关于辊式磨粉机喂料系统的研究

2007,No.12

关于辊式磨粉机喂料系统的研究

何　方

(河南工业大学,河南郑州　450052)

摘　要:对辊式磨粉机喂料系统的相关技术问题进行了比较全面深入的分析,对比自动调节料门开度和自动调节喂料辊转速两种伺服喂料提出了与传统观念不同的新看法,提出了考虑空气阻力时喂料轨迹的计算方法和相关的计算公式,分析了气流加速喂料的工作原理。

关键词:辊式磨粉机;喂料系统;喂料轨迹

中图分类号:TS211.3　　文献标识码:A　　文章编号:1003-6202(2007)12-0004-03OnResearchDirectionforFeedingSystemofRollerMills

ABSTRACT:Relevanttechnicalproblemsofthefeedingsysteminarollermillweredeeplyanalyzed.Newopinionsdifferentfromtra-ditionalideaswereputforwardfortwoservofeedingsystemsofopeningofauto-adjustingfeedinggateandrotatingspeedofauto-ad-justingfeedingroll.Thecalculationmethodandrelevantformulaswerepresentedforfeedingtrackunderconsideringairresistanceandtheworkingprincipleforairflowacceleratedfeedingwasanalyzed.KEYWORDS:rollermill;feedingsystem;feedingtrack　　辊式磨粉机(以下简称磨粉机)的喂料系统通常由喂料辊、喂料辊传动、料门、料门调节机构、料流引导装置等部分组成。喂料系统工作性能的优劣,直接影响磨粉机的碾磨工艺效果。

1　对喂料系统功能和性能的要求

根据制粉工艺的特点和物料的性质,磨粉机的喂料系统应满足以下基本要求:①能连续、准确、稳定地把物料供送到研磨区,并均匀地铺满整个磨辊辊长;②能够根据进机物料流量的变化自动或手动调节喂料流量;③能适应磨辊辊径的

变化及各道研磨系统物料性质的差异;④当磨辊离轧时停止喂料。

2　影响喂料效果的主要因素

磨粉机中影响喂料效果的因素很多,其中最主要的可归纳为以下几个方面:①喂料辊的齿型配备和喂料辊转速;②料门间隙的均匀性;③喂料流量的自动调节。

国内外的大中型辊式磨粉机现在都是采用双喂料辊喂料,由于各道研磨系统物料的粒度、形状、密度、散落性(即流动性)等有差异,因此喂料辊需要配备不同的齿型。目前,喂料辊的基本齿型有梯形齿、锯形齿、螺旋齿、苞米齿、桨叶5种,其中梯形齿、锯形齿和苞米齿还可以有不同的齿高,从而形成7～9种齿型可供选择。

梯形齿的沟槽事实上是圆弧形,适用于散落性较好的物料,这种齿不易黏附物料,耐磨性也较好,是使用场合最多的齿型。锯形齿的前角陡峭,推料作用优于梯形齿,可用于散落性较差的物料。螺旋齿是由两条从辊的中心截面向两端

收稿日期:2007-10-28

作者简介:何　方(1951-),男,副教授,主要从事粮油加工过程装备的教学与研究开发。延伸的、旋向相反的螺旋形沟槽构成,主要用途是向两端均料,使喂料料流能够铺满整个磨辊辊长,同时兼有沿喂料辊切向推进物料的作用。苞米齿俗称“狼牙棒”,其齿形粗大,是专为供送含有较大麸片的物料而设计的。ⅠB以外的其它皮磨,由于物料的散落性差,其后喂料辊若使用前几种齿

型容易使物料结拱,通常改用桨叶向外推料。

前喂料辊的转速是影响喂料效果的重要参数,主要表现在影响喂料流量、均料效果和喂料轨迹等方面。该辊转速过低不仅影响磨粉机的生产率,当其主要作用是“分流”时还直接影响均料的效果,但其转速也不宜过高,转速太高时受离心力的影响会使物料相对辊面打滑或过早地抛离喂料辊。根据计算,当前喂料辊直径为75mm时,其极限转速为155r/min,当前喂料辊直径为90mm时,其极限转速为141r/min。

料门间隙的均匀性也是不可忽视的影响因素,对于研磨系统的后道尤为重要。现在一些磨粉机中料门一端的支承是可调的。除了机器组装时要在最小料门位置进行精细的调整外,为了确保小喂料流量时喂料的均匀性,零件加工时还要特别注意料门刀口在两个方向的直线度。

