料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统及方法

1.本发明涉及粉体受力测量技术领域，尤其是一种料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统及方法。


背景技术：

2.生物质材料通常被加工成颗粒状或粉状以利于后续的输送和利用。料仓-螺旋给料系统因结构简单，便于调节和工作可靠的特点在生物质粉输送过程中被广泛的使用。料仓-螺旋给料机在粉体输送的过程中通常需要控制连续、均匀、稳定的流量，来确保工业生产的正常进行。粉体是一种以颗粒集群形式存在的散装固体。稳定的粉体输送与粉体物性、受力及料仓-螺旋给料系统的设计有关。粉体既具有像普通固体抵抗部分剪切力的能力，在将其自然堆放时可形成一个有固定锥角的堆，同时也具有像液体一样的流动性，粉体可以使用螺旋给料机或气力输送的方式进行高效率，高精度的输送。此外，部分粉体具有可压缩的特性，粉体在受到很小外力的作用下，其体积和密度变化明显，粉体内部的受力特性也会随之发生改变，增加了粉体输送过程中的不确定性。一些粉体还具有粘性，粉体和粉体之间存在很明显的作用力。粉体粘性在粉体流动的过程中起到了决定性的作用。由于粘性力的存在会导致粉体输送过程中结团、桥接和形成鼠洞，导致粉体输送稳定性降低。
3.料仓-螺旋给料系统的结构和设计参数是给料系统最重要的一环，直接决定了输送的稳定性。粉体在料仓中的受力由于粉体能抗剪切力和壁面效应的存在，并不是像液体一样压力大小与液位高度成线性关系，且在同一水平面上不同半径处其受力状态也不同。粉体在螺旋内的受力与运动受到螺距，螺旋半径、螺距与螺旋半径的比值、螺旋与套筒间距等参数的影响。螺旋对粉体流态影响因素众多，且在具体的物料输送中与物料的特性也有一定关系。所以在设计螺旋的过程中，重要参数的确定均是通过经验公式计算得到，与实际情况与设计指标有一定的偏差。
4.为了优化料仓-螺旋给料机中螺旋的设计，降低螺旋内粉体结团率，减小喷粉波动性，需要了解和掌握螺旋内粉体的受力压缩特性。现有技术中，对于粉体受力状态的测量与分析，受装置的限制而基于测量螺旋扭矩并进一步积分计算得到粉体所受到的应力，即采用间接测量方式获得应力，这导致计算工作复杂，且间接造成了误差的产生。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统及方法，目的是简化测量方法、提高测量精度。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统，包括料仓、套筒、由动力装置驱动的绞龙螺旋、以及吊具；
8.所述套筒水平设置于料仓底部、与料仓固定连接；
9.所述绞龙螺旋位于套筒的内部，并与套筒同轴设置，绞龙螺旋通过其暴露在料仓
中的部分将料仓内的粉体沿套筒轴向进行输送；
10.所述吊具，用于悬吊套筒及料仓，使料仓相对于地面保持垂直、套筒相对于地面保持水平，并使套筒与绞龙螺旋之间不接触，以保证套筒轴向所受驱动力仅来自粉体轴向输送对其产生的摩擦力；还包括轴向阻力传感器，所述轴向阻力传感器用于测量输送过程中套筒沿轴向所受的驱动力即剪切面及套筒面上粉体所受的轴向阻力。
11.进一步技术方案为：
12.还包括固定机架，其上安装有挡板，所述挡板平行于套筒的端面，所述轴向阻力传感器安装于挡板上并与套筒的端面相贴合。
13.所述挡板与所述固定机架活动连接。
14.所述吊具包括悬吊绳和水平固定件，所述料仓顶部两侧、以及套筒上分别设有吊耳，各吊耳分别通过所述悬吊绳与布置在料仓上方的水平固定件连接。
15.一种利用所述的料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统的测量方法，包括：
16.通过吊具调整料仓及套筒沿垂直方向的位置，使套筒与绞龙螺旋同轴且互不接触；
17.向料仓下料，下料结束后，将轴向阻力传感器归零；
18.开启绞龙螺旋的驱动装置，粉体开始沿套筒轴向输送，输送稳定后，读取一段时间内不同时刻的轴向阻力传感器的读数并记录，轴向阻力传感器所记录的数值即为剪切面及套筒面上粉体所受的轴向阻力。
19.本发明的有益效果如下：
20.本发明测量装置结构设计合理，将套筒与螺旋分离，利用传感器所测数值直接表征粉体轴向阻力，和现有的通过测量螺旋扭矩并进一步积分计算得到粉体所受到的阻力的间接测量方式相比，不仅测量方法简单，还避免了计算导致的误差。
21.本发明的测量系统及方法具有扎实的理论和工程依据，能够满足实际应用需求，准确性较高。通过直接读取传感器数值即获得粉体的轴向阻力，为高效开展受力状态的测量与分析、优化螺旋设计提供准确的分析数据。
22.本发明系统结构简单、安装方便且可以根据床料的特性调节套筒高度。
23.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
24.图1为本发明测量系统的立体结构示意图。
25.图2为图1的俯视图。
26.图3为本发明料仓和套筒的安装结构的分解结构示意图。
27.图4为本发明粉体受力模型示意图。
