小型螺旋送粉器的设计

孙智兴，李占贤

（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063009）

0 引言

送粉器是一种储存粉末和定量送粉的装置，目前应用的类型主要包括自重式、雾化式、刮吸式、螺旋式和微细粉等［1-3］。由于煤粉为细小而有乳聚性的粉体，且受粉末间勃附作用和气固流体动力学双重因素的影响，粉末向下流动非常困难，甚至在出口附近粉末固结，出现架桥、结拱等现象［4］。也就是说，依靠自重下料方式的送粉器（如自重式）无法完成煤粉的送粉过程，因此，煤粉送粉器需选用借助机械力的螺旋送粉器。而市场上的螺旋式送粉机构多为应用于厂矿的大型供粉设备，对于实验室中应用的小、微型供粉设备很难找到成熟产品。因此，本文开发了一款小型螺旋送粉器，对于开展实验室规模的煤粉点火研究工作十分重要。

1 送粉器的工作原理

不同类型的送粉器由于采用的工作原理不同，传送粉末的特性也存在着较大的差异，表1为几种送粉器的特性比较。

表1 几种送粉器的特性比较

根据表1中几种送粉器的特性比较，结合煤粉的黏附特性，螺旋式送粉器和消磨针式送粉器满足煤粉的送粉要求，而在我们的煤粉点火实验中，要求送粉量连续可调，且实验过程中不需要多种粉末混合使用，因此，螺旋式送粉器更符合要求。

螺旋式送粉器基于机械学原理，通过机械的推力传送粉末。该送粉器的优点是：对所传送粉末的干湿度、形状均无限制，所传送粉末的直径大于Φ15μm；单位时间的粉末输送量可通过更换不同的螺旋杆及控制电机转速来实现，能实现供粉量的连续控制。其缺点是：由于是采用螺旋杆的螺纹间隙传送粉末，单位时间粉末的输送量不能从0起调，且在一套装置上一般只配置一个送粉器，不能将两种不同材料的粉末混合传送。

2 螺旋送粉器总体设计方案

本文所设计的用于煤粉点火的小型螺旋送粉器总体设计方案如下：

（1）采用漏斗型结构作为储料室。

（2）在储料室中间位置安装螺旋搅拌器件，通过电机带动螺旋结构旋转，使煤粉均匀落下，并在螺旋结构上设计搅拌结构，防止粉末结拱。

（3）电机的传动采用连接件将运动传递到螺旋搅拌组件，并通过轴承固定，保证螺旋组件与储料室同心。

（4）气力采用分通道输送方式，在出粉腔内形成负压区，从而有利于粉末沉降。

（5）结构整体采用封闭式载气系统，各部件连接处添加密封圈以保证良好密封。

3 送粉器机械结构设计

本螺旋送粉器的机械结构如图1所示。其主要工作原理是：通过直流调速电机带动螺旋搅拌组件转动使煤粉下落，随着高速气流形成风粉。整个送粉器结构均采用螺纹连接，方便更换粉末时的设备清理。

3.1 螺旋搅拌结构的设计及固定

由于粉末颗粒间自然黏着力的存在，使颗粒处于聚团的状态，其流化阻力增强。针对煤粉粉末易黏附的特点，我们在送粉器储料室中增加搅拌结构（图1中的11），打散煤粉因黏着力形成的架桥、结拱等现象。螺旋搅拌组件由螺旋杆和高强度及高硬度的搅拌架组成，搅拌架采用截面积为3mm×5mm的钢板构成，长度按储料室的锥形长度设计，且采用对称结构，降低了运转过程中的噪声。通过搅拌架的转动，打散粉末，增强其流动性，使其不断地向储料室端口流动，同时为保证端口处煤粉充足，在送粉器中增加了空气振动器，通过振动使粉末向下流动。端口的螺旋结构连续不断地将煤粉卷入，使煤粉随螺旋结构向下运动，形成连续不断的煤粉流，以达到均匀供粉的目的。