根据进机物料流量的变化自动调节喂料流量,目前有两种基本的方法,一种是自动调节料门的开度,另一种是自动调节喂料辊的转速,两种方法各有千秋。

3　两种伺服调节系统的分析比较

对于自动调节料门开度和自动调节喂料辊转速,现在业内普遍认为后者的喂料效果应该更好。理由是,辊式磨粉机的磨辊是定轧距工作,自动调节料门开度会使喂料流层的厚

何　方:关于辊式磨粉机喂料系统的研究/2007年第12期度发生变化,因此无法获得稳定的研磨效果;而自动调节喂料辊转速可使喂料流层厚度不变,从而始终保持最佳的碾磨效果。基于这一认识,近年来国内的磨粉机制造厂家纷纷仿效国外也开发出了喂料辊变频调速的所谓“高端产品”。对于这种观点,表面看来似乎颇有道理,其实是一种误解。问题在于它忽略了两个重要的方面:一是磨辊辊面的线速度远远高于喂料辊辊面的线速度,二是自动调节喂料辊转速时磨辊的转速并不随之改变。

　5

变来确定各道磨粉机前喂料辊转速的。关于喂料轨迹的计算过去有一个简易的方法,但此方法的计算误差太大,其主要原因有两个:一是未考虑喂料辊齿形对抛料初速度大小和方向的影响,二是忽略了物料颗粒在空中下落时受到的空气阻力。尤其是后者,若不考虑空气阻力的影响,只要前喂料辊的齿形和转速一样,各道磨粉机就应该具有相同的喂料轨迹,喂料轨迹和物料的特性无关,这与生产实际显然是不相符的。

不同的喂料辊齿形对抛料初速度的大小和方向都有影响。当前喂料辊为螺旋齿时,物料与其接触到后将通过摩擦有一个加速过程,但物料最终能否加速到与辊面等速,还取决于可利用的加速弧段的长度和物料所受离心力的大小。当可利用的加速弧段较短时,物料有可能尚未加速到与辊面等速就沿辊面下滑;当前喂料辊转速较高时,物料又有可能尚未加速到与辊面等速就被抛离辊面。因此,盲目提高前喂料辊的转速是没有意义的。当前喂料辊为其它齿形时,物料是靠辊齿推进,不存在加速过程,抛料点的位置和抛料初速度的大小由喂料辊转速决定。

关于抛料角和初速度的计算由于篇幅所限这里不再赘述,下面仅就考虑空气阻力时物料在空间的下落情况进行一些定量的分析,有关的计算方法对于研究其它设备中物料的下落或许也有一定的参考价值。

物料在空间的运动如图2所示。设抛料初速度为v0,初速度的方向角为ψ,物料颗粒在空间任意位置的瞬时速度为v,对应的速度方向角为 。图3为物料颗粒在空间的受力情况。其中:

图1　喂料流层厚度与入轧物料厚度

如图1所示,我们可以把喂料辊和磨辊想象成2个输送带,象征喂料辊的输送带把物料连续地供送到象征磨辊的输送带上。在磨粉机中,前喂料辊的直径通常为75～90mm,工作时的转速一般为每分钟几十转到一百多转。若按喂料辊辊径90mm,转速150r/min计算,喂料辊辊面的线速度

πdnπ×0.09×150

v=ww==0.707m/s,w

6060

式中,v/s;d;nw为喂料辊线速,mw为喂料辊直径,mw为喂料

辊转速,r/min。又,对于大型磨粉机,新磨辊辊径为250mm或300mm;齿辊的快辊转速一般为550～650r/min,快慢辊速比最大为2.5;光辊的快辊转速一般为450～500r/min,快慢辊速比一般为1.1～1.25。据此计算,磨辊辊面的线速度为:齿辊快辊7.2～10.2m/s,齿辊慢辊2.88～4.08m/s,光辊快辊5.89～7.85m/s,光辊慢辊4.71～7.14m/s。可见磨辊辊面的线速度(v是喂料辊辊面线速度的几倍,甚至十几m)倍。由于v远大于v,在图1中,喂料输送带所供送的物料mw一旦落到研磨输送带上便被均匀地摊铺开来,单位时间内供送到研磨输送带上的物料将被摊铺成距离更长但厚度较薄的料段。当喂料辊转速提高时喂料量加大,但由于磨辊转速并没有改变,因此被摊铺成的料段长度不变但厚度将增大,反之,当喂料辊转速降低时被摊铺的料段厚度将减小。根据以上分析可知,自动调节喂料辊转速同样会使入轧物料的厚度发生变化,与自动调节料门开度相比研磨效果并不能得到改善,无论喂料料流直接进入轧区还是喂到磨辊辊面上都将如此。重新比较两种伺服调节系统,可得如下结论:①自动调节料门开度,结构简单、制造成本低、维护简便、工作时喂料轨迹不变;②自动调节喂料辊转速,采用变频调速时流量的调节更精细,便于实现直观的数字显示,但制造成本高,工作时喂料轨迹随前喂料辊的转速发生变化,需设置料流引导装置。

4　关于喂料轨迹的计算[1～4]

能否使物料准确入轧直接影响磨粉机的研磨工艺效果,因此喂料轨迹是辊式磨粉机喂料系统设计必须关注的问题。对于伺服调节料门开度的磨粉机,通常是按保持喂料轨迹不图2　物料颗粒在空间的运动轨迹

