FU链式输送机的创新型升级改造方法

孙欣林，邵皖平，郑相宜

FU链式输送机的创新型升级改造方法

Innovative Upgrading Method of FU Chain Conveyor

孙欣林，邵皖平，郑相宜

FU链式输送机普遍应用于国内水泥、建材、发电、冶金及化工等行业，用以输送粉状及粉、粒混合状散料。由于具有全封闭、可长距离、多点进、出口、适合爬坡及耐高温集于一体的技术特性，已成为输送设备中市场竞争优势较强的产品之一。截至目前，该机虽经过多次的技术完善，但仍存在着如性能不稳等问题。该文指出了这些问题以及产生的原因，通过讨论和分析发现了一种创新型解决办法，并加以详细论证。

机槽；散料层；内压力；内摩擦力；创新

1 前言

自二十世纪90年代初以来，FU链式输送机就普遍应用于国内水泥、建材、发电、冶金及化工等行业，用以输送粉状及粉、粒混合状散料。由于FU链式输送机具有全封闭、可长距离、多点进出口、适合爬坡及耐高温等技术特性，已成为输送设备中市场竞争优势较强的产品之一。

随着主机设备技术要求的日益提高，作为与之相应配套的输送设备，FU链式输送机技术性能的优化升级显得尤为迫切。

2 主要组成及存在问题

FU链式输送机又称FU拉链机，外形与构造如图1所示，主要由机槽、附U形叶板的输送链条（以下简称U形链条）、电机、减速机及链条传动装置等组成。当前，该机虽经过二十多年的技术发展，但仍存在着性能等诸多方面不足的问题。

（1）同机槽截面上的输送速度均匀性差，极易导致散料层在机槽内出现局部的“紊流”和“涡流”现象，造成输送机产量减少。

（2）同机槽截面上的输送速度稳定性差，极易受到外界因素（如散料层温度、粒度、硬度、厚度等因素）变化的干扰，造成输送机性能降低。

（3）机槽磨损严重，其底部两侧的直角拐角处磨损尤为严重。如果没有耐磨衬板的保护，机槽极易被磨穿。但若采用耐磨衬板，不仅会增加设备成本和能耗，而且还会因衬板经常脱落等原因引起U形链条卡死停车，带来维修费用和停产损失。

（4）从动部分仍采用非直驱的链条传动方式驱动，较直驱传动能耗高、维修量大。

图1 FU链式输送机

长期以来，解决这些问题的方法除在设计时将输送机产量提高一档或一档半进行配套选型，以弥补设备性能的不足外，还通过在使用运行中加厚机槽钢板或在内部加衬板的方法，改善设备耐磨性能。以上两种方法均未达到满意的结果。

鉴此，本文拟分析这些问题产生的原因，并提出了一种创新型解决办法，供大家参考。

3 原因分析

3.1 内压力和内摩擦力

FU拉链机利用散料层中各微粒间存在着的内压力和内摩擦力输送物料。当机槽内散料层堆积到一定高度时，就会与正在环绕运行的U形链条附件发生接触。由于散料层在机槽内受到与输送链运动方向同方向力的挤压作用，使微粒间的内压力增大，散料层微粒之间的相对运动趋势产生，从而使微粒间的内摩擦力也相应增大；当增大的内摩擦力大于散料层受到的机槽底和侧壁的静摩擦力时，散料层将沿着U形链条运动的方向向前移动；增大的内压力保证了微粒间的稳定状态，从而形成了整体的连续流动，实现了输送的目的。由此可见，内压力和内摩擦力是影响输送性能的关键因素。据经典力学，散料层中微粒间的内摩擦力公式为：

