一种生物质防架桥进料机构的设计

黄灿军

【摘  要】为解决生物质加工应用过程中进料机构内物料的架桥与挂壁问题，一般采用改进料斗、料仓的结构设计，以及采用振动、气体喷吹、机械搅动等辅助装置防架桥技术，但都未能彻底消除料仓的侧壁对物料流动的阻碍作用。论文提出了一种长方形锥型或正方形锥型的活动壁料仓的设计，通过在料仓壁的内侧安装由电机驱动的传送带，彻底改变物料仅依靠自身重力进行下落的进料方式，并且传送带速度不一致对物料整体产生剪切效果，从而有效防止物料的挂壁与架桥现象。

【Abstract】In order to solve the problems of material bridging and wall hanging in the feed mechanism in the process of biomass processing， the improved structure design of hopper and silo and the anti-bridging technology of auxiliary devices such as vibration， gas injection and mechanical agitation are generally adopted， but the side wall of silo can not completely eliminate the blocking effect of material flow. This paper presents a design of rectangular cone or square cone type movable wall silo. Through the installation of the motor driven conveyor belt in the inner side of the silo wall， completely change the feeding mode that material only rely on its own gravity to fall. The speed of the conveyor belt is inconsistent to produce a shear effect on the whole material， so as to effectively prevent the material wall hanging and bridging phenomenon.

【關键词】防架桥;生物质;进料机构

【Keywords】anti-bridging; biomass; feed mechanism

【中图分类号】TS210.3                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）10-0179-03

1 引言

木质纤维素在地球上分布广、含量多，每年大约有1000亿吨的生成，是一种来源广泛、价格低廉的可再生资源。利用废弃木材、竹子、农业秸秆等天然生物质材料进行造纸制浆、发酵生产酒精、制备复合木塑材料、生产生物质燃料等已形成规模化产业。在生物质材料的再加工和循环利用过程中，由于物料的形状不规则、密度小，物料容易吸收水分而膨胀、压实，物料间发生缠绕、拉扯，物料与仓壁间发生黏连等现象，导致其流动性差，经常在料仓中产生架桥或挂壁等现象，使加料不均匀或不连续，严重时会影响加工机械的性能。因此，防架桥与破拱技术成为生物质利用技术的研究热点之一。在防架桥技术专利方面，中国在2007年开始相关技术专利申请量快速上升，2013年达到高峰，目前中国防架桥专利申请量为世界的前二位，申请量超过了1000件[1]。

物料之间以及物料与仓壁之间的摩擦力与物料的湿度和密度密切相关，在料仓开始卸料时，由于物料较松散，摩擦力较小，物料在重力作用下可以持续下落。随着物料下落局部的物料密度逐渐增加，当这部分物料自身的重力不足以克服物料之间以及物料与仓壁之间的摩擦力时，物料无法在料仓内下落而产生挂壁和架桥现象。现有防架桥技术虽然形式不一样，但其原理基本一致，均是通过破坏物料的摩擦力与重力的平衡来实现破拱。

2 料斗防架桥技术

料斗是进料装置必不可少的关键部件，通常与生物质加工机械的进料口相连，为了方便进料，料斗大多采用上宽下窄的漏斗状设计，这种料斗中以倾斜面出现的仓壁是物料发生架桥的主要原因。由于倾斜面对物料的支撑作用，增加了物料与仓壁之间的摩擦力，同时上宽下窄的漏斗状也使物料在下降过程中增加了挤压，促使架桥现象的发生。一些文献提出了增加垂直面[2]、出口偏心设置的料斗[3，4]（见图1），使垂直面对物料的支撑作用减弱，降低料拱的形成。

3 料仓防架桥技术

在生物质材料用于制浆、燃料等场合时，其每次使用量大，而且要求连续均匀进料，因此需要较大料仓用以储存。此时由于大量的物料堆积，高度较大，更易造成架桥。通常采用垂直仓壁或上小下大的倒锥形设计[5，6]，以降低仓壁对物料的支撑作用，减小物料之间、物料与仓壁之间的摩擦力，提升物料流动性。大型料仓的设计对高径比有一定要求，当高径比过大，料仓底部的出料机构对上层物料的扰动作用减弱，亦会产生架桥现象。料仓通常设计成圆形、方形、圆形倒锥、方形倒锥、圆方组合、单面倾斜方形料仓等。结合料仓形状以及料仓的高径比进一步在仓内设置卸压锥，保证物料压力始终稳定在临界压力下。常见的卸压锥布置有双曲线布置、指数曲线布置、环形布置等[7]。

