孫欣林，邵皖平，鄭相宜

FU鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的創(chuàng)新型升級(jí)改造方法

Innovative Upgrading Method of FU Chain Conveyor

孫欣林，邵皖平，鄭相宜

FU鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)水泥、建材、發(fā)電、冶金及化工等行業(yè)，用以輸送粉狀及粉、粒混合狀散料。由于具有全封閉、可長(zhǎng)距離、多點(diǎn)進(jìn)、出口、適合爬坡及耐高溫集于一體的技術(shù)特性，已成為輸送設(shè)備中市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的產(chǎn)品之一。截至目前，該機(jī)雖經(jīng)過(guò)多次的技術(shù)完善，但仍存在著如性能不穩(wěn)等問(wèn)題。該文指出了這些問(wèn)題以及產(chǎn)生的原因，通過(guò)討論和分析發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)新型解決辦法，并加以詳細(xì)論證。

機(jī)槽；散料層；內(nèi)壓力；內(nèi)摩擦力；創(chuàng)新

1 前言

自二十世紀(jì)90年代初以來(lái)，F(xiàn)U鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)就普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)水泥、建材、發(fā)電、冶金及化工等行業(yè)，用以輸送粉狀及粉、?；旌蠣钌⒘?。由于FU鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)具有全封閉、可長(zhǎng)距離、多點(diǎn)進(jìn)出口、適合爬坡及耐高溫等技術(shù)特性，已成為輸送設(shè)備中市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的產(chǎn)品之一。

隨著主機(jī)設(shè)備技術(shù)要求的日益提高，作為與之相應(yīng)配套的輸送設(shè)備，F(xiàn)U鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)技術(shù)性能的優(yōu)化升級(jí)顯得尤為迫切。

2 主要組成及存在問(wèn)題

FU鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)又稱FU拉鏈機(jī)，外形與構(gòu)造如圖1所示，主要由機(jī)槽、附U形葉板的輸送鏈條（以下簡(jiǎn)稱U形鏈條）、電機(jī)、減速機(jī)及鏈條傳動(dòng)裝置等組成。當(dāng)前，該機(jī)雖經(jīng)過(guò)二十多年的技術(shù)發(fā)展，但仍存在著性能等諸多方面不足的問(wèn)題。

（1）同機(jī)槽截面上的輸送速度均勻性差，極易導(dǎo)致散料層在機(jī)槽內(nèi)出現(xiàn)局部的“紊流”和“渦流”現(xiàn)象，造成輸送機(jī)產(chǎn)量減少。

（2）同機(jī)槽截面上的輸送速度穩(wěn)定性差，極易受到外界因素（如散料層溫度、粒度、硬度、厚度等因素）變化的干擾，造成輸送機(jī)性能降低。

（3）機(jī)槽磨損嚴(yán)重，其底部?jī)蓚?cè)的直角拐角處磨損尤為嚴(yán)重。如果沒(méi)有耐磨襯板的保護(hù)，機(jī)槽極易被磨穿。但若采用耐磨襯板，不僅會(huì)增加設(shè)備成本和能耗，而且還會(huì)因襯板經(jīng)常脫落等原因引起U形鏈條卡死停車，帶來(lái)維修費(fèi)用和停產(chǎn)損失。

（4）從動(dòng)部分仍采用非直驅(qū)的鏈條傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，較直驅(qū)傳動(dòng)能耗高、維修量大。

圖1 FU鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)

長(zhǎng)期以來(lái)，解決這些問(wèn)題的方法除在設(shè)計(jì)時(shí)將輸送機(jī)產(chǎn)量提高一檔或一檔半進(jìn)行配套選型，以彌補(bǔ)設(shè)備性能的不足外，還通過(guò)在使用運(yùn)行中加厚機(jī)槽鋼板或在內(nèi)部加襯板的方法，改善設(shè)備耐磨性能。以上兩種方法均未達(dá)到滿意的結(jié)果。

鑒此，本文擬分析這些問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并提出了一種創(chuàng)新型解決辦法，供大家參考。

