【摘要】在自然資源稀缺、生態(tài)環(huán)境不斷惡化的今天，生物質(zhì)燃料燃燒爐以其燃燒后無污染、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)逐步進(jìn)入了人們的視線。本文對燃燒爐中的振動給料器進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)選擇吸鐵與電磁鐵間距的最優(yōu)方案，并根據(jù)機(jī)械振動的諧振原理并通過ANSYS仿真分析對振動給料器的上支架及彈性板進(jìn)行優(yōu)化。
引言
傳統(tǒng)燃料爐送料裝置一般采用撥料輪，其工作原理是由一根軸帶動一組齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪的每個(gè)齒依次不斷地?fù)軇尤剂锨斑M(jìn)，為燃燒爐輸送燃料。這種方式主要的缺點(diǎn)是：在齒輪勻速旋轉(zhuǎn)過程中，齒上任意一點(diǎn)在某個(gè)矢量方向上的速度是不斷變化的，齒輪的這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致送料速度不斷變化，送料不均勻，使燃燒效率降低。并且在撥料過程中，齒輪容易被燃料卡住，導(dǎo)致堵塞無法繼續(xù)送料。
振動給料器送料系統(tǒng)相比傳統(tǒng)送料裝置相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：送料更加均勻；能夠更加精確的控制送料速度；可以滿足不同送料量和送料速度的需要，并且大幅提高燃燒效率。
1.振動給料器結(jié)構(gòu)及工作原理
如圖1所示，振動給料器由料斗1、上支架2、彈性板3、吸鐵4、電磁鐵5、底座6組成。電磁鐵5固定在振動給料器的底座6上，吸鐵4固定在其上支架2上面，吸鐵4和電磁鐵5左右相對且有一定間隙，上支架2與底座6由彈性板3兩端連接，料斗1固定在上支架2上面。如圖2、3所示，振動給料器工作時(shí)，燃料由料斗1的A口放入，電磁鐵5以一個(gè)恒定頻率通斷電，使電磁鐵5產(chǎn)生水平方向間斷性磁力。當(dāng)電磁鐵5產(chǎn)生水平方向的磁力時(shí)，底座6和電磁鐵5固定不動，固定在上支架2上的吸鐵4與電磁鐵5間隙變小但不接觸，從而使上支架2發(fā)生水平位移，從而使上支架2帶動料斗1發(fā)生水平位移，并帶動彈性板3發(fā)生彈性形變；當(dāng)電磁鐵5斷電時(shí)，磁力消失，彈性板3彈性復(fù)位并帶動上支架2回到原位，上支架2帶動料斗1回復(fù)原位。所以，通過不斷的通電放電，與上支架2固定的料斗1就產(chǎn)生一定頻率和振幅的振動，料斗1里的燃料就會以均勻的速度不斷從出B口進(jìn)入到燃燒器當(dāng)中進(jìn)行燃燒。
2.振動給料器優(yōu)化
振動給料器性能主要體現(xiàn)在一定功率下的送料量及送料穩(wěn)定性兩方面，能夠影響這兩方面性能的因素如下：調(diào)節(jié)吸鐵與電磁鐵的間距可以改變振動給料器振幅的大小，間距變大，則振幅變大，給料量增加，間距變小，則振幅變小，給料量減少；調(diào)節(jié)振動給料器關(guān)鍵部件的尺寸，使其自振頻率與電磁鐵的激振頻率臨近發(fā)生共振以增加送料量；調(diào)整振動給料器出口大小（出口長，出口寬）也會使送料量相應(yīng)改變；調(diào)整電流通斷及電磁鐵線圈，就可以控制振動給料器振動頻率，也將會影響送料量。因?yàn)檎駝咏o料器出口大小及振動頻率的變化與送料量成線性關(guān)系，沒有研究價(jià)值，所以本文主要通過研究吸鐵與電磁鐵的間距、自振與激振接近產(chǎn)生共振兩方面的研究對振動給料器進(jìn)行優(yōu)化。
2.1利用實(shí)驗(yàn)對振動給料器吸鐵與電磁鐵間距進(jìn)行優(yōu)化
本文采用六種方案來研究對比吸鐵與電磁鐵之間間距對振動給料器送料量的影響，六種方案見表1：