一些研究者进一步对仓壁进行优化设计，以改善倾斜仓壁对物料下落的阻碍作用。专利CN201721197438.9“一种防架桥粉体喂料机”采用一种具有柔性喂料通道内壁或者喂料通道内固定有柔性内层的设计，通过柔性壁消除粉体由于重力产生的向外张力与喂料通道内壁挤压而形成的分子间作用力，从而防止架桥[8]。专利CN201320506645.3“改进的回转式防堵物料仓”采用两端固定仓、中间旋转仓的三段式料仓设计，有效解决出料时物料堵塞等问题[9]。专利CN201821746997.5“一种防架桥木片料斗”采用在内壁上依次加装数块减压板，使物料与仓壁形成间隙，以达到消除架桥故障的目的[10]。

4 辅助装置防架桥技术

4.1 振動敲打技术

通过振动使物料内摩擦系数减小，抗剪强度降低，从而实现物料的破拱。常见的振动设备有空气锤、空气振动器、振动马达以及振动料斗等，空气锤对易吸潮挂壁类物料破拱效果好，滚珠式振动器适合沙子、种子等颗粒料，振动马达对颗粒状、流动性好的物料作用效果较佳[11]。该类设备主要安装在料仓外壁，设备的维修维护简单，价格较低，但由于振动作用范围有限，该装置适用于小容积的料仓。

4.2 气体喷吹技术

通过压缩空气的冲击力，使物料掘松，起到破拱作用。常见的有流化喷嘴、喷吹板以及空气炮等。流化喷嘴是将压缩空气通过喷嘴直接对物料进行喷吹，空气炮则是使一定压力的气体瞬间释放以产生强大冲击力作用于物料，将料拱破坏。喷吹装置结构简单、噪音低、便于维护，适用于不易吸潮、不与水反应的物料。而空气炮则对料仓的材料有一定要求，适用于以混凝土、钢、塑料等为主要材料制成的料仓的清堵[12]。

4.3 机械搅动技术

通过机械结构的旋转运动或往复运动破坏料仓内的物料平衡状态，使某一部分发生塌陷，达到破拱效果。按照机械装置作用的部位，一般可分为料仓内腔、料仓出口、料仓底部3种防架桥装置。

料仓内腔防架桥装置主要是通过垂直安装于料仓中心位置的螺旋轴+桨叶式松动器、螺带、弹性杆、搅拌臂等，对料仓内的整体物料进行搅动破拱。该类装置对结构不会产生振动，对物料的作用范围广，但结构较为复杂，初期投入较大，不利于维修维护，适合应用于对出料流量大的场合。

料仓出口防架桥装置主要通过安装于出料口的做水平往复运动、垂直往复运动或往复摆动的拨叉，对出料口处的物料进行搅动而实现破拱。该类装置的作用范围有限，适用于流动性较好的物料。

料仓底部防架桥装置主要针对大型的储料式料仓，该型料仓需要在底部设置特殊的出料装置以实现连续均匀出料，出料装置同时还起到对上层物料进行扰动的作用，达到“破桥”目的。常见的出料装置有活底液压推杆、旋转螺旋、液压拨叉、液压滑块、并联螺旋等出料装置，其中的活底液压推杆和旋转螺旋出料装置适用于大中型料仓，液压拨叉、液压滑块和并联螺旋出料装置则适用于小型料仓。

