的最终速度与速度比404.4.1倾斜管中的最终速度比404.4.2水平管中的最终速度比414.4.3铅垂管中的最终速度比414.4.4本次设计最大速度及达到最大速度时的运动距离的概算424.5本章小结43第5章 物料速度对破碎率的影响445.1破碎率的表达式445.1.1水平管中破碎率表达式445.1.2垂直管中破碎率表达式445.2本章小结45第6章 输送管连接关节的设计与受力分析466.1简介466.2臂架关节的设计466.3关节处受力分析496.4 本章小结51第七章 总结与展望52致谢53参考文献54第1章 绪论1.1仓储运输现状 近年来，随着种植技术和高品质粮种的研发，粮食产量的不断提高，粮食加工厂和粮食仓储规模的不断扩大以及劳动力成本的不断提高，使继续依靠大量人力来完成江海运输的装卸与散粮铁路运输、原粮进出车间等较繁重体力工作变得愈来愈不经济。因此，这便对粮食作物保管运输机械的应用范围与应用灵活性提出了更高的要求。这就要求必须有一类专用粮食仓储运输机械能够高效率高质量地完成运输仓储等工作。另外，目前国际上发达国家粮食“四散”（主要内容是推进粮食由包粮运输向散储、散运、散装、散卸“四散化”运输）物流水平已经达到90%以上，而我国不足30%，粮食流通“四散”化水平低直接制约着我国粮食物流水平的提高，也严重阻碍我国粮食加工运输产业的发展。国家发改委粮食现代物流发展规划（2006-2015年）提出2015年全国粮食总流通量应达到2.8亿吨，但以目前的物流技术水平要实现国家发改委提出的要求任务非常艰巨，当务之急便是加快粮食物流关键技术及装备研究，提高我国粮食流通的“四散”化能力。目前，我国大产量粮食物流装备基本上依赖进口，这就在一定程度上制约了我国粮食物流装备制造行业的发展。因此，迫切需要加快大产量、高效率粮食物流装备国产化研究，开展大产量移动式高效散粮进出仓技术与设备研究，促进我国大产量高效率粮食物流装备技术整体水平提高。1.2 我国粮食仓储设备发展史 我国粮食仓储机械起步较晚，自上世纪50年代开始，经历了60多年发展历程，在六十年前，粮食仓储机械如同当时的国家一样“一穷二白”，几乎处于完全依靠人力完成阶段。随着改革开放以及社会主义市场经济的大力发展，在几代人的努力之下，粮食仓储机械已经形成了规模初具、配套齐全的生产体系，粮食仓储机械的发展虽然取得很大的发展。但与国际发达水平还有很大的差距。相对于国家航空、航天等其它领域的飞速发展，还是相当滞后的。目前，粮食机械发展的滞后已经制约了经济的发展，这需要我们去深思。 粮食仓储机械的发展大致经历了以下阶段： （一）建国初期，基本上没有自主研发的粮食仓储机械，主要依靠从引进苏联、到消化、吸收国产化，为粮食仓储作业的机械化奠定了基础。 （二）改革开放后，1979 年6 月原商业部主持了粮仓机械选定型和标准化工作。此次工作为粮食仓储机械的选型、定性和标准化提供了依据，为以后粮食机械的设计与研发提供了统一参照规格。 （三）“七五”国家重点科技项目, 200t/h 筒库关键设备的研制使粮仓机械的科研生产上了一个新台阶。使我国粮食仓储机械的性能达到了80年代国际先进水平。 （四）钢板仓的制造及其应用技术的开发，对出入仓机械的性能及应用范围提出了更高要求，促进了我国粮食仓储机械的发展。 （五）粉尘控制和防爆技术的开发, 进一步完善了粮仓机械。 （六）港口散粮专用码头和储运设施的建设,打开了一个了解世界粮仓机械发展水平的窗口，使国内机械有机会与世界先进国家对比交流。 （七）18个国家机械化粮食储备库的建设, 促进了粮仓机械生产企业朝着生产正规化, 管理科学化的方向发展。 （八）“利用世行贷款改善中国粮食流通”项目的规划和实施,加快了我国粮仓机械行业走向世界的步伐。 我国粮食仓储机械的制造发展，体现了国家从计划经济向社会主义市场经济过渡的历史进程，也同样经历了计划经济改革开放市场经济的历程。