0 　引言

　　在一些特殊行業(yè)中，為了生產(chǎn)需要將會(huì)使用風(fēng)機(jī)原理，采用類似風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，比如將要研究的灌裝粉末狀固體顆粒物體的過程。從能量觀點(diǎn)上講，它們并不像風(fēng)機(jī)一樣把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的勢(shì)能和動(dòng)能。但是又離不開流體的作用，如果沒有流體混入，將可能導(dǎo)致無法讓物質(zhì)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)地點(diǎn)，比如水泥灌入水泥包裝袋的過程。為了更加形象，用水泥顆粒作代表來研究同類物質(zhì)的工作狀況。

　　這種很細(xì)的粉末狀顆粒，一般來說可以用固體輸送機(jī)械，也可以用氣體輸送機(jī)械來輸送它，這要根據(jù)具體的輸送環(huán)境、輸送條件和輸送需要來選擇。但是在灌裝過程，因?yàn)樗奶厥庑?，以及工作條件的限制（小環(huán)境、密閉式、高速水平灌裝），實(shí)際生產(chǎn)中既不可以單一的用氣體工作原理，又不可以簡(jiǎn)單的用固體工作原理來設(shè)計(jì)設(shè)備灌裝。小環(huán)境是為了減少工作面積，密閉是為了減少揚(yáng)塵、改善工作條件、提高環(huán)境質(zhì)量、提率，高速是為了滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)率、低成本、大生產(chǎn)。在現(xiàn)代社會(huì)效率是企業(yè)生存的根本，低效企業(yè)的zui終命運(yùn)就是被淘汰出市場(chǎng)。所以無論是使用還是設(shè)計(jì)都很有必要進(jìn)行深層次的研究。

1 　氣體與固體輸送的不同

　　固體顆粒與氣體混合到一定比例，使顆粒所占的比例足夠小，就可以使用氣體輸送原理來輸送它，比如除塵風(fēng)機(jī)。或者使氣體壓力足夠大，也可以使用氣體輸送原理來輸送它，比如噴射泵。

　　因?yàn)樗囝w粒單個(gè)體積很小、質(zhì)量不大，很容易被氣體托起，所以如果把水泥顆粒以較小的比例混合在氣體里，就可以運(yùn)用這兩種物體作介質(zhì)，輸送這種固體顆粒。

　　但是存在在有限的空間（水泥編織袋）里迅速把它們分離，使其在很短的時(shí)間內(nèi)灌入一定的質(zhì)量（比如 10s 內(nèi)灌入 50kg ）的問題。因?yàn)樗鼈兓旌狭軓?qiáng)，氣體在運(yùn)送中占的比例太大。用這樣的方式會(huì)在袋子里充入太多的氣體，而固體顆粒進(jìn)入量卻太少，袋子在承受著太大的壓力下，將容易破損，導(dǎo)致灌裝失敗。所以這種方式是不可取的。

　　然后再研究如果把水泥顆粒簡(jiǎn)單的看作固體物質(zhì)作用會(huì)是什么情況：固體分子、顆粒之間的摩擦力、粘滯力是很大的，靜止時(shí)它們會(huì)緊固在一起；運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度越大，顆粒之間的作用力越大，力的損失越大。雖然水泥在被粉磨之后已經(jīng)是很小的顆粒，相比而言單個(gè)個(gè)體間的接觸面積較小，但有無數(shù)個(gè)個(gè)體，各個(gè)個(gè)體之間的作用力加起來就很大了。

　　它們的重力都足以使顆粒間的自然空氣慢慢排出，使個(gè)體之間的接觸面積zui大化。給它們的壓力越大，空氣排出得越*，它們就粘得越緊，對(duì)力的損耗就越大。所以如果單純的把水泥顆粒當(dāng)固體來研究，在它們離開驅(qū)動(dòng)機(jī)械后，這無數(shù)個(gè)顆粒之間的作用力很快損耗了它所得到的動(dòng)能。加上空氣阻力的作用，這些顆粒馬上就偏離了正常的所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　如果是在敞開的環(huán)境中，這些單個(gè)顆粒的質(zhì)量太小，會(huì)飄在空氣里一段時(shí)間，既污染環(huán)境又降低工作效率。為了避免出現(xiàn)這樣的情況，使它們zui快地到達(dá)水泥袋里，還應(yīng)該讓它們?cè)谝粋€(gè)密封的環(huán)境里面運(yùn)動(dòng)。

　　以上是從原理上研究所得出的理論結(jié)果：不能把這些顆粒運(yùn)動(dòng)用一種簡(jiǎn)單的方式來實(shí)現(xiàn)，必須采用氣體和固體運(yùn)動(dòng)合成的方式。在實(shí)際使用中，如果只從一個(gè)方面研究問題，用單一的方法處理問題，就會(huì)導(dǎo)致在灌裝中質(zhì)量灌不夠、灌得慢、設(shè)備損耗快、效率低、環(huán)境差、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、袋子破損大等各種各樣的情況出現(xiàn)。