图3　物料颗粒在空间的受力

重力W=mg;

2

空气阻力R=mkv;dv

;dt

2

作曲线运动所产生的离心惯性力Gmωr;n=加速运动所产生的惯性力Gmτ=

式中,k为空气阻力系数,r为作曲线运动的瞬时曲率半径。

　6

k无资料可查,但相关的工程设计手册中提供有面粉厂各道碾磨系统物料的悬浮速度v。根据物料在静止空气中自由f下落达到沉降速度时的受力分析,我们可以由悬浮速度反向

g

推导出相应的空气阻力系数k=2,k为常数。又,根据弧长

vf和圆心角的关系dS=rd ,并注意到dS=vdt,可得

2vd 2

Gmωr=m=mvn=rdt

取自然坐标系,各力分别向切向和法向投影,根据达朗伯原理有

Wsin -R-Gτ=0

(1)

何　方:关于辊式磨粉机喂料系统的研究/2007年第12期图4是MDDK型磨粉机相关结构的示意图。该机在喂

料辊的下方设置了料流引导装置,并将喂料辊到磨辊之间完全封闭起来,使气流只能沿指定的通道流动,负压吸风系统连接着磨辊下方的磨膛。入轧物料的加速是在料流引导装置狭窄的通道内实现的,该结构巧妙地利用附面层气流,使加速后的物料能够可靠地卸在轧区而不会随风吸走。

GWcos =0(2)n-将各力的表达式代入式(1)和(2),经整理可得质点运动的微分方程组dv2

=gsin -kvdtd

cos v=gdt

解此方程组,可得v=sec

k[sec tan +ln(sec +tan )]+Cg

图4　MDDK型磨粉机的气流加速喂料

1.料门　2.前喂料辊　3.料流引导装置　4.磨辊盖板　5.磨辊

(3)(4)

根据流体力学知识,任何在空气中运动的物体表面附近都存在附面层气流,与物体表面接触处附面层气流的速度与

物体运动速度相等,但随着距离的增大附面层气流的速度急剧衰减,且物体表面越光滑衰减的越快,在很短的距离就接

[4]

近于零(相对静止空气环境)。

在图4中,用细实线箭头表示吸风气流的流向,用虚线箭头表示磨辊表面附面层气流的流向。在轧点附近,由于附面层气流与吸风气流方向相反,二者叠加后该处空气的流速低于物料的悬浮速度,从而使物料沉降于碾磨区。由于附面层气流很薄,为了避免携带物料的吸风气流从远离磨辊表面的地方流走,磨辊盖板与辊体之间形成的通道不能太大,尤其是靠近轧点部位,该距离应经过精确计算和实验确定。6　结论

(1)伺服调节喂料辊转速同样会使入轧物料的厚度发生变化,和伺服调节料门开度相比并不能使磨粉机的碾磨工艺效果得到改善。

(2)计算喂料轨迹必须考虑喂料辊齿形和物料在下落过程中受到空气阻力的影响,空气的阻力系数可由物料的悬浮速度反推得到。

(3)喂料辊存在极限转速,盲目提高喂料辊转速以期提高磨粉机的生产率有可能是徒劳的。MDDK型磨粉机的气流加速喂料是巧妙地利用附面层气流将加速后的物料卸在磨辊轧区,使其不会随风吸走。

[参考文献]

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版社,1993.

式中,

2

secψkC=2-[secψtanψ+ln(secψ+tanψ)]

gv0

dXdYv又,=vcos ,=vsin ,由式(4)有dt=d

dtdtgcos

22vv

所以,dX=d ,dY=tan d

gg

积分,得:

2

1 sec X=∫d ψ

ksec tg +ln(sec +tg )+C

2

1 sec tg Y=∫d ψ

ksec tg +ln(sec +tg )+Cπ式中,ψ< <。

2

根据前喂料辊直径d抛料初速度v和用上2、0、抛料角ψ式计算的X、Y,可以求得前喂料辊中心到快辊中心的相对位置。因为v是前喂料辊转速n0和ψ2的函数,空气阻力系数k和物料的悬浮速度有关,可以用此方法计算出各道磨粉机前喂料辊的转速。由于X和Y的计算公式比较复杂,而且设计磨粉机时为了保持喂料轨迹不变需要代入不同的n2值反复试算,手工计算是不现实的,为此笔者编写了相关的计算机软件(若有需要可以免费索取)。5　气流加速喂料的工作原理

由于磨辊的线速度远高于喂料辊的线速度,因此从道理上讲提高喂料速度是挖掘磨粉机生产率潜能的途径之一。但如前所述,由于喂料辊存在极限转速,而且该极限转速并不高,盲目提高喂料辊转速有可能是徒劳的。瑞士布勒公司在MDDK型磨粉机上采用的气流加速喂料在此方面做了有益的尝试。所谓气流加速喂料,就是在喂料料流下落过程中通过气流的作用使其加速。

(责任编辑:黄文雄)