5 一种生物质防架桥进料机构的设计

仓壁对物料的支撑使二者之间的摩擦力增加是导致架桥的重要原因之一，传统的上宽下窄甚至垂直仓壁的料仓均未能很好解决这一问题。上窄下宽的倒锥型料仓又不能满足大多数应用场合。本文采用了一种活动壁防架桥进料机构的设计，如图2所示，采用长方形锥型结构，两侧面为斜面，前后面为垂直面，底部采用双螺旋出料。在斜面的内侧装有传送带，利用单独电机或底部双螺旋电机通过皮带进行驱动，类似于“活动壁”，两侧的传送带与物料接触一面的运动方向均向下，使物料在传送带的摩擦力和自身重力的共同作用下向下运动，改变传统的料仓仓壁仅对物料静止支撑的状态，有效解决物料的挂壁现象。进一步通过设置不同的传动比使两侧传送带运动的速度不一致，相当于对物料整体起到剪切作用，增加破桥效果。

如图3所示，对于条状、块状等流动性差的物料，在传送带上进一步增加横向隔条，增加传送带对物料的摩擦力。

对于一些轻质缠绕性的物料，在传送带上设置一定间距、成排安装的销钉装置以增加传送带对物料下行的作用，如图4所示。同时，为了避免销钉将物料带入传送带上行侧与仓壁的间隙中，造成传送带的卡死，销钉装置设计成可伸缩的形式，如图5所示。在传送带下行阶段，通过安装在传送带下方的衬板使弹簧压缩，销钉被强制推出，对物料产生作用。当销钉下行到最下端即将转为上行时，此时已到衬板的末端，衬板失去作用而弹簧恢复原状推动销钉收缩到传送带下方，有效避免销钉将物料带进上行区间。

对于传统的正方形锥型料斗，采用在4个侧面增加传送带的设计，如图6所示，相对的2个侧面安装长而窄的传送带，另2个相邻侧面安装短而宽的传送带。

对于垂直仓壁的方形大型料仓，在4个侧面增加传送带，并采用不同的向下运动速度，改变了物料下落的驱动方式以及物料在垂直方向的压力梯度，破坏了物料挂壁和架桥的条件，使料仓可采用更大高径比的设计。

6 结语

料仓是生物质材料加工与应用过程中的关键设备之一，长期以来，料仓内物料的架桥现象严重影响实际生产，受到相关领域众多的工程技术人员和研究者的关注，提出了形式多样的解决方案。本文采用了一种活动壁的设计，通过在料仓壁的内侧安装电机驱动的传送带，使仓壁对物料的摩擦力由阻碍物料下落变成驱动物料下落，实现物料在传送带的摩擦力与自身重力的双重作用下落料，并且传送带的运动速度不一致，进一步对料仓内的物料整体产生剪切效果，打破物料的平衡状态，有效防止挂壁与架桥现象的产生。该进料装置结构简单、使用方便、节约成本、满足连续进料的工艺需要。

【参考文献】

【1】熊雅茜.粉料仓储领域防架桥技术综述[J].现代商贸工业，2017（7）：195-196.

【2】魏文义.同向平行双螺杆挤出机喂料系统的现状与发展[J].工程塑料应用，2003，31（02）：53-55.

【3】方玉莹.粉状物料供料与计量装置设计[J].食品与机械，1997（02）：23-24.

【4】郭培红，朱莉，梅艳阳.生物质气化系统中气化炉设计及进料装置改进[J].农机化研究，2013（6）：222-225.

【5】尤巍.生物质料仓结拱原因分析及措施[J].工业锅炉，2020（05）：34-37.

【6】付志臣，涂叔颖，周飞飞.一种新型生物质进料机构的研究[J].林业机械与木工设备，2018，46（04）：29-34.

【7】周乐才.封闭木片料仓“防架桥”和“破桥”技术的研究和应用[J].中华纸业，2015，36（18）：36-40.

【8】刁书才，马官国.一种防架桥粉体喂料机：中国，CN201721197438.9[P]，2018-05-04.

【9】丁洪超，徐传玺，王召瑞，等.改进的回转式防堵物料仓：中国，CN201320506645.3[P]，2014-04-16.

【10】方志强，黄海龙.一种防架桥木片料斗：中国，CN201821746997.5[P]，2019-09-27.

【11】刘茼，刘桂林.浅谈粉体料仓防架桥装置的应用[J].轻工科技，2019，35（10）：50-51.

【12】郜杰.空气炮在解决料仓堵塞中的应用研究[J].机械管理开发，2020（12）：152-153.