2 　固體灌裝的理論實(shí)現(xiàn)

　　為了達(dá)到、高速、環(huán)保、低成本、低磨損、低破損、準(zhǔn)確穩(wěn)定的質(zhì)量，就要把各種條件都考慮進(jìn)去，引入氣體作介質(zhì)，使其既具有固體運(yùn)動(dòng)的特性，又具有氣體運(yùn)動(dòng)的特性，這就是風(fēng)機(jī)原理在顆粒狀物體灌裝中的應(yīng)用。

　　從上面的分析已經(jīng)知道，無論是把這些顆粒當(dāng)流體還是把它們當(dāng)固體來灌裝在生產(chǎn)中都存在明顯的困難，不能滿足生產(chǎn)條件和生產(chǎn)要求的需要。所以應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆椒?，減小顆粒之間的作用力，在得到動(dòng)能后保持慣性運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，就需要引入一定壓強(qiáng)的高壓空氣使其迅速與顆?；旌希瑴p小顆粒間的接觸面積，降低顆粒間的相互作用力。

　　同時(shí)為了在進(jìn)入水泥包裝袋后能夠迅速把氣體和固體分離，排出氣體，使袋子用zui大的空間容納顆粒，保證在有限的空間、有限的時(shí)間內(nèi)灌夠需要灌入的質(zhì)量，還要求水泥編織袋在保證強(qiáng)度和不使水泥顆粒漏出的情況下具備zui大的透氣性，以及在保證灌裝能力的情況下zui小的入氣量。

　　在引入高壓空氣后，就可以引用風(fēng)機(jī)的一些原理來分析水泥顆粒的工作狀況，采用風(fēng)機(jī)的一些外形結(jié)構(gòu)來達(dá)到灌裝水泥顆粒這種固體顆粒的目的。

　　從以上的分析研究可以總結(jié)出，把這些小顆粒在有限的空間、有限的時(shí)間內(nèi)把一定質(zhì)量的水泥裝入水泥袋的工作條件：混入適度的高壓空氣、在密封的環(huán)境里、依靠驅(qū)動(dòng)機(jī)械使顆粒離開機(jī)械后保持運(yùn)動(dòng)。

3 　外部結(jié)構(gòu)研究

　　現(xiàn)在圍繞這 3 個(gè)要求進(jìn)行研究，以得到良好的灌裝效果?；烊敫邏嚎諝馐莦ui容易實(shí)現(xiàn)的，只需要用氣管把高壓空氣在灌料時(shí)送入料倉底部，就可以實(shí)現(xiàn)快速混合氣體。

　　為了讓水泥顆粒不飄揚(yáng)到空中污染環(huán)境、提高灌裝效率，要讓它從進(jìn)入料倉到到zui后袋子封口都不能外瀉。采用風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入料倉和出料倉這個(gè)過程保證密封，只需要保證進(jìn)入口和出口，其它地方全部密閉。用一個(gè)出料嘴作為過渡裝置，通過袋子*的通口插入袋子內(nèi)部，推袋時(shí)自動(dòng)退出，依靠袋的內(nèi)壓作用使通口自動(dòng)回封，堵住通口。

　　考慮到結(jié)構(gòu)和空間的需要，更好的利用自壓，采用頂部進(jìn)料，下側(cè)出料的進(jìn)出料方式，見圖 1 。

4 　內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究

　　研究重點(diǎn)放在如何使驅(qū)動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)顆粒，在離開機(jī)械后讓顆粒保持*的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度上。

　　為了滿足空間和連續(xù)性的需要，采用風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料運(yùn)動(dòng)，脫離葉片后在慣性的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的方式，讓顆粒離開料倉進(jìn)入袋子。這在結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式上類似于風(fēng)機(jī)，但是顆粒運(yùn)動(dòng)原理卻不同于風(fēng)機(jī)里氣體的運(yùn)動(dòng)原理，能量轉(zhuǎn)換也不相同。

　　由于兩種物體混合在一起，混合比例在不斷變化之中，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)混亂復(fù)雜，各項(xiàng)指標(biāo)都不穩(wěn)定，所以風(fēng)機(jī)的流量、壓力、功率和效率等指標(biāo)和計(jì)算公式都不能在這里使用，這也是這個(gè)領(lǐng)域研究比較困難的原因。在這里只是作原理上的研究，不作具體的公式和數(shù)字分析。

　　現(xiàn)在參考離心通風(fēng)機(jī)的工作原理來作研究，以得出葉片的實(shí)際的結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)的葉片有前向、后向、徑向 3 種，用 βb2 角表示。

　　離心通風(fēng)機(jī)在不同 βb2 下的出口速度圖。 βb2 角對(duì)風(fēng)機(jī)的壓力、功率和效率有很大的影響。從葉片形狀看后向型流道較平滑，流動(dòng)時(shí)阻力損失??；前向型流道不好，阻力損失大。從速度圖看，后向型 c2 uzui小，反作用度值z(mì)ui大，故后向葉輪的效率高，前向葉輪的效率低。