图1 螺旋送粉器的机械结构

本设计中的螺旋搅拌组件安装在粉斗的中部，为固定和拆装方便，在其与直流电机之间增加连接法兰。连接法兰通过角接触轴承（7004C）固定，一方面保证轴向固定，另一方面保证连接法兰与储料室对中。为保证法兰与螺旋搅拌组件的连接在轴向和周向均固定，采用圆锥销将其固定。因螺旋搅拌组件比较长，且径向上有许多搅拌架，转动起来惯性比较大，为保证送粉器运转平稳，在螺旋搅拌组件下方添加滑动轴承。各连接部件间设计定位台，确保装配精度。

3.2 整体结构的密封

密封是气动送粉装置的关键，它一方面保持送粉器内压力；另一方面阻止粉末向转动连接部分扩散，保证送粉器的正常运行。在设计过程中，为防止粉末进入轴承腔，本设计采用了聚四氟材质的密封套，在密封套的凹槽内填充黏稠的高熔点黄油等固体油脂，将连接法兰从密封套中间穿过，并将聚四氟套紧贴在法兰轴上。由于聚四氟质地光滑且凹槽内添加油脂起到了一定的润滑作用，因此其与轴间的摩擦阻力较小。同时，为了防止储料室内的储粉量高于上密封圈，在其下方设计安装了锥形粉斗罩，起到密封圈保护作用。在滑动轴承的上端采用同样的凹槽结构进行密封。而其他连接处因没有相对运动的部件且腔内气压较低，因此采用密封圈的方式进行密封，即在连接处加垫硅胶垫并用螺母压紧。

3.3 送粉器气路设计

载气式送粉器为多气路供气，本文设计的螺旋送粉器采用两路进气方式，如图2所示。

图2 送粉器的气路设计

从图2可以看出，进气口1输入一路气，送入储粉器，其作用是为储料仓提供一定的压力，使储料仓与下料口压力相同，煤粉易于向下运动，防止气流回流；另一路气体从进气口2直接送入落粉腔，这一路气流最为关键，它直接将下料口落下的煤粉在腔内分散，形成风粉，并通过管道直接送到工作区域。由于这两路气流最终都从出粉口输出，因此两路气流共用一个流量计。输送过程中，为了保证粉末的正常输送，要求送粉气体流速要大于粉末颗粒悬浮速度。

4 送粉器供粉性能测试

将300g由小型粉碎机粉碎而成的煤粉放入送粉器，在载气量Qs=5.0L／min的条件下（此气体流量能保证煤粉全部被吹出），调节送粉电机的供电电压Us，通过测量送粉器的质量减少量来标定送粉器的送粉量。随着送粉电机供电电压的增加，电机转速加快，煤粉供粉量增加，且供粉量随电压近似线性变化，该线性变化的斜率为0.64，如图3所示。

图3 送粉量随直流电机供电电压的变化规律

5 结论

本文成功设计了螺旋结构的小型煤粉送粉器，并对其性能进行了测试。测试结果表明：采用该送粉器可以实现煤粉送粉量在2.5g／min～7g／min之间连续可调，且供粉量随送粉电机的供电电压呈线性变化；当载气流量大于粉末颗粒悬浮速度时，风粉均匀稳定，送粉器满足应用要求。

［1］ 罗涛.载气式超细粉末送粉器的研制［D］.天津：天津工业大学，2006：10.

［2］ 陈再良.塑料板材表面喷涂技术的开发研究［D］.苏州：苏州大学，2011：23.

［3］ 崔海涛，李强，武强，等.激光快速成型送粉器及其特性［J］.北京工业大学学报，2002，28（3）：341-344.

［4］ Donsi G，Ferrari G，Poletto M，et al.Gas pressure measurements inside an aerated hopper［J］.Chemical Engineering Research and Design，2004，82（1）：72-84.