阅读说明：本技术 一种主动式抑尘料斗 (Active dust suppression hopper ) 是由 袁建明 杨仲 尹锋 王磊 胡勇 王贡献 胡志辉 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种主动式抑尘料斗,包括至少一个料斗、至少一个导料组件,所述导料组件与所述料斗一一对应设置,每一所述导料组件包括固定轴、至少两个导料板,所述固定轴同轴内置于所述料斗,所述导料板呈螺旋形,所述导料板沿所述固定轴的轴向内置于所述料斗,且至少两个所述导料板沿所述固定轴的周向均匀分布,所述导料板的内缘连接于所述固定轴、外缘连接于所述料斗的内壁。本发明能有效抑制物料落入料斗过程中向外逸出粉尘。(the invention discloses an active dust suppression hopper which comprises at least one hopper and at least one material guide assembly, wherein the material guide assemblies and the hopper are arranged in a one-to-one correspondence mode, each material guide assembly comprises a fixed shaft and at least two material guide plates, the fixed shaft is coaxially arranged in the hopper, the material guide plates are spiral, the material guide plates are arranged in the hopper along the axial direction of the fixed shaft, the at least two material guide plates are uniformly distributed along the circumferential direction of the fixed shaft, the inner edges of the material guide plates are connected to the fixed shaft, and the outer edges of the material guide plates are connected to the inner wall of the hopper. The invention can effectively inhibit the dust from escaping outwards in the process that the material falls into the hopper.)

一种主动式抑尘料斗

技术领域

本发明涉及料斗抑尘技术领域，具体涉及一种主动式抑尘料斗。

背景技术

煤、矿石、粮食等散货物料在中转转运时，常常采用料斗作为媒介进行转运，然后通过皮带输送机、卡车等方式输送至目的地。

输送设备将散货物料送入料斗的过程中，散货物料从料斗上方落入料斗内，散货物料落入料斗的过程中易产生大量粉尘，造成粉尘污染，严重威胁工作人员的身体健康和作业安全。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种主动式抑尘料斗，解决现有技术中散货落入料斗的过程中会产生大量粉尘的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种主动式抑尘料斗，其特征在于，包括：

至少一个料斗；

至少一个导料组件，所述导料组件与所述料斗一一对应设置，每一所述导料组件包括固定轴、至少两个导料板，所述固定轴同轴内置于所述料斗，所述导料板呈螺旋形，所述导料板沿所述固定轴的轴向内置于所述料斗，且至少两个所述导料板沿所述固定轴的周向均匀分布，所述导料板的内缘连接于所述固定轴、外缘连接于所述料斗的内壁。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过在料斗内设置固定轴、呈螺旋状的导向板，物料落入料斗后，沿导向板的导向滑落至料斗的底部，能改变颗粒流的运动轨迹，增加转料过程颗粒与导料板以及颗粒与颗粒之间的持续摩擦，从而降低颗粒流的运动速度以及颗粒与料斗的碰撞力度，最终实现抑制粉尘的产生。