1.3 我国现有的出入仓设备 怎样才能使粮食高效率高质量的进库保管就成了近年来机械工作者所致力解决的问题1。针对粮食输送和粮食入库难的问题，最早开发了散粮汽车和固定式吸粮机，固定式输送带、斗式提升机、托辊式胶带输送机等。固定式输送设备以其高效率等突出优势曾在仓储机械中独占鳌头，但在使用过程中存在许多不便。特别是近几年仓库存储愈发灵活，临时仓库在实际生产中应用更为广泛，对输送机械的灵活性要求进一步提高，迫切要求输送机械朝着拆装简单、方便灵活的 方向发展。固定式输送带等器械由于其占地面积大、移动不便、安装拆卸费时费力等因素已无法满足许多临时仓储业务，应用范围逐渐缩小。移动式输送设备以其独有的灵活性在现代化输送设备中逐渐凸显出来，其中利用气力输送原理运作和发展起来的吸粮机、泵车等气力输送装置更是得到越来越广泛的应用。图1-1 皮带式输送机吸粮机在实际生产中应用较早。吸粮机根据其作业用途和作业方式可分为江海铁路码头轨道式移动吸粮机、江海铁路码头固定式吸粮机和轮式多功能移动吸粮机，均可用于玉米，小麦、稻谷、棉籽、菜籽、高粱、小米等颗粒物料的运输装卸。轨道式移动吸粮机的作业方式是吸粮机在一预先设计好的固定轨道上移动，再通过移动和伸缩吸管来选择最合适的吸粮点；固定式吸粮机就是在固定位置通过移动和伸缩吸管来选择最佳吸粮位置，作业范围相对局限，隶属于固定式输送机械；轮式多功能吸粮机则通过手持遥控器或人工直接操作来控制机器在工作环境下自动行走转动并且抬高、降低或伸缩吸管来选择吸粮点和压送点3。这种移动式多功能吸粮机不仅操作方便灵活，应用范围广，而且通过优化设计解决了国内外吸粮机普遍存在的粮食破碎率高、配件寿命短易磨损、扬尘大、噪音高、行走不便等重大技术问题。因此，轮式多功能吸粮机是目前国内外科技含量较高、功能较全、用途较广的散粮输送设备。 作为一种类似于吸粮机的移动式输送设备，粮机泵车是目前许多学者都在潜心研究的项目。粮机泵车顾名思义，就是输送粮食的泵车，它集混凝土泵车与吸粮机的特点与一身，是气力输送机械中与吸粮机具有同等作用与类似功能的气力输送和机械。 不同之处即吸粮机是将粮食吸入自身储粮斗内，而泵车则是将粮食从自身储粮斗或配套汽车中泵送入库。1.4 粮机泵车的优缺点及其性能要求 粮机泵车与吸粮机一样属于气力输送装置。气力输送装置与传统粮食输送装置相比具有具有诸多优点2: (1)输送过程密封，这样便减少了物料泄漏与散料损失，同时能够保证物料不致于吸收工作环境中的水分、污损或者混入其他杂质，并且大大减少了输送场地的扬尘量，从而改善了劳动条件； (2)可同时配合多种工艺过程，如分选、冷却、混合、烘干等。可将这些加工工艺在一道生产线上同时完成，工艺过程的连续化程度提高，灵活性大，便于实现自动化操作。(3)输送生产率高，尤其是易于实现散装物料装卸运输的机械化，大大降低了输送成本。(4)设备结构简单，装卸、维修、管理方便。 但是必须承认，气力输送也有其不足之处: (1)风机在工作中作为主要动力装置，动力消耗大； (2)管道及其他直接与物料接触的零部件易于磨损，尤其是在输送磨啄性较大的物料时，零部件更换成本较高； (3)输送物料种类具有一定限制，不宜输送成团粘结和怕碎的物料。对于气力输送装置整体性能以及零部件的选择也有诸多需要考虑的因素：(1)粮食破损情况:粮食在输送过程中的破损情况直接影响粮食的价格和正常加工。因此，粮食的破损情况是衡量粮食输送器械性能的重要指标。我国的固定吸粮机技术条件中规定整个过程的粮食破损增加度不得超过0.3%.。 (2)风机的选择：风机是吸粮机的关键部件，风机的设计、选择直接影响到吸粮机的性能。目前，常用的风机主要是涡流风机和罗茨风机两种类型。涡流风机是低风压高风量，在粮食的输送过程中，风速比较高，输送率高，但风速大必然导致粮食对管壁的撞击力较大，因此粮食的破碎率很高，同时涡流风机必须要求有一定的管壁厚度和一定的管径大小以保证输送通畅和管道抗冲击抗摩擦性能，这就要求增加管道管径和壁厚。