式中：

μ——相邻微粒之间的静摩擦系数

μ1——微粒与U形链条附件之间的静摩擦系数

Ni——相邻微粒之间内压力（i=1，2，3…）

Nj——U形链条附件对微粒的挤压力

在一般情况下，内摩擦力会随外力条件的变化而变化，当散料层微粒之间相对运动趋势处于临界状态时，其内摩擦力既达到极限值。

从式（1）可知：（Ni+Nj）为散料层中各微粒所受的总内压力。当静摩擦系数不变时，内摩擦力与总内压力成正比。

当前FU拉链机，因机槽由平面为底的纯矩形截面组成，所以当机槽内积聚增加的微粒与输送方向运动的U形链条接触时，其微粒间总内压力主要由微粒在机槽内自然堆积而产生的内压力Ni，以及U形链条附件因运动产生的挤压力Nj组成。这些力的作用及其方向如图2所示。内压力Ni不仅与微粒自身的体积、重量、物理性质以及堆积高度有关，还与机槽截面形状有关；而挤压力Nj仅与U形链条的外部驱动力有关。

由于平底面对于散料层因重力作用而产生的支撑力处处相等，且均垂直于同一底面、方向一致朝上，故在散料层堆积过程中，微粒间的横向挤压不会增加；又因两侧壁垂直于平底面，且又与散料层重力方向平行，故除了因阻止散料层堆积引起的边缘扩散而产生的侧压力外，侧壁对微粒的正压力几乎为零。微粒在各个方向所受的内压力Ni差异较大，造成机槽横断面方向上因内压力不足而出现散料层堆积松散的现象。

散料层堆积松散，不仅使微粒之间相互接触面积减小，即静摩擦系数减小；还造成内压力在U型链条运动方向上受挤压力Nj作用，增长相应减小。因而内摩擦力增长受到了严重的影响。

为此，内压力和内摩擦力除了受到纯矩形截面形状机槽的不利影响外，还极易受到散料的颗粒度、硬度、黏度、温度等物理性质及堆积高度的影响。内压力和内摩擦力因受以上特性影响而不足，是导致当前该设备输送速度均匀性和稳定性差的主要原因。

如果能够通过机槽结构的变化，使相邻微粒间受到的内压力Ni趋于均匀合理，则可以弥补内压力和内摩擦力增长不足的情况。

3.2 滑动摩擦力

图2 微粒间总内压力示意图

FU拉链机的机身，既是机架又是输送散料的载体——机槽，除受到驱动力、重力等外力作用外，还受到一定速度的散料层在机槽接触表面上产生的滑动摩擦力等内力的作用。在内外力影响下，输送受到阻碍，机槽底面也受到磨损。随着磨损加剧，机槽的机械性能不断减弱，设备性能也不断降低。此时，如果不加以修补加固，就会影响设备的正常使用。显然，滑动摩擦力既是产生机槽磨损的主要原因，又是决定机槽寿命的重要因素。

依据经典力学原理，机槽底面磨损度不仅与散料层的运动速度、机槽底面的摩擦系数有关，还与散料层对机槽底的正压力有关。

式中：

W——机槽抗磨损消耗的功率，W，与其磨损度成正比，抗磨损消耗的功率越大，则磨损度越大、磨损量越严重。

V——散料层相对速度，m/s

ζ——散料层与机槽底之间滑动摩擦系数

F——机槽底所受的正压力，N

式中，F、V两个参数都是沿着机槽长度和截面发生变化的，其规律随着不同的机槽截面形状而差异很大。

由于当前FU拉链机的机槽截面形状为纯矩形，所以散料在自然堆积下，其顶面形状似中间高两侧较低，与水平面形成一个下滑的夹角，当此下滑角小于临界下滑角时，其堆积的形状将保持相对不变。根据散料分布情况，F的变化规律是从平底面的对称中心线向两侧缓慢减小，当到达两侧的直角拐角时，开始急剧增加。

这是由于平底面与侧平面相交形成了直角拐角。由于平底面的几何半径近似为无穷大，故之上的压力均匀相等；而直角拐角处的几何半径却为零，即此处近似为点而不是面，故之上的压力几乎为无穷大；这种压力从平底面到直角拐角，发生了从有限到无限的急剧变化，即所谓的边缘效应。另外，处于侧壁与U形链条附件之间的散料层，因受侧壁边缘的影响，其运动速度相对减小，易发生部分积料，导致机槽局部的压力增加。