附图说明

图1是本发明的三维示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是沿图2中E—E线的剖视图；

图4是本发明实施例二所述的主动式抑尘料斗的结构示意图；

图5是本发明实施例四所述的主动式抑尘料斗的三维示意图；

图6是本发明实施例五所述的主动式抑尘料斗的结构示意图；

图7是本发明实施例六所述的主动式抑尘料斗的结构示意图；

图8是进料过程中颗粒运动速度变化的折线图；

图9是颗粒碰撞时的速度变化折线图；

图10是物料落入普通料斗时下落1秒后的流场速度云图；

图11是物料落入普通料斗时下落1.2秒后的流场速度云图；

图12是物料落入普通料斗时下落2.8秒后的流场速度云图；

图13是物料落入普通料斗时下落1秒后的流场速度流线图；

图14是物料落入普通料斗时下落1.2秒后的流场速度流线图；

图15是物料落入普通料斗时下落2.8秒后的流场速度流线图；

图16是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料与导流板、料斗的初步碰撞的流场速度流线图；

图17是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料与导流板、料斗的初步碰撞的流场速度云图；

图18是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料与导流板、料斗的初步碰撞的流场速度矢量图；

图19是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料滑落阶段的流场速度流线图；

图20是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料滑落阶段的流场速度云图；

图21是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料滑落阶段的流场速度矢量图；

图22是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料堆积阶段的流场速度流线图；

图23是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料堆积阶段的流场速度云图；

图24是物料落入本发明所述的主动式抑尘料斗时物料堆积阶段的流场速度矢量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明提供了一种主动式抑尘料斗，如图1至24所示，包括至少一个料斗1、至少一个导料组件2、至少一个阀门3，料斗1的内部空心且两端开口。

导料组件2与料斗1一一对应设置，每一导料组件2包括固定轴21、至少两个导料板22，固定轴21同轴内置于料斗1，导料板22呈螺旋形，导料板22沿固定轴21的轴向内置于料斗1，且至少两个导料板22沿固定轴21的周向均匀分布，导料板22的内缘连接于固定轴21、外缘连接于料斗1的内壁，每一导料组件2中导料板22的数量可以为两个、三个、四个、五个、六个等，优选的，每一导料组件2包括四个导料板22，四个导料板22沿固定轴21的周向均匀分布。

阀门3与料斗1一一对应设置，阀门3设置于料斗1的出料端。

具体工作流程如下：散货物料经抓斗输送至料斗1的上方，抓斗放开物料，物料落入料斗1内，且沿导料板22的导向螺旋滑入料斗1内，物料全部进入料斗1后，通过料斗1将物料输送至预定区域，然后打开阀门3，物料从料斗1的出料端到达指定地点。

本发明通过在料斗1内设置螺旋状的导料板22，能改变颗粒流的转料高度与运动轨迹，增加转料过程颗粒与导料板22以及颗粒与颗粒之间的持续摩擦，从而降低颗粒流的运动速度以及颗粒与料斗1的碰撞力度，最终实现抑制粉尘的产生。

实施例二：

如图4所示，实施例二与实施例一的相同之处不再描述，实施例二与实施例一的不同之处在于，料斗1的数量为多个，多个料斗1的轴线相互平行且相邻的料斗1之间相互连接。

优选的，料斗1的数量可以为三个、四个、五个、六个等，进一步优选的，料斗1的数量为四个，四个料斗1呈矩形分布，且四个料斗之间通过固定块相连接。

实施例三：

如图2所示，实施例三与实施例一的相同之处不再描述，实施例三与实施例一的不同之处在于，料斗1内形成有一第一空腔、一第二空腔，所述第一空腔呈圆柱形，所述第二空腔呈圆台形，所述第二空腔位于所述第一空腔的下方，且所述第二空腔的一端与所述第一空腔相连通，所述第二空腔沿远离所述第一空腔的方向内径不断减小；固定轴21、导料板22同轴内置于所述第一空腔。

进一步优选的，所述第一空腔的内壁的直径为3米、高度为3米，所述第二空腔的高度为1.2米，且所述第二空腔的内壁与水平面的夹角为50°，导料板22的螺距为5米。

导料板22的螺距与5米使得导料板22的倾斜角适当，避免了堵料的同时能增进颗粒流与导料板22之间的摩擦作用。

仿真测试如下：颗粒物料进入料斗1的过程中颗粒与气体相互影响，属于气固两相流动问题。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)能处理复杂几何模型的数值模拟，离散单元法(Discrete Element Method，DEM)能处理颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞问题，因此采用CFD-DEM耦合方法对主动式抑尘料斗进料过程进行仿真求解。

S1、颗粒相控制方程

在CFD-DEM中颗粒被视为离散相，由离散单元法将离散相分离为刚性元素的集合，依据牛顿第二定律，使各刚性元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续体的整体运动形态。其控制方程如下：