罗茨风机是高压力低风量，在输送作业过程中，风速较低，粮食颗粒粒对管壁的撞击力小，输送粮食的浓度比高，降低了粮食的破碎率，还可以在一定程度上减小管道的壁厚和管径，减轻操作者的劳动强度，但必然以降低说送效率为代价。 选择何种风机依实际需要而定。(3)设备使用寿命：使用寿命是评判设备价值的一项重要指标，设备的寿命直接关乎生产成本。如何尽量使设备在保证工作性能的条件下延长寿命，是机械设备研制过程中设计者着重需要考虑的问题。 (4)灵活性与产量：吸粮机与泵车的灵活性与其使用性能密切相关，也是其与其它设备相比的突出优点。如管道末节配备多用软管，可增加其灵活性，采用多自由度臂架连接关节等。但是其产量和效率必然受到影响。反之则要损失一定灵活性来保证产量和效率。不管是生产厂家还是使用单位均要在两者之间寻求平衡点。 (5)能量消耗：吸粮机和泵车的能源主要来自电机或柴油机，对于使用者而言，若工作地配有高功率的电缆，应尽可能选用电机类；若没有配高功率电缆，则选用柴油机类较为经济。 (6)灰尘控制：灰尘控制的好坏是选择气力输送机械的一个重要指标。灰尘控制能力差不仅会对环境造成污染，而且对操作人员身体健康有害，大量的灰尘进入罗茨风机，会使灰尘与叶轮之间相互摩擦，造成叶轮磨损，降低风机的使用寿命。因此，设计怎样的高效除尘过滤系统是气力输送装置的关键。 （7）性能与成本：设备的性能与其成本密切相关，性能越好的机械其成本必然愈高，其销售价格必然升高。生产厂家应在保证设备良好性能的前提下，降低成本，以满足不同消费者的生产需要。 1.5 泵车与吸粮机的布料装置（臂架及输送管） 泵车与吸粮机有许多相似之处。不同的是吸粮机利用风机将粮食吸入，而泵车则利用泵送系统将粮食泵出。吸粮机的许多技术问题也是泵车所不容忽视的技术难关。1.5.1泵车臂架的分类方法 目前，就国内外发展趋势来看，粮机泵车的设计理念还比较欠缺，有待提高与改善。本次设计的主题主要针对多功能移动式粮机泵车的的臂架。主要设计臂节长度分别是12m、8m、5m臂架在其正常工作情况下能否保证粮食作物在与其相互作用力下不被磨损，并且在臂架关节处不堵塞、不被挤碎。同时尽可能的延长臂架的使用寿命。粮机泵车的臂架与一般吸粮机相比无论是臂节数还是臂架长度都要大的多，臂架机构与混凝土泵车相似。其分类方法和结构设计均可以参考混凝土泵车臂架设计。 泵车臂架尺寸规格参数是泵车最重要的参数，臂架的结构形式也直接影响臂架的尺寸规格。通常按臂架如何伸缩、如何折叠以及伸缩折叠后的结构形式划分，混凝土泵车臂架的最基本结构形式是“Z”型和“R”型这两种折叠形式。“Z”型结构以双向对折形式来伸展或收缩臂架，臂架的伸展或收缩相对速度快是其突出特点。“R”型结构则以单向回折形式进行臂架的伸展或收缩，控制臂架到达泵粮点相对灵活是其突出特点。在“Z”型和“R”型臂架这两种基本形式的基础上，臂架形式又衍生出“M”型、“RZ”型、“RT”型等多种组合形式，这种组合形式主要应用于比价较长且臂节数量较多的情况。“RT”型结构是“R”型臂架与直接伸缩式臂架组合而成，主要特点是整车总体布置紧凑，但技术要求高，生产成本高。实际工作中应根据实际需要，可按照上述结构形式，并结合选择不同臂架数量进行多种形式的组合，以满足不同工况条件的要求。同时应综合设计臂架终端软管的自动控制装置，以及整体轻量化设计和结构优化设计等47。 本次设计是三节臂架，所以臂架形式主要采用R型和Z型，见图1-2、1-3。 图1-2 R型臂架和Z型臂架单个臂节的伸缩与抬起通过液压驱动装置和铰链装置实现。下图为R型和Z性臂节间液压支撑及连杆示意图。 R 型臂节间油缸及连杆示意图 Z 型臂节间油缸及连杆示意图 图1-3 R型和Z型臂节间油缸和连杆示意图 R 型臂架为油缸大腔进油，操作过程中所需的工作油压较低，布料作业范围相比Z型较大。