3 原因分析

3.1 內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力

FU拉鏈機(jī)利用散料層中各微粒間存在著的內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力輸送物料。當(dāng)機(jī)槽內(nèi)散料層堆積到一定高度時(shí)，就會(huì)與正在環(huán)繞運(yùn)行的U形鏈條附件發(fā)生接觸。由于散料層在機(jī)槽內(nèi)受到與輸送鏈運(yùn)動(dòng)方向同方向力的擠壓作用，使微粒間的內(nèi)壓力增大，散料層微粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)產(chǎn)生，從而使微粒間的內(nèi)摩擦力也相應(yīng)增大；當(dāng)增大的內(nèi)摩擦力大于散料層受到的機(jī)槽底和側(cè)壁的靜摩擦力時(shí)，散料層將沿著U形鏈條運(yùn)動(dòng)的方向向前移動(dòng)；增大的內(nèi)壓力保證了微粒間的穩(wěn)定狀態(tài)，從而形成了整體的連續(xù)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了輸送的目的。由此可見(jiàn)，內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力是影響輸送性能的關(guān)鍵因素。據(jù)經(jīng)典力學(xué)，散料層中微粒間的內(nèi)摩擦力公式為：

式中：

μ——相鄰微粒之間的靜摩擦系數(shù)

μ1——微粒與U形鏈條附件之間的靜摩擦系數(shù)

Ni——相鄰微粒之間內(nèi)壓力（i=1，2，3…）

Nj——U形鏈條附件對(duì)微粒的擠壓力

在一般情況下，內(nèi)摩擦力會(huì)隨外力條件的變化而變化，當(dāng)散料層微粒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)處于臨界狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)摩擦力既達(dá)到極限值。

從式（1）可知：（Ni+Nj）為散料層中各微粒所受的總內(nèi)壓力。當(dāng)靜摩擦系數(shù)不變時(shí)，內(nèi)摩擦力與總內(nèi)壓力成正比。

當(dāng)前FU拉鏈機(jī)，因機(jī)槽由平面為底的純矩形截面組成，所以當(dāng)機(jī)槽內(nèi)積聚增加的微粒與輸送方向運(yùn)動(dòng)的U形鏈條接觸時(shí)，其微粒間總內(nèi)壓力主要由微粒在機(jī)槽內(nèi)自然堆積而產(chǎn)生的內(nèi)壓力Ni，以及U形鏈條附件因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓力Nj組成。這些力的作用及其方向如圖2所示。內(nèi)壓力Ni不僅與微粒自身的體積、重量、物理性質(zhì)以及堆積高度有關(guān)，還與機(jī)槽截面形狀有關(guān)；而擠壓力Nj僅與U形鏈條的外部驅(qū)動(dòng)力有關(guān)。

由于平底面對(duì)于散料層因重力作用而產(chǎn)生的支撐力處處相等，且均垂直于同一底面、方向一致朝上，故在散料層堆積過(guò)程中，微粒間的橫向擠壓不會(huì)增加；又因兩側(cè)壁垂直于平底面，且又與散料層重力方向平行，故除了因阻止散料層堆積引起的邊緣擴(kuò)散而產(chǎn)生的側(cè)壓力外，側(cè)壁對(duì)微粒的正壓力幾乎為零。微粒在各個(gè)方向所受的內(nèi)壓力Ni差異較大，造成機(jī)槽橫斷面方向上因內(nèi)壓力不足而出現(xiàn)散料層堆積松散的現(xiàn)象。

散料層堆積松散，不僅使微粒之間相互接觸面積減小，即靜摩擦系數(shù)減??；還造成內(nèi)壓力在U型鏈條運(yùn)動(dòng)方向上受擠壓力Nj作用，增長(zhǎng)相應(yīng)減小。因而內(nèi)摩擦力增長(zhǎng)受到了嚴(yán)重的影響。

為此，內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力除了受到純矩形截面形狀機(jī)槽的不利影響外，還極易受到散料的顆粒度、硬度、黏度、溫度等物理性質(zhì)及堆積高度的影響。內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力因受以上特性影響而不足，是導(dǎo)致當(dāng)前該設(shè)備輸送速度均勻性和穩(wěn)定性差的主要原因。

如果能夠通過(guò)機(jī)槽結(jié)構(gòu)的變化，使相鄰微粒間受到的內(nèi)壓力Ni趨于均勻合理，則可以彌補(bǔ)內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力增長(zhǎng)不足的情況。

3.2 滑動(dòng)摩擦力

圖2 微粒間總內(nèi)壓力示意圖

FU拉鏈機(jī)的機(jī)身，既是機(jī)架又是輸送散料的載體——機(jī)槽，除受到驅(qū)動(dòng)力、重力等外力作用外，還受到一定速度的散料層在機(jī)槽接觸表面上產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力等內(nèi)力的作用。在內(nèi)外力影響下，輸送受到阻礙，機(jī)槽底面也受到磨損。隨著磨損加劇，機(jī)槽的機(jī)械性能不斷減弱，設(shè)備性能也不斷降低。此時(shí)，如果不加以修補(bǔ)加固，就會(huì)影響設(shè)備的正常使用。顯然，滑動(dòng)摩擦力既是產(chǎn)生機(jī)槽磨損的主要原因，又是決定機(jī)槽壽命的重要因素。