而在该机槽长度方向上，因U形链条每个附件运动状态基本保持不变，故F的变化不大。同理，V的变化规律与F的变化规律基本相似，变化最大的仍在机槽平底两侧的直角拐角处。F、V沿机槽截面方向的变化如图3。

图3 F、V沿截面方向变化示意图

分析式（2）可知：该机槽截面各点磨损度以槽底中心为标准值，则沿两侧略微减小；到直角拐角处则迅速增加；到侧壁后，则迅速降低，直至为零。

据此推定：平底中间的表面磨损度较大，而平底两侧的直角拐角处的表面磨损度最大。

4 一种创新型解决方法

4.1 机槽及输送链条的创新型结构

机槽和输送链条是FU拉链机的重要组成部分。该创新型机槽的截面是由上部、中部和下部三种不同的几何形状组合而成。上部由两块对称排列的侧板、盖板和中部的顶边围成，形似矩形；中部由两块对称排列的斜侧板、上部的底边和下部弧形的弦围成，形似倒梯形，倒梯形的锐角（90-α）约在65°～85°之间选择；下部由弧形底板和中部的下底边围成，形似弓形，弧形的弦长为机槽的槽宽，槽宽共有270mm、350mm等7种规格组成，而所有弧形的弦高都在100～140mm之间。下部弧形底板与中部斜侧板之间的过渡由半径≯100mm的弧面光滑连接。

因此，该创新型机槽是由弧形为底的多几何形状组合截面组成，其外形与结构见图4所示。

创新型输送链条及其附件由滚子、链扳和U-V型组合式叶板附件组成。其中，U-V型组合式叶板附件是由“V”字形和“U”字形两种字形叠加组成的一种倒梯形钢结构叶板，其梯形的锐角（90-α）约在60°～80°之间选择，其外形与结构见图5所示。

4.2 作用原理

图4 以弧形为底的多几何形组合截面机槽示意图

图5 U-V型输送链条示意图

依据经典力学原理，若物体在同一个圆心的弧形面上，则该物体无论位于何处，均受到一个指向圆心的最大支撑力，并与弧形面垂直，即向心效应。当物体受到自重与最大支撑力的合力作用时，就会在弧形面上产生相对运动或运动趋势，这种运动或运动趋势将导致相邻物体之间产生一对相互作用的挤压力，而这种挤压力（即内压力）在水平面上是不会发生的。

由此类推，对于弧形底多几何形状组合截面机槽来说，当散料层自然堆积到同一个弧形底面时，散料层中相邻微粒之间产生的内压力，除了包括自然堆积下产生的内压力外，还有向心效应所产生的挤压力，弧形越大则挤压力越大。而当散料层继续堆积到中部倒梯形时，散料层在两斜侧板上受到因自重产生的下滑力的作用，而具有向前运动或运动趋势时，又会对相邻微粒产生挤压力，该挤压力与斜侧板的倾斜角度和料层高度有关。

因此，散料层中微粒间总内压力不仅包含因自然堆积产生的内压力、U形输送链条运动产生的挤压力，还有机槽弧形底因向心效应所产生的挤压力和斜侧板上因斜面作用而产生的挤压力。这些新增的挤压力不仅使微粒间所受的不同方向的内压力趋于均匀合理，而且使机槽底所受的正压力也相对减小。

机槽横断截面方向上的内压力增强，致使散料层堆积相对紧密。这种紧密的堆积状态，不仅使微粒间的相互接触面积增大，即静摩擦系数增加，而且造成在U形链条运动产生的挤压力的作用下，内压力增长也相应提高。所以，内摩擦力增长也相应提高。

压力和内摩擦力增大，从而可以解决当前FU拉链机存在的输送速度不均和失稳的问题。

4.3 F、V沿组合槽截面的变化规律

对于弧形底的多几何形状组合截面机槽，当散料层自然堆积到弓形高以下时，其形状似弓形；当继续堆积超过弓形后，散料层的形状却由弓形和倒梯形两部分组成。对于形状似弓形的散料层，因受向心效应的作用，其正压力F只是本身重力的分力，离弧形中心越远，其正压力F越小，当到达弧形两端部时，其正压力F为最小；对于形状似弓形和倒梯形组合的散料层，其正压力F情况基本相同，但因受斜侧板的斜面倾角的作用，其在斜侧板上的正压力F只是本身重力的分力，斜面倾角越大，其正压力F越小，当倾角趋近90°时，其正压力F趋近于零。