對上述六種不同吸鐵與電磁鐵間距的振動給料器進(jìn)行送料量測試，通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果如圖4所示
從圖4中可以看出，隨著吸鐵與電磁鐵間距在1.5mm到4mm范圍內(nèi)加大時(shí)，振動幅度相應(yīng)變大，從而使振動給料器的送料量增加，但是間距增大的同時(shí)，磁鐵之間的吸引力會逐漸減小，所以當(dāng)間距增大至4mm時(shí)，振動給料器的送料量增加很少，如果繼續(xù)增大間距，反而會導(dǎo)致振動給料器無法正常工作。
2.2利用諧振理論對振動給料器進(jìn)行優(yōu)化
對于電磁振動給料器，根據(jù)機(jī)械振動的諧振原理可知，當(dāng)振動給料器的自振頻率與電磁鐵的激振頻率臨近發(fā)生共振時(shí)，料斗振幅最大，送料效率最高。經(jīng)實(shí)踐證明，電磁鐵的激振頻率與給料器自振頻率之比在0.85~0.9范圍內(nèi)為最佳。當(dāng)?shù)陀诖朔秶禃r(shí)，振動給料器的振幅較小，輸送能力較低；當(dāng)高于此范圍值時(shí)，振動給料器容易出現(xiàn)大幅晃動，工作穩(wěn)定性差定、自身使用壽命降低。
通過調(diào)節(jié)振動給料器上支架高度、振動給料器彈性板的剛度或長度，都可以改變給料器的自振頻率，使其接近電磁鐵的激振頻率而發(fā)生共振，從而達(dá)到優(yōu)化目的。下面利用ANSYS軟件對不同上支架高度、不同彈性板長度的振動給料器進(jìn)行諧振分析。其中，振動給料器上支架高度及振動給料器彈性板長度的標(biāo)注示意圖，如圖5所示：
本振動給料器的電磁鐵激振頻率約為70HZ，分別對彈性板長度為90mm，上支架高度為30mm、70mm、100mm的振動給料器進(jìn)行諧振分析，得到給料器料斗處的頻響函數(shù)，如圖6所示：
由于本振動給料器的電磁鐵激振頻率約為70HZ，所以我們主要分析自振頻率在0~150HZ范圍內(nèi)振動給料器料斗的響應(yīng)。從圖2-8可知，上支架高度為30mm、70mm、100mm振動給料器的1階自振頻率分別為140HZ、80HZ、45HZ，共振時(shí)料斗處水平方向擺動分別為0.194mm、0.308mm、0.757mm。當(dāng)上支架高度為30mm時(shí)，電磁鐵的激振頻率與給料器自振頻率之比為0.5，無法發(fā)生共振，料斗振動幅度較低，輸送能力降低；當(dāng)上支架高度為100mm時(shí)，電磁鐵的激振頻率與給料器自振頻率之比為1.6，料斗振動幅度過大，影響送料的穩(wěn)定性；當(dāng)上支架高度為70mm時(shí)，電磁鐵的激振頻率與給料器自振頻率之比為0.875，給料器的自振頻率與電磁鐵的激振頻率臨近并發(fā)生共振，振動幅度較大且穩(wěn)定，輸送能力較強(qiáng)。因此，選擇上支架高度為70mm。
進(jìn)一步對上支架高度為70mm，彈性板長度分別為60mm、90mm、120mm的振動給料器進(jìn)行諧振分析，得到給料器料斗處的頻響函數(shù)，如圖7所示：
從圖7可知，彈性板長度為60mm、90mm、120mm振動給料器的1階自振頻率分別為100HZ、80HZ、50HZ，共振時(shí)料斗處水平方向擺動分別為0.137mm、0.308mm、0.535mm。與上述理論相似，最終選擇彈性板長度為90mm振動幅度較大且穩(wěn)定，輸送能力較強(qiáng)的振動給料器。
結(jié)束語
本文通過ANSYS仿真，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，對燃燒爐振動給料器的結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行多種方案的優(yōu)化，并最終選擇最優(yōu)的改進(jìn)方案，這使得燃燒爐在送料、燃燒方面得到全面改善。
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