依據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理，機(jī)槽底面磨損度不僅與散料層的運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)槽底面的摩擦系數(shù)有關(guān)，還與散料層對(duì)機(jī)槽底的正壓力有關(guān)。

式中：

W——機(jī)槽抗磨損消耗的功率，W，與其磨損度成正比，抗磨損消耗的功率越大，則磨損度越大、磨損量越嚴(yán)重。

V——散料層相對(duì)速度，m/s

ζ——散料層與機(jī)槽底之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)

F——機(jī)槽底所受的正壓力，N

式中，F(xiàn)、V兩個(gè)參數(shù)都是沿著機(jī)槽長(zhǎng)度和截面發(fā)生變化的，其規(guī)律隨著不同的機(jī)槽截面形狀而差異很大。

由于當(dāng)前FU拉鏈機(jī)的機(jī)槽截面形狀為純矩形，所以散料在自然堆積下，其頂面形狀似中間高兩側(cè)較低，與水平面形成一個(gè)下滑的夾角，當(dāng)此下滑角小于臨界下滑角時(shí)，其堆積的形狀將保持相對(duì)不變。根據(jù)散料分布情況，F(xiàn)的變化規(guī)律是從平底面的對(duì)稱中心線向兩側(cè)緩慢減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)兩側(cè)的直角拐角時(shí)，開(kāi)始急劇增加。

這是由于平底面與側(cè)平面相交形成了直角拐角。由于平底面的幾何半徑近似為無(wú)窮大，故之上的壓力均勻相等；而直角拐角處的幾何半徑卻為零，即此處近似為點(diǎn)而不是面，故之上的壓力幾乎為無(wú)窮大；這種壓力從平底面到直角拐角，發(fā)生了從有限到無(wú)限的急劇變化，即所謂的邊緣效應(yīng)。另外，處于側(cè)壁與U形鏈條附件之間的散料層，因受側(cè)壁邊緣的影響，其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)減小，易發(fā)生部分積料，導(dǎo)致機(jī)槽局部的壓力增加。

而在該機(jī)槽長(zhǎng)度方向上，因U形鏈條每個(gè)附件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本保持不變，故F的變化不大。同理，V的變化規(guī)律與F的變化規(guī)律基本相似，變化最大的仍在機(jī)槽平底兩側(cè)的直角拐角處。F、V沿機(jī)槽截面方向的變化如圖3。

圖3 F、V沿截面方向變化示意圖

分析式（2）可知：該機(jī)槽截面各點(diǎn)磨損度以槽底中心為標(biāo)準(zhǔn)值，則沿兩側(cè)略微減小；到直角拐角處則迅速增加；到側(cè)壁后，則迅速降低，直至為零。

據(jù)此推定：平底中間的表面磨損度較大，而平底兩側(cè)的直角拐角處的表面磨損度最大。

4 一種創(chuàng)新型解決方法

4.1 機(jī)槽及輸送鏈條的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)

機(jī)槽和輸送鏈條是FU拉鏈機(jī)的重要組成部分。該創(chuàng)新型機(jī)槽的截面是由上部、中部和下部三種不同的幾何形狀組合而成。上部由兩塊對(duì)稱排列的側(cè)板、蓋板和中部的頂邊圍成，形似矩形；中部由兩塊對(duì)稱排列的斜側(cè)板、上部的底邊和下部弧形的弦圍成，形似倒梯形，倒梯形的銳角（90-α）約在65°～85°之間選擇；下部由弧形底板和中部的下底邊圍成，形似弓形，弧形的弦長(zhǎng)為機(jī)槽的槽寬，槽寬共有270mm、350mm等7種規(guī)格組成，而所有弧形的弦高都在100～140mm之間。下部弧形底板與中部斜側(cè)板之間的過(guò)渡由半徑≯100mm的弧面光滑連接。

因此，該創(chuàng)新型機(jī)槽是由弧形為底的多幾何形狀組合截面組成，其外形與結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

創(chuàng)新型輸送鏈條及其附件由滾子、鏈扳和U-V型組合式葉板附件組成。其中，U-V型組合式葉板附件是由“V”字形和“U”字形兩種字形疊加組成的一種倒梯形鋼結(jié)構(gòu)葉板，其梯形的銳角（90-α）約在60°～80°之間選擇，其外形與結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5所示。

