榮文杰， 秦德越， 李寶寬， 馮昱清

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819; 2.聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織， 澳大利亞 墨爾本 VIC3168)

滾筒是一種常用的顆粒物質(zhì)處理設(shè)備，應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域.比如冶金領(lǐng)域用于物料焙燒的回轉(zhuǎn)窯，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用于糧食干燥的滾筒干燥器，磨礦生產(chǎn)中研磨礦石的球磨機和制藥行業(yè)的藥品混合器等都可以看作是滾筒[1-4].滾筒的旋轉(zhuǎn)由電機驅(qū)動，顆粒物料在滾筒內(nèi)的處理過程會消耗大量電能.比如在選礦廠中，磨機的電耗占整個選礦廠的70%～80%[5].研究滾筒內(nèi)部顆粒混合過程的功率消耗具有廣泛的應(yīng)用意義和經(jīng)濟價值.

雖然滾筒結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，但是其內(nèi)部顆粒物料的運動規(guī)律非常復(fù)雜.尤其當(dāng)滾筒內(nèi)部顆粒在尺寸、密度和形狀等不同時，顆粒之間還會出現(xiàn)混合或分離現(xiàn)象[6-7].滾筒內(nèi)顆粒分離分為徑向分離和軸向分離，徑向分離一般在滾筒旋轉(zhuǎn)幾圈后即出現(xiàn)，而軸向分離出現(xiàn)得非常慢，所以大部分研究都是針對徑向分離的.

關(guān)于顆?；旌吓c分離的實驗研究主要集中在混合/分離機理的研究[8-12].Nityanand等[11]研究了滾筒在不同轉(zhuǎn)速下的顆粒徑向分離，發(fā)現(xiàn)分離速率是轉(zhuǎn)速的函數(shù)而與床層厚度無關(guān).Alizadeh等[12]采用放射性粒子跟蹤技術(shù)研究了滾筒內(nèi)的顆粒分離機理，捕捉到了典型的小顆粒被大顆粒包圍現(xiàn)象.伴隨顆粒混合/分離機理的研究，本文還關(guān)注了滾筒功率消耗情況.

為了直觀理解顆粒的混合與分離過程，并探究功率消耗的規(guī)律，本文針對不同粒徑的二元顆粒展開實驗研究.設(shè)計了一套滾筒實驗裝置，以玻璃珠為顆粒材料分別研究了不同滾筒操作參數(shù)(轉(zhuǎn)速和填充比)和不同顆粒參數(shù)(粒徑比)的顆?；旌线^程，并總結(jié)滾筒功率消耗的規(guī)律.

1 滾筒的工作原理與操作參數(shù)

滾筒一般是水平放置，繞中心軸旋轉(zhuǎn)，如圖1所示.滾筒的幾何參數(shù)主要包括直徑和長度.滾筒的操作參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速和填充比[13].當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時，緊貼滾筒壁面的顆粒隨滾筒旋轉(zhuǎn)到一定高度拋落下來，此時拋落點A處離心力等于重力在法向方向的分量(FA=GA·cosθ).當(dāng)顆?？梢噪S滾筒旋轉(zhuǎn)一起作圓周運動時，即顆?？梢噪S滾筒到達點B，顆粒受到的離心力和重力相等(FB=GB)，此時滾筒的轉(zhuǎn)速定義為臨界轉(zhuǎn)速[14]：

(1)

式中：nc是臨界轉(zhuǎn)速，r/min;R是滾筒半徑，m.

圖1 滾筒示意圖

顆粒在滾筒內(nèi)的填充比定義為顆粒的總體積與滾筒體積的比值[15].在圖1中，填充比η可以按下式計算：

(2)

式中，h和α分別表示顆粒填充部分表面到滾筒圓心的高度和填充部分所在扇形圓心角的一半.

2 實驗裝置與實驗方案

2.1 實驗裝置

本文作者自行設(shè)計并搭建了一套滾筒實驗裝置，如圖2所示.

1—電機；2—與電機配套的減速器；3—動態(tài)扭矩傳感器；4—24 V開關(guān)電源；5—計算機； 6—滾筒；7—支架；8—傳動軸；9—聯(lián)軸器；10—軸承盒.