Z型臂架在不工作时，油缸管道处于外露状态，易磨损，且展臂作业时为有杆腔进油，臂架举伸力稍小，需要较高的系统油压来完成臂架的正常作业。但与Z型连杆机构相比，R形臂架结构更为紧凑，连接形式简单，自身重量较小，且正常工作需要油缸行程小。二者各有优劣，根据实际需求来选择。图1-4 臂节间的支起伸缩装置气力输送管道的连接关节有多种形式，为了保证臂架可以实现一定角度的摆动以尽可能扩大布料范围，本次设计将管接头设计为球铰式连接关节，臂架关节弯管下端为铰球连接，由球座、铸铁球体、密封件等组成。它使下接直管能够绕其轴心作一定幅度摆动，增加臂节的工作灵活性、降低输送阻力、降低弯头磨损、节省能耗。详细结构设计见第六章。图1-5 臂架关节图1-6.移动式多功能吸粮机机构图1.5.2粮机泵车臂架及输送管的性能要求（1）臂架关节种类及性能要求 一般情况下，两节布料臂之间的铰接处由于应力应变最大，是整个臂架最薄弱的环节，在该区域也经常发生机械故障。同时在铰点处臂与臂之间的连接，起支撑作用的液压驱动臂和变幅油缸等装置也共同作用在此处，这就会在很大程度上限制实际空间尺寸，因此臂两端的结构设计是布料臂设计的一个重点。为解决这一问题，意大利CIFA公司最早采用两块弯板对接，并且上下两侧用多层加强板焊接，同时臂杆内部又设置了斜板以加强臂架的抗扭刚性。但这种结构不仅焊接工艺复杂，生产成本较高，而且多道焊接程序会在焊接区域产生较大的焊接应力和焊接变形，一定程度上那个影响焊接区的强度，在实际生产应用过程中存在很多不足，因此这种结构形式逐渐被淘汰。 根据计算方法、工作经验以及实验手段的不同，目前布料臂铰点机构形式在实际应用中主要有两大派别:一种是小箱型结构，以德国的PM公司和Wairzinger公司为代表。这种结构形式国内厂家的设计思路比较符合，在国内得到广泛采用。另一种形式是以意大利的CIFA公司和德国的SCHWING公司为代表的单板结构。这种结构形式对焊接过程中厚板件的处理、薄板件的对接以及厚板焊前热处理等具有较高技术要求，生产成本较高。但其突出的优点就是折叠空间小，减少了操作过程中的许多不便，因此从仍受到很多厂家采用。 图1-7德国PM公司的小箱型节点图1-8.单板结构（2）臂架的应力损坏 随着粮食仓储设备的多元化、灵活化发展，粮机泵车将会是现代粮食仓储事业中不可或缺的专用设备。使用过程中要求能够连续均匀的将粮食送到指定点，同时保证高效率运作。但是泵车一旦出现问题就会给正常工作带来诸多不便。因此，对泵车的使用性能要求颇高。 由于泵车的臂架是工作过程中直接与物料接触的部位，长时间承受粮食物料的冲击和摩擦，一旦性能不足，就会出现微裂纹。而这些微裂纹继续受到物料冲击摩擦，经过一定时间的交变应力循环就会发生扩散而形成宏观裂纹，最后随着裂纹的继续扩展使臂架发生断裂。 裂纹的形成主要有以下几个方面的原因6： 母材与焊缝没有完全融合。目前市场上大多数泵车的板材主要是高强度钢板，因此通常主要依靠焊接来实现连接。而焊缝融合不好是焊接中的一大致命缺陷，由此而产生的裂纹在作业过程中经常会遇到。 由于臂架板材一般为高强度钢板，在保证屈服强度时，有些强度可能会下降，例如塑性、延展性、可焊性等。在焊接时形成的热应力影响区，会引起焊缝及周边周边区域的强度降低。 臂架的连接部件如销轴、套筒等的磨损破坏会引起臂架尾部连接松弛，从而产生冲击力，这也是降低臂架寿命的原因之一。 臂架泵车在工作时，臂架成伸展状态，各节布料臂架、支腿液压缸锁死，整个臂架形式为一个悬臂梁结构，而悬臂梁在承受作用力时较简支梁等强度要求较高。在臂架工作时臂架管道充满物料，整个臂架便处于一种承重受弯状态。同时泵送液压缸活塞的往复循环，这种定频率的冲击作用使整个泵车承受一个具有一定频率的强迫冲击。在泵送油缸的冲击作用下，较长的布料臂会把整个震动放大，所以布料臂承受交变载荷作用，引起疲劳破坏。 臂节根部轴套处会产生应力集中。