4.2 作用原理

圖4 以弧形為底的多幾何形組合截面機(jī)槽示意圖

圖5 U-V型輸送鏈條示意圖

依據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理，若物體在同一個(gè)圓心的弧形面上，則該物體無(wú)論位于何處，均受到一個(gè)指向圓心的最大支撐力，并與弧形面垂直，即向心效應(yīng)。當(dāng)物體受到自重與最大支撐力的合力作用時(shí)，就會(huì)在弧形面上產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，這種運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)將導(dǎo)致相鄰物體之間產(chǎn)生一對(duì)相互作用的擠壓力，而這種擠壓力（即內(nèi)壓力）在水平面上是不會(huì)發(fā)生的。

由此類推，對(duì)于弧形底多幾何形狀組合截面機(jī)槽來(lái)說(shuō)，當(dāng)散料層自然堆積到同一個(gè)弧形底面時(shí)，散料層中相鄰微粒之間產(chǎn)生的內(nèi)壓力，除了包括自然堆積下產(chǎn)生的內(nèi)壓力外，還有向心效應(yīng)所產(chǎn)生的擠壓力，弧形越大則擠壓力越大。而當(dāng)散料層繼續(xù)堆積到中部倒梯形時(shí)，散料層在兩斜側(cè)板上受到因自重產(chǎn)生的下滑力的作用，而具有向前運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，又會(huì)對(duì)相鄰微粒產(chǎn)生擠壓力，該擠壓力與斜側(cè)板的傾斜角度和料層高度有關(guān)。

因此，散料層中微粒間總內(nèi)壓力不僅包含因自然堆積產(chǎn)生的內(nèi)壓力、U形輸送鏈條運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓力，還有機(jī)槽弧形底因向心效應(yīng)所產(chǎn)生的擠壓力和斜側(cè)板上因斜面作用而產(chǎn)生的擠壓力。這些新增的擠壓力不僅使微粒間所受的不同方向的內(nèi)壓力趨于均勻合理，而且使機(jī)槽底所受的正壓力也相對(duì)減小。

機(jī)槽橫斷截面方向上的內(nèi)壓力增強(qiáng)，致使散料層堆積相對(duì)緊密。這種緊密的堆積狀態(tài)，不僅使微粒間的相互接觸面積增大，即靜摩擦系數(shù)增加，而且造成在U形鏈條運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓力的作用下，內(nèi)壓力增長(zhǎng)也相應(yīng)提高。所以，內(nèi)摩擦力增長(zhǎng)也相應(yīng)提高。

壓力和內(nèi)摩擦力增大，從而可以解決當(dāng)前FU拉鏈機(jī)存在的輸送速度不均和失穩(wěn)的問(wèn)題。

4.3 F、V沿組合槽截面的變化規(guī)律

對(duì)于弧形底的多幾何形狀組合截面機(jī)槽，當(dāng)散料層自然堆積到弓形高以下時(shí)，其形狀似弓形；當(dāng)繼續(xù)堆積超過(guò)弓形后，散料層的形狀卻由弓形和倒梯形兩部分組成。對(duì)于形狀似弓形的散料層，因受向心效應(yīng)的作用，其正壓力F只是本身重力的分力，離弧形中心越遠(yuǎn)，其正壓力F越小，當(dāng)?shù)竭_(dá)弧形兩端部時(shí)，其正壓力F為最?。粚?duì)于形狀似弓形和倒梯形組合的散料層，其正壓力F情況基本相同，但因受斜側(cè)板的斜面傾角的作用，其在斜側(cè)板上的正壓力F只是本身重力的分力，斜面傾角越大，其正壓力F越小，當(dāng)傾角趨近90°時(shí)，其正壓力F趨近于零。

因此，正壓力F沿組合截面的變化規(guī)律是：以機(jī)槽圓弧底的對(duì)稱中心為標(biāo)準(zhǔn)值，沿兩側(cè)以函數(shù)級(jí)逐漸減小，到兩側(cè)的過(guò)渡圓弧處，則降低到最小。

由于此處有過(guò)渡圓弧的光滑連接，避免了因直角拐角的邊緣效應(yīng)而發(fā)生的突變現(xiàn)象；同時(shí)又因機(jī)槽斜側(cè)壁的斜面作用影響，使斜側(cè)壁邊緣的散料層運(yùn)動(dòng)速度滯后減小，從而消除了此處因積料而產(chǎn)生的部分局部壓力。

