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    “静”与“动”:粉体的摩擦性与流动性
    2020年04月10日 发布 分类:粉体入门 点击量:255
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    《孙子兵法》对高素质军队作出如下判定:疾如风、徐如林,不动如山、动如雷震 。一个能够做到动静自如的队伍,必定离不开作风优良、令行禁止的士兵 。对于粉体而言,每个颗粒都是一名“士兵”,要使粉体做到动静自如,必须掌握“颗粒士兵”们的习性——摩擦性与流动性 。

    粉体是物质存在的一种状态,既不同于气体、液体,也不完全同于固体 。在外力 作用下,粉体会呈现出固体所不具备的变形与流动性——流变特性 。其中,粉体的变形与摩擦性有关,应用场合包括堆粉贮存、压粉成型等场合,要求粉体在变形后能够“静若处子”,从而维持状态不变;粉体流动性的应用场合包括给料、输送等环节,要求粉体能够“动若脱兔”,从而提高生产效率 。

    1  粉体的摩擦性

    粉体的摩擦性一般由摩擦角来表征 。摩擦角代表粉体阻碍内部破坏或滑动的能力 ,可以衡量粉体由静转动(变形)的难易程度 。在粉体队伍中,摩擦角就如同军队里铁一般的纪律,可以约束“颗粒士兵”的行为,规定粉体在什么条件下保持静止,在什么条件下可以运动 。粉体的摩擦角包括内摩擦角、休止角、壁摩擦角和滑动摩擦角等 。

    粉体的摩擦角

    摩擦角

    定义

    测试方法

    内摩擦角

    粉体内部从静止开始滑动时形成的摩擦角

    三轴压缩试验、剪切试验

    休止角

    粉体由自重运动形成的自由面与水平面的夹角

    排出法、注入法、滑动法、剪切法

    壁摩擦角

    粉体与壁面间的摩擦角

    剪切试验

    滑动摩擦角

    平板上粉体滑动时,板面与水平面间的夹角

    平板倾斜试验


     

    1 三轴压缩试验

    在这里重点介绍下内摩擦角,它不仅提供了粉体应力 的分析方法——莫尔圆,还支撑着粉体的流动性分析——有效内摩擦角 。图2中的α角随作用面kp的转动而不断变化,当α角达到最大时,即op与莫尔圆相切,粉体层发生破坏——由静转动 。图3是根据三轴压缩试验得到的三个莫尔圆,其公切线被称作破坏包络线,该线与σ轴的夹角φi就是粉体的内摩擦角 。当正应力 σ和切应力 τ的合力 η与法线方向的夹角α小于摩擦角φi时,粉体保持静止;反之,粉体发生运动 。

     

    2 粉体层相对应力 的莫尔圆

     

    3 由三轴压缩试验结果绘制的莫尔圆

    2  粉体的流动性

    对于阵地战的战场,战斗力 强且持久的军队才有可能获得最终的胜利 。事实上,要达到这种效果也非难事,只要兵源充足且能连续替补即可;在这里,替补的连续性至关重要 。粉体的阵地往往是料仓,只有颗粒源源不断地流动、替补,形成连续的“战斗力 ”,才能圆满完成给料、输送等任务 。一般情况下,粒度小、比表面积大、表面粗糙、形状不规则、水分含量高的粉体流动性差,可以通过粉体造粒粉体表面改性、机械磨抛、干燥等方式来改善 。另外,粉体的流动性不仅与粉体本身相关,还与料仓的材质、结构等关系密切 。料仓内粉体的流动性可以采用下表的物理量进行分析 。

     

    4 料仓

    流动分析使用的物理量

    流动分析

    定义

    规律

    屈服轨迹YL

    粉体预先密实,再通过剪切试验得到的破坏包络线,即为YL

    表征粉体密实程度的函数

    有效屈服轨迹EYL

    通过坐标原点做一条直线与密实莫尔圆相切,该直线是EYL

    若破坏包络线过原点,EYL与YL重合

    有效内摩擦角

    横坐标轴与EYL的夹角,为有效内摩擦角δa

    δa增大,粉体流动性降低

    开放屈服强度fc

    粉体在自由表面上的密实强度,等于原点莫尔圆与横坐标的右交点

    fc值小的粉体流动性好,不易结拱

    粉体流动函数FF

    FF=σ1/fc,σ1为固结主应力 ,等于密实莫尔圆与横坐标的右交点

    FF值越大,粉体流动性越好

     

    流动函数FF与粉体流动性关系

     

     

    5 密实应力 σa条件下的屈服轨迹

    为了将流动函数FF与料仓内粉体的流动性联系起来,定义一个物理量流动因 数ff,它是料仓内粉体固结主应力 与作用于料拱脚的最大主应力 之比 。当FF>ff时,粉体在料仓内整体流动;当FF<ff时,粉体流动停止 。

    3  粉体摩擦性与流动性的应用

    3.1 防止粉体结拱

    结拱是粉体给料、输送操作时的常见问题,会直接导致卸料口堵塞,阻止粉体持续流动 。

    粉体结拱原因 包括:①内摩擦力 与内聚力 共同作用,使粉体形成固结强度,阻碍颗粒运动;②粉体与仓壁的壁摩擦角大;③外界因 素导致粉体内聚;④卸料口径太小 。

    粉体结拱解决措施包括:①根据粉体的摩擦性与流动性,正确设计料仓的材质与几何结构;②采用气动、振动和机械等外力 破拱方式 。

    3.2 设计整体流料仓

    粉体在料仓中的流动模式分为漏斗流和整体流两种 。漏斗流料仓的中间形成一锥形通道,周围滞留区颗粒密实且表现出很差的流动性,导致流料通道不稳定、出现料拱、后进先出等现象发生;而整体流料仓的全部粉体沿仓壁移动,均处于运动状态,避免了粉体的不稳定流动,形成了先进先出的流动,最大限度地减少了存储期间的结块、变质和偏析问题 。

     

    6 漏斗流

     

    7 整体流

    整体流料仓设计时,料斗必须足够陡峭,使粉体能够沿斗壁流动,而且开口也要足够大,以防止形成料拱;另外,任何卸料装置必须在全开的卸料口上均匀卸料,避免颗粒流动偏向于出料口的一侧 。

    根据粉体的流动性判据,粉体结拱的临界条件为FF=ff,据此可推导出料仓最小卸料口径B>f·H(θ)/ρ,其中f为结拱时临界开放屈服强度,H(θ)为料斗半顶角θ的函数,ρ为粉体容积密度 。因 此,在料仓设计时,可减小料斗的半顶角θ,但这样会增加料仓的高度;料仓壁尽量选用壁摩擦系数小的材料,如玻璃、聚四氟乙烯、不锈钢等,当料斗壁的表面足够光滑时,则可适当增大料斗的半顶角,从而降低整个料斗的高度 。

    粉体圈 作者 王京

     


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