臂架板材所用的高强度钢板具有良好的韧性和塑性，原有裂纹在残余力和高应力作用下局部小范围屈服，这种情况下，在交变载荷作用下，微小裂纹会逐渐扩展为大裂纹。 以上种种原因都会使臂架产生疲劳破坏而大大缩短泵车使用寿命。严重影响泵车的应用范围和普及。（3）臂架材料的未来的发展趋势 粮机泵车于混凝土泵车类似，臂架长度的增加必然会导致重量的增加，这一客观条件制约着泵车臂架的长度与布料范围，这也是全世界臂架泵车发展的瓶颈。传统材料臂架长度加长会导致重量超过指定要求，这也就需要长度更长、质量更重的底盘来承载。这种超宽超长的泵车不仅无法在道路上正常行驶，而且工作应用中也会产生许多不便。此外，臂架越长，臂架不平稳性越大，断裂的风险越大；臂架越长，整车重量越重，需要的底盘轴桥数量越大；臂架超过一定长度与重量时为保证是正常工作时的平稳性，就需要有支腿来支撑，并且臂架越长支腿需要张开的面积就越大，需要的工作面积也就越大，这就会对工作地产生一定限制。 目前，很多臂架泵车技术先进的国家 都在致力于研发新的臂架泵车材料。碳纤维复合材料臂架技术的应用与发展，使臂架泵车的应用历史发生了创造性的改变，将臂架泵车技术推向了一个新的顶峰。碳纤维与普通钢材相比，具有很多优点： 碳纤维的密度小，只有普通钢材的五分之一，且碳纤维的密度比只有1.6克/立方米，远远小于钢材数值，这就能很大程度上减轻臂架重量。 碳纤维的强度很高，可达3500MPa，约为普通钢材强度的4倍。 碳纤维材料具有很好的减震性，整车震动降低了50%。 整车功率匹配降低的油耗达10%。寿命提高了一倍。碳纤维复合技术使原有的泵车臂架在保证原有性能的基础上大大减轻了重量，同时抗弯强度和抗磨损性能大大提高。是臂架泵车发展史上的历史性突破。（4）臂架输送管道使用过程中的磨损89一般情况下，金属材料的硬度越高，抗磨损的的能力越好，因此工程实践中通常通过提高材料的硬度来提高耐磨性。但是泵车臂架在工作过程中承受重载，且承受一定弯矩，悬臂梁结构首先要保证材料的韧性，其次才考虑材料硬度，以防弯折。但是在保证韧性的前提下必然要以牺牲耐磨性为代价。粮食输送过程中，粮食颗粒与管道之间直接接触，不断滚动摩擦，接触表面不断受到循环变化的接触应力，长时间的作用最终会导致表面裂纹扩大或表面材料脱落，形成凹坑，在表面产生疲劳磨损。因此输送管道所用的材料特性是一项重要因素。不仅要保证韧性，还要考虑耐磨性以提高臂架寿命。另外，输送管道的连接关节处是整个管道最为薄弱的环节。（5）臂架管道使用过程中的受力分析 气力输送是利用气流作为输送动力，在管道中运送粒状物料颗粒。气力输送装置由于其结构简单、输送效率高、可连续输送、且节能环保等优点而得到广泛利用。在输送管道中，固体颗粒与气体介质并存，此类流动过程成为气固两相流体流动。除完整物料颗粒以外，管道中还存在许多破碎粮食颗粒、灰尘、杂质等固态物质，物料流动状态极不稳定。在管道底部，大量物料堆积，流动速度缓慢，流动状态接近于密相气力输送。在管道上部存在高速气流，且存在部分悬浮物料，属于稀相气力输送。综合整个管道内的物料流动情况，将管道内物料整体归结为中相气力输送。图1-9 中相气力输送1.6先前气力输送中存在的一些问题 从上世纪开始就有许多学者致力于气力输送的研究，虽然在该方面取得了很大进展，担任有许多方面不尽人意。特别是对于气力输送的基础理论研究过程中，仍存在很多欠缺10。例如： （1）尽管近年来，国内外许多学者都针对气力输送过程中这种气固两相流动状态建立过许多数学模型，并且进行了诸多细致的研究工作，但这些模型打都针对直径微米级或者更小范围的颗粒物料。而气力输送对象十分广泛，物料直径从几微米到几厘米不等，对于大部分农作物，直径都处于厘米级，这是若仍运用上述模型来分析计算便会存在很大误差，甚至根本无法使用。 （2）近年来气力输送的理论研究中，对于农作物颗粒物料的气力输送研究并没有取得实质性进展。