滾筒是該實驗裝置的主要工作部件，整體可以看作由一端支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示.滾筒由筒體、內(nèi)襯、后擋板和由兩塊半圓形玻璃板拼接而成的前擋板組成.滾筒內(nèi)徑為185 mm，長度為102 mm.在實驗過程中利用拼接的半圓形有機玻璃板可以清晰地觀察到內(nèi)部玻璃珠的混合狀態(tài)，便于實驗記錄與分析，并且拼接結(jié)構(gòu)方便在實驗過程中裝卸玻璃珠.筒體材料是有機玻璃，由于其比較光滑很難帶動玻璃珠轉(zhuǎn)動，添加了筒體內(nèi)襯來增加玻璃珠與筒體之間的摩擦.利用減速器配合電機以合適的轉(zhuǎn)速驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動.動態(tài)扭矩傳感器可以測量滾筒工作后的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率，并由扭矩傳感器軟件的數(shù)據(jù)線連接到計算機顯示動態(tài)測量結(jié)果.24 V開關(guān)電源為扭矩傳感器供電.聯(lián)軸器起到連接不同設(shè)備傳動軸的作用.軸承盒用于滾筒端傳動軸的固定.實驗裝置中增設(shè)了尺寸合適的支架以保證傳動軸的水平高度相同，使?jié)L筒的旋轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定.

圖3 滾筒

2.2 實驗方案

為了研究顆粒在不同混合狀況下的功率分布情況，本文設(shè)計了3組變量，填充比為20%，35%，50%；轉(zhuǎn)速為22，54，81 r/min；粒徑比為3∶4，3∶5，3∶6.玻璃珠的直徑分別為3，4，5和6 mm，密度均為2 800 kg/m3.為了區(qū)分不同尺寸的玻璃珠，直徑3 mm的玻璃珠選用白色，其他直徑玻璃珠為綠色.

實驗開展過程中，首先接通電機電源與動態(tài)扭矩傳感器電源，完成通電.然后將滾筒前擋板的一塊半圓形玻璃拆下，將不同直徑的玻璃珠按照體積比1∶1的數(shù)量分批裝入滾筒中.文獻[9]已證實初始顆粒放置方式不影響最終的顆粒混合結(jié)果，所以本實驗中白色小玻璃珠在下層，綠色大玻璃珠在上層.裝料后，將玻璃珠表面鋪平，以便于實驗過程中觀察玻璃珠混合情況.如圖4所示.

圖4 不同填充比玻璃珠初始分布情況

玻璃珠裝完后，將拆下的半圓形有機玻璃板用螺絲固定到滾筒上，打開減速器上的開關(guān)，調(diào)至設(shè)計轉(zhuǎn)速.同時，將DYN-200扭矩傳感器軟件的數(shù)據(jù)線連接至計算機端口；打開端口后，計算機端的DYN-200扭矩傳感器軟件開始記錄扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的實時數(shù)據(jù).實驗過程中，用高速攝像機對旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)部的玻璃珠混合過程進行拍攝和錄像.

3 結(jié)果與討論

在實驗過程中觀察到玻璃珠混合非?？?，一般滾筒旋轉(zhuǎn)幾圈即可達到充分混合.當(dāng)觀察到混合狀態(tài)不再改變后，會讓滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定時間，盡可能消除觀察誤差，然后得到實驗結(jié)果.

3.1 不同工況下的顆?；旌辖Y(jié)果

表1展示了當(dāng)粒徑比為3∶4時填充比和轉(zhuǎn)速對玻璃珠混合的影響.可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，白色玻璃珠更趨向于集中分布在床層的中間位置，而綠色玻璃珠包圍白色玻璃珠，即滲透作用引起的玻璃珠分離現(xiàn)象更明顯.當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為22 r/min時，隨著填充比增大，分離現(xiàn)象明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速為54 r/min時，玻璃珠在相同填充比情況下比轉(zhuǎn)速為22 r/min時混合得更好.但是當(dāng)轉(zhuǎn)速為81 r/min，填充比為50%時，滾筒外側(cè)能看到的基本是白色小玻璃珠，玻璃珠之間既沒有典型的分離現(xiàn)象，也沒有混合均勻.這一現(xiàn)象在文獻中從未見到過.分析其原因是滾筒在設(shè)計時，為了保證其旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，傳動軸穿入滾筒內(nèi)大約15 mm，相當(dāng)于5個3 mm小玻璃珠的直徑.實驗過程中觀察到當(dāng)玻璃珠在運動過程中撞擊到滾筒中間的螺母時會受到力的作用而遠離本來的運動路徑.當(dāng)不同直徑的玻璃珠以體積比1∶1放入滾筒中，白色小玻璃珠的數(shù)量會多于綠色大玻璃珠，所以壁面附近出現(xiàn)了更多被撞擊后的白色玻璃珠，最終出現(xiàn)了以上現(xiàn)象.