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量增大時(shí)，前向風(fēng)機(jī)的功率急劇增大，后向風(fēng)機(jī)增加緩慢。所以前向風(fēng)機(jī)易負(fù)荷而燒壞電機(jī) 。

　　這兩種情況在研究的對(duì)象上也是基本一致的：當(dāng)出料口阻塞或者顆?；亓鞯裙腆w的比例密度增大時(shí)，前向風(fēng)機(jī)功率增大極快，傳動(dòng)帶很快磨損燒壞，電機(jī)經(jīng)常被燒毀。由于開始的時(shí)候研究不到位，這個(gè)問題頻繁的出現(xiàn)在實(shí)際工作中。

　　風(fēng)機(jī)是靠吸入空氣，改變壓力來工作的。但是在這里自然空氣很難進(jìn)入料倉，葉片高速運(yùn)動(dòng)不能形成風(fēng)機(jī)工作所產(chǎn)生的空氣壓力，顆粒得到動(dòng)能后做慣性運(yùn)動(dòng)。

　　如何才能使這些顆粒在離開葉片后減小相互間的碰撞摩擦、損耗能量，以zui簡(jiǎn)單、*的運(yùn)動(dòng)軌跡離開葉輪倉，進(jìn)入袋子，這在引入高壓空氣后還要求葉片有*的形狀和角度：葉片形狀要簡(jiǎn)單（越簡(jiǎn)單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡越單一，相互間碰撞的可能性越小。這和氣體或者液體靠相互間壓力的作用運(yùn)動(dòng)有根本性的不同，結(jié)構(gòu)要求和風(fēng)機(jī)也就剛好相反）。為使各個(gè)顆粒受力、運(yùn)動(dòng)軌跡基本平行，相互間接觸的可能性較小，相互間作用力也就較小，更好地排出料，葉片成直板狀效果*，葉面能和出口垂直切面平行。

　　由于出料口不能太大，且圓形出口效率zui高，所以要求葉片尺寸形狀和料嘴出口（料嘴直徑看實(shí)際要求決定）基本一致，才能保證能量得到有效利用，提率。如果葉片大于出口，容易造成回料；如果小于出口，容易導(dǎo)致出料管空出，均會(huì)降低效率。

　　根據(jù)以上分析，得出實(shí)際結(jié)構(gòu)圖，見圖 1 。

　　上端是料的入口，左下側(cè)的圓形管是料的出口，葉片平均分布在圓的周圍，與出口垂直切面平行（圖中葉片用一片代表）。

5　 效率分析

　　現(xiàn)在分析葉片與出口垂直切面平行時(shí)的出口速度和顆粒在出料管中的運(yùn)動(dòng)路線，見圖 2 。

　　這是后向型葉片的顆粒出口速度圖，可以看出 c2 幾乎與出口中心線平行，假設(shè)在運(yùn)動(dòng)中能保持理想狀況沒有重力和空氣阻力的作用，那么就將保持這個(gè)速度到終點(diǎn)。顆粒就不會(huì)跑到管壁上，然后再反彈回來，與正常運(yùn)動(dòng)顆粒的沖撞，損耗能量。

　　徑向型的 c2 方向和后向型的 u2 差不多，有大量料跑到管壁上，有部分回料；前向型的 c2 方向更偏向圓切面，大量的料跑到管壁上，大量的料回流，這些回料向上沖，干擾了上部的入料，而進(jìn)入管道的料很少。

　　從上面的對(duì)比很顯然地看出：后向型回料zui少，料的運(yùn)動(dòng)軌跡，能量損失zui少，灌裝速度zui快，效率zui高；前向型回料zui多，料的運(yùn)動(dòng)軌跡zui差，能量損失zui大，灌裝速度zui慢，效率zui低；徑向型介于兩者之間。這是在理想狀態(tài)（沒有重力、沒有空氣阻力、顆粒間存在一定的距離）下所得到的結(jié)果，可以作為實(shí)際選擇的參考。

　　流量與葉輪直徑、葉輪圓周速度以及葉輪寬度成正比，具體按實(shí)際需要來確定。

6　 結(jié)論

　　從以上的研究可以看到在顆粒狀物體的灌裝研究中，可以參照風(fēng)機(jī)的一些結(jié)構(gòu)和工作原理，利用它們的共性，區(qū)別它們的差異性，zui終得出正確有用的結(jié)果，成功地設(shè)計(jì)出*結(jié)構(gòu)。

　　氣體壓力的引入和葉片形狀方向的選擇是構(gòu)成的關(guān)鍵，直接決定了灌入能力和效率。引入可調(diào)整的高壓氣體，采用后向型葉片可保證良好的灌入效果和效率，減少電機(jī)燒毀，降低能耗。