其基本原理、数学模型和研究方法，也没有发生很大变化，并且针对此方面的学术论文研究也少之又少。 （3）气力输送对象种类繁多，物料形状和特性也各有不同，并且气固两相流又可分为疏相、中相、密相等，运动机理十分复杂，很难根据其中的某一特征量建立普遍使用的数学模型和解析方程，只能通过大量实验和一些经验或半经验的关联式。当遇到一些更加复杂的情况时，则需要一些附加效应项和修正系数来进行修正。并且，实际所得结果的准确性，很大程度上取决于实际物料本身与理论假设理想物料的相似程度，而这种相似程度则很难控制和把握。 （4）气力输送实际输送过程复杂，会受到许多不确定因素的影响，并且很多状态量之间存在着及其繁琐的非线性关系，无法用一个数学解析模型来描述整个气力输送过程的完整运动状态。 （5）从某种程度上来说，气力输送管道中的物料颗粒群的运动是非常随意的，很难用基于精确数学模型且无法用常规控制手段来对运动过程中的一些重要状态量进行调节和控制，这就给气力输送设备的现代化和自动化带来很多困难。此次设计将问题简化，首先只针对一种物料（以小麦为模型）进行分析。建立气力输送管道中的数学模型，并通过对其受力分析建立微分方程，通过数值分析建立最优化模型。力求在物料破损率最小的条件下最优化输送效率。1.7本章小结 本章主要针对国内粮食输送机械的发展现状论述了我国与国外同领域之间的差距，通过将常用输送机械与气力输送装置进行对比，指出了气力输送装置的优缺点，并且针对粮食输送机械所要求的性能等因素展开讨论，指出粮食输送机械的结构及材料性能要求。通过吸粮机与泵车的比较指出泵车的一些特别之处，展望了粮机泵车的发展趋势。第2章 粮食气力输送过程中的粮食破碎问题众所周知，气力输送在粮食作物的出入仓过程中起着不可或缺的作用。但由于气力输送的特殊性质，颗粒状物料的破损是实际生产中所必须考虑的问题。首先，物料的破损必会产生细粉，这就会产生进一步处理细粉的问题；另外，破碎有可能会改变物料的物理甚至化学性质从而最终影响产品的质量。比如在粮食种子输送中，如果破碎率过高就会影响种子的发芽率。小麦粉经气力输送后破碎淀粉增加，而破碎的淀粉对小麦的烘焙及蒸煮品质影响很大。对于一些易燃物料，输送过程中产生的细粉过多，就会增加物料与空气的接触面积，细粉越多，这种物质燃烧所需的能量就越少，从而更容易燃烧甚至爆炸，大大增加了生产过程的危险性11。所以，如何控制所输送物料的破碎率一直是研究者致力解决的问题。2.1影响破碎率的主要因素 单个物料颗粒球化模型分析： 对于单颗粒模型而言，影响破碎率的主要因素有： （1）物料颗粒速度； （2）物料颗粒粒径； （3）物料颗粒形状球行度； （4）物料颗粒密度； （5）弯管因素（弯曲角，弯曲半径R，弯头数n）。 物料颗粒在管道中输送时，粒子在输料管断面上的分布是不均匀的，并且各个粒子反复产生旋转、摩擦和碰撞，其运动极为复杂，无法定量研究单个粒子的速度，仅能从理论上推知所有粒子的平均速度。管道中物料粒子的速度总是小于输送气流速度的。工程上采用下式进行概算：对垂直管： （2-1）对水平管： （2-2） 对弯曲管 （2-3）式中： -弯曲角为处的粒子速度（m/s）; -弯管进口处的粒子速度（m/s）; -弯管处管壁与粒子摩擦系数； -弯管的弯曲角。（1）垂直管内悬浮速度12 垂直管中颗粒的悬浮机理比较简单，气力输送之所以能输送物料，主要是由于空气动力的作用，物料所受空气动力的大小与空气和物料的相对速度有关，而物料在管道中的运动状态直接影响输送效果。在悬浮输送状态下，垂直管道内，自下而上通气流，此时物料颗粒受两种力作用：一种是颗粒自重和空气浮重之差（Ws-Wa），一种是空气动力Rs,要使颗粒悬浮，必须满足浮重与空气动力相平衡的条件。颗粒首先在重力作用下自由下降，空气阻力是随着速度的增大而不断增大，颗粒下降速度增至某一数值时，颗粒受到的阻力、重力、浮力之间将出现平衡，颗粒就以匀速向下运动，这时颗粒所具有的下降速度称为沉降速度。