表1 玻璃珠混合分布(粒徑比3∶4)

表2展示了當(dāng)轉(zhuǎn)速為22 r/min時填充比和粒徑比對玻璃珠混合分布的影響.從圖中可以看出，當(dāng)粒徑比為3∶4和3∶5時，在低填充比情況下，玻璃珠分離現(xiàn)象不明顯，但是當(dāng)粒徑比為3∶6時，在不同填充比情況下玻璃珠都分離得很明顯.隨著玻璃珠直徑差距越來越大，在相同的填充比下玻璃珠的分離現(xiàn)象越來越明顯，原因是粒徑差距越大，滲透作用越明顯.填充比固定時，每種玻璃珠的總體積是固定的，所以玻璃珠直徑越大，玻璃珠數(shù)量就越少，當(dāng)徑向分離后，綠色大玻璃珠占據(jù)的區(qū)域隨著其直徑的變大而變小.

表3展示了當(dāng)填充比為20%時，轉(zhuǎn)速和粒徑比對玻璃珠混合分布的影響.在不同滾筒轉(zhuǎn)速下，隨著玻璃珠直徑差距變大，玻璃珠分離現(xiàn)象更明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速為22 r/min，在粒徑比為3∶6時，白色玻璃珠被綠色玻璃珠包圍的現(xiàn)象非常明顯.在相同粒徑比下，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，玻璃珠混合程度加強.但是可以看出，當(dāng)粒徑比為3∶6時，同樣在81 r/min的轉(zhuǎn)速下，玻璃珠的混合效果相對于其他兩種粒徑比要差一些.由此可見當(dāng)轉(zhuǎn)速和粒徑比兩種因素共同作用時，玻璃珠粒徑差距越大，轉(zhuǎn)速對玻璃珠分離的影響越小.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)玻璃珠粒徑差距越大時，大玻璃珠之間的間隙越大，小玻璃珠越容易滲入到大玻璃珠之間，轉(zhuǎn)速對滲透作用的影響便減弱.

3.2 不同因素對功率消耗的影響

全部工況的功率消耗情況如圖5所示.可以看出滾筒的功率消耗對轉(zhuǎn)速和填充比的敏感性遠高于粒徑比.隨著填充比的增加，功率消耗逐漸增加.隨著轉(zhuǎn)速的增大，功率消耗也明顯地逐漸增加.但是粒徑比對功率消耗的影響相對而言非常小，從柱狀圖上并不能明確分辨其影響規(guī)律.本文對功率消耗的具體數(shù)值進行比較，發(fā)現(xiàn)除了填充比為35%，轉(zhuǎn)速為81 r/min時粒徑比為3∶5的功率消耗高于粒徑比3∶6，其他情況下玻璃珠粒徑差距越大，功率消耗越高.

表2 玻璃珠混合分布(轉(zhuǎn)速22 r/min)

表3 玻璃珠混合分布(填充比 20%)

圖5 不同工況的功率消耗

4 結(jié) 論

本文采用自行設(shè)計的滾筒實驗裝置分別研究了不同滾筒操作參數(shù)下玻璃珠混合過程及其功率消耗情況.實驗結(jié)果表明，對于當(dāng)前實驗中的滾筒，玻璃珠填充得越多，玻璃珠分離現(xiàn)象越明顯，功率消耗越多.在低填充比，玻璃珠粒徑接近時，不同轉(zhuǎn)速下的玻璃珠分離現(xiàn)象不明顯，但是功率消耗對轉(zhuǎn)速的敏感性比較高，轉(zhuǎn)速越高，功率消耗越多.當(dāng)粒徑大小差距更大時，玻璃珠分離現(xiàn)象明顯，但是功率消耗對粒徑比的敏感性遠低于轉(zhuǎn)速和填充比.