因此，正压力F沿组合截面的变化规律是：以机槽圆弧底的对称中心为标准值，沿两侧以函数级逐渐减小，到两侧的过渡圆弧处，则降低到最小。

由于此处有过渡圆弧的光滑连接，避免了因直角拐角的边缘效应而发生的突变现象；同时又因机槽斜侧壁的斜面作用影响，使斜侧壁边缘的散料层运动速度滞后减小，从而消除了此处因积料而产生的部分局部压力。

同理，散料层运动速度V沿组合截面变化规律同正压力F。F、V沿组合截面方向变化如图6所示。

图6 F、V沿截面方向变化示意图

通过式（2）的定性分析可知，该创新型机槽截面上的各点磨损度以机槽圆弧底中心为标准值，向两侧逐渐减小，到两侧端部时则降为最小。

为此推定：圆弧底中间的表面磨损度相对较大，而底部其余部分的表面磨损度明显减小，过渡圆弧面的表面磨损度最小，这与当前FU拉链机机槽的磨损情况完全相反。

5 有益效果

同机槽截面上的输送速度均匀性好，从而避免散料层在机槽内出现局部的“紊流”和“涡流”现象，使输送机产量正常稳定。

同机槽截面上的输送速度稳定性好，外界因素（如散料层温度、粒度、硬度、比重、厚度等）变化时，抗干扰性强，使输送机性能稳定和提高。

散料层所受机槽底的摩擦阻力明显减小，机槽耐磨性增强，尤其两侧的耐磨性更加显著。因此，拉链机使用寿命长、能耗低。

独特的组合型机槽结构，使机槽抗扭变形和抗弯变形能力增强，尤其抗热变形能力强。因此，高温下机槽防热变形能力好。

机槽受力合理、应力集中少，因而机械性能强，无须加强、加固，钢材用量少、成本低。

机槽内没有因直角拐角而带来的运动节点或死角，因而可以避免机槽出现积料或堵料现象。

独特的倒梯形结构，使输送链条上的U-V形组合式叶板受力均匀、抗变形能力强。

6 工业性应用

该创新型机槽结构曾作为双质体单驱动振动输送机机槽，在水泥生产线上进行块、粒状混合水泥熟料的输送试验。经两年的连续运转后，对机槽底部钢板厚度进行测定，结果显示该机槽底部钢板磨损量只相当于同规格的纯矩形截面机槽底部钢板磨损量的四分之一。即，如果纯矩形截面机槽使用寿命为一年，则该创新型机槽的使用寿命为四年。另外，还有输送性能和输送产量都得到了提高。

振动输送机要求其机槽具有更强的耐磨性能、防变形能力和机械强度，否则将难以在复杂的受力条件下实现正常的设备运转。而FU拉链机机槽在某些方面有很多相似的特点。因此推断：该创新型机槽能够通过FU拉链机工业性应用，实现该机技术性能的优化提升。当然，要完全达到上述理想效果，有待今后进一步的技术开发予以完善。

7 小结

总而言之，通过机槽和输送链条等重要部件的创新开发，实现技术性能的优化升级，对于当前FU拉链机，意味着在达到同样输送能力的同时，电动机能耗却比以前节省一级到一级半。同时也意味着提高机槽的抗磨损性，而无须采用增加钢板厚度或者耐磨衬板的方法。这不仅能够增加设备的使用寿命、减轻钢材重量和降低投资成本，而且可以节省设备的维修费用和减少停产损失，社会和经济效益极其显著。该创新型组合式机槽已获得国家发明专利。■

TQ172.687

A

1001-6171（2015）06-0092-04

合肥水泥研究设计院，安徽合肥230051；

2015-03-07；编辑：赵莲