如果气流以等于物料颗粒沉降速度的速度向上运动，那么物料颗粒将处于某一水平面左右摆动，不上不下，此时空气流的速度称为该颗粒的悬浮速度。沉降速度和悬浮速度虽然在意义上不同，但在数值上是相等的，将它们统称为颗粒的临界速度。对于直径为ds(不规则物料取当量直径)的球形物料颗粒，在静止空气中的浮重（颗粒所受重力和浮力之差）为：图2-1垂直管中物料悬浮状态 即： （2-4） 式中： -物料粒子重度（N/m3）； -空气重度（N/m3）。 当悬浮速度以表示时，则物料颗粒所受到的静止空气的阻力为： （2-5）式中： Cf-绕流阻力系数C的特殊值，粒子以等速度在流体中运动时的阻力系数。根据力平衡条件，则有： （2-得 ： （2-7） 若以密度表示，因，则： （2-8） 因为阻力系数C是雷诺数Re的函数， 其中和k是由决定的系数。也就是说，悬浮速度由绕流阻力系数C来确定，而C又由确定，但的大小又需由来解出，所以公式（2-8）上不能用来实际计算。工程上通常根据实验所得出的雷诺数和绕流阻力系数C的关系曲线图将其大致分为三个区域，如图2-2所示。图2-2 雷诺数Re与扰流阻力系数C的关系 三个区域分别为：斯托克斯公式（粘性阻力区，） 当颗粒体积较小时，速度较低，气流易于从颗粒表面绕流过去，颗粒表面的附面层不会分离，此时物料受到的主要是粘性摩擦阻力。 斯托克斯通过简化粘性流体运动微分方程后解出： （） （2-9）式中： ds-物料粒子直径； -流体动力粘系数； -粒子悬浮速度； -空气密度。将C值代入（2-8）得： （2-10） 上式即为计算层流状态的粘性摩擦阻力区悬浮速度的斯托克斯公式。但该公式仍无法用于实际计算。因为该公式的条件是，但未知，也就无法得知，进而无法判定，但可以通过计算得出其适用的粒径范围。由 得： （2-11）（2-10）和（2-11）所得的悬浮速度相等，即： （2-12）得： （2-13）又，将g值代入得： （2-14） 上式即为适用于粘性摩擦阻力区的粒径范围公式，这样就把用判定流态转化为用粒径范围来判定流态。由于物料粒径通过筛析测量易于确定，工程上一般采用粒径法，即先确定输送物料颗粒大小，然后选用相应公式来计算。工程上输送粉状物料时（ds0.07mm），如水泥、粘土粉、面粉、煤粉等，在气力输送计算中，一般只考虑粘性阻力，均用斯托克斯公式计算。综上：斯托克斯区悬浮速度计算公式为：适用的粒径范围为：阿连公式（过渡区，） 当颗粒大于粉料体积时，且速度稍大一些，气流在物料颗粒后部就会出现附面层分离，进入过渡区。 阿连在实验基础上提出下列公式 （2-15） 将C值代入（2-8）得： （2-16） 上式即为计算过渡区悬浮速度的阿连公式，（2-11）和（2-16）所得悬浮速度相等，即： （2-17）得： (2-18)又1Re500，将其代入上式，得： (2-19) 适用于输送中颗粒物料（粒径ds=0.071mm）,如硅砂等，在气力输送计算中均按 阿连区处理。可采用公式（2-19）求悬浮速度vf。综上，阿连区悬浮速度计算公式为：适用的粒径范围为： 需特别指出的是：由公式（2-14）和公式（2-19）可以看出，斯托克斯公式和阿连公式分界点处粒径并不相等，也就是说两区在适用粒径上没有连接。这主要是由于过渡区的绕流阻力系数实际上是一条非常复杂的曲线，在简化区域时，只用来代表全部过渡区，必然会造成误差。若想使两区在适用粒径上连接起来，则应根据分界点处粒径相等的条件来划分雷诺数范围。又（2-13）和（2-18）相等。则有： （2-20）由此式解出： （2-21） 这样，实际的斯托克斯区为，阿连区为，因而斯托克斯区粒径范围为： （2-22）阿连区的粒径范围为： （2-23）这样就把两区连接了起来。从而使分区和应用更加合理，在理论上也更加严格。