式中，m_i、I_i、v_i和ω_i分别表示颗粒i的质量、转动惯量、速度和角速度。k_i表示与颗粒发生接触的颗粒的数量，T_ij表示扭矩，f_p-g,i和f_contact,ij分别表示颗粒所受的气固相互作用力和接触力。

S2、气相控制方程

在CFD-DEM中气体被视作连续相，遵循Navier-Stokes方程，根据连续性方程和动量守恒方程进行求解。

连续性方程:

动量守恒方程：

式中ρ_g、p、u_g和τ_g分别表示气体的密度、压力、速度和粘度，g为重力加速度，F_g-p代表单位体积内颗粒-气体的相互作用力，ε_g指空隙率。

利用CFD-DEM耦合方法进行求解时，需要将转料过程划分为若干时间步长的集合。在某一时间步长内，首先采用SIMPLE等算法迭代求解给定时间步长内的Navier-Stokes方程，获得流场速度、压力等信息。然后求解气固两相作用力以及颗粒-颗粒之间的作用力，通过积分计算出一个时间步长后的颗粒位置和速度。再根据颗粒的位置信息对气体流场网格内的空隙率进行更新，计算网格内颗粒平均速度以及颗粒与流场的动量交换量，并更新颗粒对流场的反作用源项。最后，修正两相耦合的Navier-Stokes方程，得出新的气体流场，进入下一时间步长。

S3、仿真模型及其参数设置

Fluent和EDEM分别是目前常用的计算流体力学软件和离散元分析软件，本文将通过Fluent-EDEM耦合的方式来实现颗粒转料过程的数值模拟。本文以抓斗向主动式抑尘料斗中卸料过程为具体研究对象，对应的物理模型如图1至3所示。

以下实验使用带有导料组件的主动式抑尘料斗和不带导料组件的普通料斗进行对比，其它参数均一致，普通料斗的第一空腔的直径为3米、高度为3米，普通料斗的第二空腔的高度为1.2米，且普通料斗的第二空腔的内壁与水平面的夹角为50°，抓斗最低点与普通料斗开口平面的距离为1m。。

主动式抑尘料斗的第一空腔的内壁的直径为3米、高度为3米，主动式抑尘料斗的第二空腔的高度为1.2米，且主动式抑尘料斗的第二空腔的内壁与水平面的夹角为50°，每一主动式抑尘料斗包括四个导料板，导料板22的螺距为5米，抓斗最低点与主动式抑尘料斗开口平面的距离为1m。。

普通料斗和主动式抑尘料斗转料模型的计算域边界条件设置为：壁面(wall)设置为固定无滑移壁面；颗粒相选择球形煤炭颗粒为具体研究对象，EDEM中相关参数设置见表1。

表1 EDEM仿真参数设置

S4、结果分析

由于粉尘颗粒粒径与仿真模型尺寸相差甚大，难以直接通过仿真模拟普通料斗和主动式抑尘料斗转料粉尘的产生与扩散过程。转料过程粉尘的产生与颗粒运动速度、颗粒碰撞过程激烈程度等因素相关；粉尘粒径较小，受气流曳力作用明显，极易跟随气流扩散。因此，本文通过颗粒的运动以及流场分布两方面比较普通料斗与主动式抑尘料斗的粉尘产生与扩散情况来间接验证主动式抑尘料斗的抑尘机理及效果。

S5进料过程中的运动分析

在普通料斗中，颗粒离开抓斗后垂直下落，速度逐渐提高，随着下落距离的增加，物料流变得松散；与普通料斗底部发生碰撞后，颗粒速度迅速衰减。在主动式抑尘料斗中，颗粒离开抓斗后首先与导料板22发生碰撞，碰撞前后颗粒速度变化幅度较小，经过与导料板22碰撞后，颗粒流被分为多股紧密堆积的料流并以较低的速度在导料板22上沿着料斗1侧壁滑落，颗粒离开导料板22后顺着料斗1锥面滑落至料斗1底部。比较普通料斗和主动式抑尘料斗中颗粒的运动形态可知，主动式抑尘料斗中颗粒运动速度、颗粒流松散程度和碰撞过程颗粒速度变化均小于普通料斗。