同理，散料層運(yùn)動(dòng)速度V沿組合截面變化規(guī)律同正壓力F。F、V沿組合截面方向變化如圖6所示。

圖6 F、V沿截面方向變化示意圖

通過(guò)式（2）的定性分析可知，該創(chuàng)新型機(jī)槽截面上的各點(diǎn)磨損度以機(jī)槽圓弧底中心為標(biāo)準(zhǔn)值，向兩側(cè)逐漸減小，到兩側(cè)端部時(shí)則降為最小。

為此推定：圓弧底中間的表面磨損度相對(duì)較大，而底部其余部分的表面磨損度明顯減小，過(guò)渡圓弧面的表面磨損度最小，這與當(dāng)前FU拉鏈機(jī)機(jī)槽的磨損情況完全相反。

5 有益效果

同機(jī)槽截面上的輸送速度均勻性好，從而避免散料層在機(jī)槽內(nèi)出現(xiàn)局部的“紊流”和“渦流”現(xiàn)象，使輸送機(jī)產(chǎn)量正常穩(wěn)定。

同機(jī)槽截面上的輸送速度穩(wěn)定性好，外界因素（如散料層溫度、粒度、硬度、比重、厚度等）變化時(shí)，抗干擾性強(qiáng)，使輸送機(jī)性能穩(wěn)定和提高。

散料層所受機(jī)槽底的摩擦阻力明顯減小，機(jī)槽耐磨性增強(qiáng)，尤其兩側(cè)的耐磨性更加顯著。因此，拉鏈機(jī)使用壽命長(zhǎng)、能耗低。

獨(dú)特的組合型機(jī)槽結(jié)構(gòu)，使機(jī)槽抗扭變形和抗彎變形能力增強(qiáng)，尤其抗熱變形能力強(qiáng)。因此，高溫下機(jī)槽防熱變形能力好。

機(jī)槽受力合理、應(yīng)力集中少，因而機(jī)械性能強(qiáng)，無(wú)須加強(qiáng)、加固，鋼材用量少、成本低。

機(jī)槽內(nèi)沒(méi)有因直角拐角而帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)或死角，因而可以避免機(jī)槽出現(xiàn)積料或堵料現(xiàn)象。

獨(dú)特的倒梯形結(jié)構(gòu)，使輸送鏈條上的U-V形組合式葉板受力均勻、抗變形能力強(qiáng)。

6 工業(yè)性應(yīng)用

該創(chuàng)新型機(jī)槽結(jié)構(gòu)曾作為雙質(zhì)體單驅(qū)動(dòng)振動(dòng)輸送機(jī)機(jī)槽，在水泥生產(chǎn)線上進(jìn)行塊、粒狀混合水泥熟料的輸送試驗(yàn)。經(jīng)兩年的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)機(jī)槽底部鋼板厚度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示該機(jī)槽底部鋼板磨損量只相當(dāng)于同規(guī)格的純矩形截面機(jī)槽底部鋼板磨損量的四分之一。即，如果純矩形截面機(jī)槽使用壽命為一年，則該創(chuàng)新型機(jī)槽的使用壽命為四年。另外，還有輸送性能和輸送產(chǎn)量都得到了提高。

振動(dòng)輸送機(jī)要求其機(jī)槽具有更強(qiáng)的耐磨性能、防變形能力和機(jī)械強(qiáng)度，否則將難以在復(fù)雜的受力條件下實(shí)現(xiàn)正常的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。而FU拉鏈機(jī)機(jī)槽在某些方面有很多相似的特點(diǎn)。因此推斷：該創(chuàng)新型機(jī)槽能夠通過(guò)FU拉鏈機(jī)工業(yè)性應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)該機(jī)技術(shù)性能的優(yōu)化提升。當(dāng)然，要完全達(dá)到上述理想效果，有待今后進(jìn)一步的技術(shù)開(kāi)發(fā)予以完善。

7 小結(jié)

總而言之，通過(guò)機(jī)槽和輸送鏈條等重要部件的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)性能的優(yōu)化升級(jí)，對(duì)于當(dāng)前FU拉鏈機(jī)，意味著在達(dá)到同樣輸送能力的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)能耗卻比以前節(jié)省一級(jí)到一級(jí)半。同時(shí)也意味著提高機(jī)槽的抗磨損性，而無(wú)須采用增加鋼板厚度或者耐磨襯板的方法。這不僅能夠增加設(shè)備的使用壽命、減輕鋼材重量和降低投資成本，而且可以節(jié)省設(shè)備的維修費(fèi)用和減少停產(chǎn)損失，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益極其顯著。該創(chuàng)新型組合式機(jī)槽已獲得國(guó)家發(fā)明專利。■

TQ172.687

A

1001-6171（2015）06-0092-04

合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥230051；

2015-03-07；編輯：趙蓮