3）牛顿公式（压差阻力区，） （2-24）将C值代入（2-5）得： （2-25）上式即为计算压差阻力区的悬浮速度的牛顿公式。显然，公式（2-25）和公式（2-11）所得悬浮速度相等，即： （2-26）得： （2-27）将代入上式，则得： （2-28）输送较大颗粒（粒径ds=1mm以上）用（2-25）求悬浮速度。综上，牛顿区的悬浮速度计算公式为:适用的粒径范围为：本次研究课题粮机泵车所输送物料粒径基本上都是1mm以上的大颗粒物料，所以均采用牛顿公式计算悬浮速度。（2）水平管中颗粒的悬浮机理 在水平管内，对于不可忽略重量的农作物颗粒，首先由于自身重力作用而下降至管底，其次，气流对颗粒产生水平方向的推动力。但从这两个垂直方向的力来说，颗粒无法悬浮。但实际上水平管内仍可以作悬浮输送。这主要输由于气力输送管道中气体流速并非均匀分布，接近管壁的速度小，并且向管心逐渐增大，这种速度差使流场中存在大量旋涡。气流的这种性质及颗粒所处的位置等因素决定了颗粒可以悬浮。可以做以下几种分析: 紊流时各点气速不均。当铅直方向的速度分量对颗粒产生的气动力克服重力时颗粒即可悬浮。 处于管底的颗粒，由于气流分布上部大下部小，由伯努力方程知上部受到的压力小下部受到的压力大，形成悬浮力。 由于气速不均等因素引起颗粒旋转，颗粒旋转又引起周围环流和气流叠加，使上部气流速度变大而压力降低，下部气流速度降低而压力增大，结果使气流对颗粒作用一个向上的升力，也就是所谓的Magnuse效应升力。（3）影响悬浮速度的因素：物料粒子粒径和密度 由公式（2-8）知影响悬浮速度的因素有物料粒子的粒径ds，物料粒子密度（输送系统中气流为空气流，所以空气密度为固定值）。物料形状上述对悬浮速度的推导公式前提是物料颗粒为规则球形。但一般气力输送中遇到的物料颗粒大多是不规则形状，如采用上述公式计算悬浮速度必须把颗粒换算为当量圆球，以当量圆球直径作为物料粒子直径来计算悬浮速度。所谓当量圆球直径就是质量与密度都与被研究物料颗粒相同的圆球直径。当量直径按下式计算 （2-29）式中：-当量直径（m）; -颗粒质量（Kg）;-物料密度（Kg/m3）。物料颗粒形状对悬浮速度有极大影响，以球形颗粒悬浮速度为最大。各种不规则物料颗粒的悬浮速度较小，这是由于形状不规则时阻力系数大，所以对于形状不规则的物料颗粒悬浮速度还需用形状修正系数来修正计算。 （2-30）式中： -不规则形状颗粒悬浮速度（m/s）; -球形物料悬浮速度（m/s）; -形状修正系数，见表2-1。 表2-1 实验测定计算的物体形状系数K1 管壁对悬浮速度的影响 所有的输送都是在管道中进行，特别是对于输送管道直径相对于物料颗粒直径来说不是很大的情况下，管壁对悬浮速度的影响是不可忽略的。气体在管道中流动时，同样会在管道内壁上形成附面层，这就造成靠近管壁的流体流速臂管道中心流速明显降低。同时物料颗粒与管壁也在不断发生碰撞和摩擦，以上这些因素都会降低管壁的悬浮速度。考虑管壁影响的悬浮速度的一般公式为： （2-31）式中： -任意形状颗粒的临界速度（m/s）； - 颗粒的当量直径（m）; D- 管道直径（m）.此次研究输送对象为小麦，粒径约为2mm4mm，输送管径为100mm,因此，管壁对悬浮速度的影响可以忽略不计。综上：用管径为100mm的输送管输送小麦，综合考虑各因素后管中小麦颗粒的悬浮速度计算公式为： （2-32）式中： -小麦颗粒的当量粒径，通常为2mm4mm; -形状修正系数，小麦取2.27.; -小麦密度，通常为650kg/m3800kg/m3.; -空气密度，为1.185kg/m3。代入数据，小麦悬浮速度： （2-33）(4)输送气流速度 输送气流速度，应保证物料在管道中不堵塞，不致碎，引起的管道阻力损失较小为原则。也就是选择经济速度。实际的输送气流速度要比物料悬浮速度大的多，可参照现有气力输送装置的经验或或根据物料悬浮速度选取。理论上，通常将输送物料所必需的气流速度表示为悬浮速度的函数