为了更清晰的比较颗粒流在普通料斗和主动式抑尘料斗中的运动速度差异，在EDEM仿真结果中分别随机跟踪多个颗粒并获取其运动速度信息，如图8所示。图8中y坐标表示竖直方向上的位置，其中普通料斗和主动式抑尘料斗开口平面位置值为y＝0。从图8中可看出，当进入料斗内后(y>0)，普通料斗中颗粒速度明显大于主动式抑尘料斗中颗粒速度；随着下落高度增加，颗粒速度差明显增大，最大速度差值约为5.4m/s，降幅约55％。

为了更清晰的反映颗粒碰撞过程的速度变化情况，从EDEM中提取碰撞前后时间段内颗粒运动速度。颗粒在主动式抑尘料斗中下落时与料斗1主要发生了两次碰撞，即刚与导料板22接触时发生碰撞、从导料板22滑出后在料斗1底部发生碰撞，分别将这两个碰撞过程以A、B进行区分；而颗粒在普通料斗中运动时与料斗1主要碰撞只有一次。从普通料斗和主动式抑尘料斗转料模型中随机跟踪颗粒并获得碰撞过程速度变化情况，如图9所示，速度方向向下为正。

从图9可看出，在主动式抑尘料斗中，A和B两个碰撞阶段颗粒运动速度都有较明显的下降；其中，A碰撞阶段碰撞后速度降低了约2.5m/s，B碰撞阶段速度下降了约3.2m/s，碰撞后颗粒速度仍向下。在普通料斗中，颗粒碰撞过程速度变化甚大，碰撞前后颗粒速度由9.9m/s变为-1.5m/s，速度变化量达11.4m/s，碰撞后颗粒向上运动。由此可知，颗粒在主动式抑尘料斗转料过程与料斗1的碰撞激烈程度明显弱于普通料斗。

S6、进料过程中的空气流场分布分析

在Fluent后处理中获取普通料斗转料模型的某一对称面多个时间段的流场速度云图和速度流线图，如图10至15所示，其中速度流线图中黑色部分代表颗粒流。散货转料过程粉尘的产生主要发生在物料下落及堆积阶段。从图10至15中可看出，在物料下落阶段，颗粒流向下运动同时带动周围空气向下运动，形成诱导气流。当诱导气流运动至料斗底部时与堆积阶段产生的含尘气流相混合，受到空间约束作用，含尘气流从普通料斗四周折返向上运动，其中一部分气流从普通料斗四周逸出，另一部分则在普通料斗内形成涡流；当物料堆积完成后，在流场惯性作用下，普通料斗内部剩余的含尘气流逐渐地被携带至普通料斗外部空间。由此可知，普通料斗中转料过程所产生的绝大部分粉尘能从普通料斗中逸出。

根据主动式抑尘料斗中颗粒运动的特点，将转料过程划分为落料碰撞阶段、颗粒滑落阶段以及堆积阶段。如图16至18所示为落料碰撞阶段，诱导气流在物料流的带动作用下由上往下运动，由于受空间限制在导料板22处折返向上流出，并在料斗1上部形成了较大的涡流。物料流附近的诱导气流为主要含尘气流，根据气流速度流线图和矢量图得知，含尘气流主要从料斗1四周逸出。如图19至21为颗粒滑落阶段，随着物料流在导料板22上滑落，诱导气流在上下导料板22空间内形成了涡流，只有少量气流脱离涡流从料斗1开口平面逸出。结合速度云图与速度矢量图可知，在导料板22之间形成的半密闭空间内存在涡流，而且其向上运动气流的速度较小，携带粉尘能力较弱。气流在流动的过程中，粉尘颗粒容易在离心力的作用下脱离气流而落至物料流中或附着在壁面上。由此可知，滑落过程产生的粉尘主要盘旋在导料板22之间的半密闭空间内，较难向上逸出。如图22至24为堆积阶段，该过程中诱导气流主要活跃在料斗1内部，由颗粒滑落阶段产生的含尘涡流仍盘旋在导料板22之间的半密闭空间区域，同时在料斗1底部空间内形成了新的涡流。从速度云图中可看出，在两个涡流之间存在着一段速度接近于零的区域，这表明两个涡流几乎相互独立，在料斗1底部产生的含尘气流没有向上逸出。