28.图中：1、电机；2、料仓；3、垂直应力传感器；4、套筒；5、绞龙螺旋；6、轴向阻力传感器；7、水平固定件；8、悬吊绳；9、挡板；10、固定机架。
具体实施方式
29.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
30.参见图1，本实施例的一种料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统，包括料仓2、套筒4、由动力装置驱动的绞龙螺旋5、以及吊具；
31.套筒4水平设置于料仓2底部、与料仓2固定连接；
32.绞龙螺旋5位于套筒4的内部，并与套筒4同轴设置，绞龙螺旋5通过其暴露在料仓2中的部分(如图2所示)，将料仓2内的粉体沿套筒4轴向进行输送；
33.吊具，用于悬吊套筒4及料仓2，使料仓2相对于地面保持垂直、套筒4相对于地面保持水平，并使套筒4与绞龙螺旋5之间不接触，以保证套筒4轴向所受驱动力仅来自粉体轴向输送对其产生的摩擦力；
34.如图3所示，为套筒4与绞龙螺旋5的安装结构的分解结构示意图。
35.还包括轴向阻力传感器6，轴向阻力传感器6用于测量输送过程中套筒4沿轴向所受的驱动力即剪切面及套筒面上粉体所受的轴向阻力。
36.上述实施例的测量系统，套筒4及料仓2通过吊具悬空设置，保持在送料过程中绞龙螺旋5始终不与套筒4接触，避免绞龙螺旋5对套筒4直接作用，因而套筒4及料仓2只受到粉体的轴向作用力(驱动力)而只能沿轴向运动，轴向作用力可被轴向阻力传感器6测量，根据作用力与反作用力原理，套筒4及料仓2所受到的粉体的轴向作用力与如图4所示的粉体在剪切面和套筒面上所受的轴向阻力相等，因而通过轴向阻力传感器6的测量即可获得粉体在剪切面和套筒面所受的轴向阻力。
37.上述实施例中，如图1所示，还包括固定机架10，其上安装有挡板9，挡板9平行于套筒4的端面，轴向阻力传感器6安装于挡板9上并与套筒4的端面相贴合。
38.具体的，挡板9与固定机架10活动连接。从而便于调节挡板9的水平位置。
39.优选的，挡板9底部装有滑块，固定机架10上安装有与滑块配合的导轨。
40.上述实施例中，吊具包括悬吊绳8和水平固定件7，料仓2顶部两侧、以及套筒4上分别设有吊耳，各吊耳分别通过悬吊绳8与布置在料仓2上方的水平固定件7连接。
41.优选的，料仓2顶部的两个用于与水平固定件7相连的悬吊绳8呈倒v形，套筒4与水平固定件7连接悬吊绳8呈垂直状态。
42.具体的，绞龙螺旋5一端与电机1及相应的减速机构连接，整个绞龙螺旋5及其驱动装置安装在固定机架10上。
43.本实施例的一种利用所述的料仓-螺旋给料机内粉体受力的测量系统的测量方法，包括：
44.通过吊具调整料仓2及套筒4的位置，使套筒4与绞龙螺旋5之间不接触；
45.开始向料仓2下料，下料结束后，将轴向阻力传感器6归零；
46.开启绞龙螺旋5的驱动装置，粉体开始沿套筒4轴向输送，粉体输送过程中，套筒4端面与轴向阻力传感器6相接触，输送稳定后，读取一段时间内各时刻下的轴向阻力传感器6的读数并记录，轴向阻力传感器6即为如图4所示的粉体在剪切面和套筒面所受的轴向阻力。
47.根据所记录的结果可通过拟合曲线分析出特定时间段内粉体收到的轴向应力的变化情况。
48.其中，套筒面即为套筒4内壁处，剪切面为粉体之间输送过程中相互之间的作用面。
49.上述实施例的测量方法摒弃以往所使用的对螺旋输送的驱动力进行积分计算算出螺旋运动所需的扭矩的间接测量方法，创新性地将螺旋套筒与螺旋分开，直接通过套筒轴向阻力而获得粉体轴向应力，方法简单，精度高。
50.以下进一步说明本技术方案的有效性。
51.如图4所示，为粉体受力模型示意图。
52.各个作用面上粉体所受轴向阻力为：
53.剪切面上粉体所受的轴向阻力f
sa
：
[0054][0055][0056]
上式中，μe为粉体等效摩擦系数，μe＝(0.8～1)sinδ，δ为粉体有效内摩擦角；c
p
为螺距与螺纹直径之比，c
p
＝p/ro，p为螺距，ro为螺旋直径，αr为螺旋倾角，φf为剪切面阻力与螺纹面上法向量的夹角，σv为垂直应力，其可通过如图1所示的安装在料仓2底部的垂直应力传感器3测得；
[0057]
套筒面上的粉体所受的轴向阻力f
ta
：
[0058][0059][0060]
上式中，c
t
为套管直径与螺旋直径之比，c
t
＝2r
t
/ro，r
t
为套管直径，cd为中心轴直径与螺纹直径之比，cd＝rc/ro，rc为中心轴直径，μ
wc
为轴面摩擦系数，λs固体在受限表面上滑动时的应力比；
[0061]
在工况条件相同的情况下，求解上述的剪切面及套筒面上所受的轴向阻力f
sa
与f
ta
之和，所得的计算结果与本技术轴向阻力传感器所测结果之间的误差很小。
[0062]
本技术描述粉体内部应力时，认为剪切面与套筒面上粉体的轴向阻力与套筒所受的轴向驱动力相等，在逻辑上符合理论，同时也贴近实际情况，因此本技术测量方法有效、精度高。能够更高效、精确地获得粉体内部应力状态分布规律。
[0063]
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。