S7、结论

运用CFD-DEM耦合方法并对普通料斗与主动式抑尘料斗进料过程进行了仿真模拟，得到如下结论：

(1)主动式抑尘料斗通过增设螺旋状的导料板22，进料过程中竖直向下运动的颗粒流被划分为四股紧密堆积螺旋向下运动的料流，减小了颗粒与周围空气接触的总面积；降低了颗粒流的运动速度，颗粒速度最大降幅约55％；此外，还减弱了颗粒与料斗1碰撞过程的激烈程度，普通料斗中颗粒碰撞过程速度变化量为11.4m/s，而主动式抑尘料斗中两次碰撞过程的速度变化量分别为2.5m/s和3.2m/s；主动式抑尘料斗通过改善颗粒的运动而抑制了粉尘的产生。

(2)普通料斗转料过程产生的粉尘均可逸出到普通料斗外，而主动式抑尘料斗通过导料板22构造了半密闭空间，使得含尘气流在料斗1中下部空间内形成了涡流，有效抑制了转料过程所产生的粉尘向外界扩散。

实施例四：

如图5所示,实施例四与实施例三的相同之处不再描述，实施例四与实施例三的不同之处在于，料斗1沿轴向向内开设形成有第一空腔、第二空腔，料斗1可以为各种形状，例如料斗1呈长方体、柱体,也可以是由多个零部件组成的装配体等。

实施例五：

如图6所示,实施例五与实施例三的相同之处不再描述，实施例四与实施例三的不同之处在于，料斗1包括依次同轴连接的第一筒体11、第二筒体12，第一筒体11呈圆柱形，第一筒体11围成的空腔为第一空腔，第二筒体12为回转体，且第二筒体12沿远离第一筒体11的方向直径不断减小，第二筒体12围成的腔体为第二腔体。

优选的，料斗1还包括第三筒体13，第三筒体13呈圆柱形，第三筒体13连接于第二筒体12远离第一筒体11的一端，第三筒体13与第二筒体12相连通，阀门3设置于第三筒体13，优选的，阀门3为自力式压力调节阀。

进一步优选的，第一筒体11、第二筒体12、第三筒体13一体成型。

实施例六：

如图7所示,实施例六与实施例三的相同之处不再描述，实施例六与实施例三的不同之处在于，料斗1的外周面向内开设有多个吸尘孔，多个所述吸尘孔沿料斗1的周向均匀分布，且每一所述吸尘孔与料斗1的内部均相连通。

优选的，所述吸尘孔贯穿所述第二空腔的内壁且与所述第二腔体相连通。

所述主动式抑尘料斗还包括除尘组件4，除尘组件4包括除尘器41、负压风机42，除尘器41的进气端与每一所述吸尘孔均相连通，负压风机42的进气端与除尘器41的出气端相连通。优选的,除尘器41为袋式除尘器或离心式除尘器。

优选的，除尘组件4还包括多个吸尘支管43、吸尘主管44，吸尘支管43与所述吸尘孔一一对应设置，吸尘支管43的进气端与所述吸尘孔相连通；吸尘主管44的一端与每一吸尘支管43的出气端均相连通，吸尘主管44的另一端与除尘器41的进气端相连通。

通过设置吸尘支管43、吸尘主管44、除尘器41、负压风机42能将料斗1内产生的部分粉尘向外抽出，进一步增加主动式抑尘料斗的抑尘效果。

当料斗1的数量一个时，将除尘器41、负压风机42设置于料斗1的外壁上。

当料斗1的数量为四个时，将除尘器41、负压风机42设置于四个料斗1之间，且将除尘器41、负压风机42设置于料斗1的外壁上。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。