楊存麗¹，汪亮²

（1.中國(guó)核電工程有限公司北京；2.博世力士樂(lè)（北京）液壓有限公司北京）

　　【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(wú)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(duì)燃燒爐中的振動(dòng)給料器進(jìn)行研究，通過(guò)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(dòng)的諧振原理并通過(guò)ANSYS仿真分析對(duì)振動(dòng)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(dòng)一組齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪的每個(gè)齒依次不斷地?fù)軇?dòng)燃料前進(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(guò)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(guò)程中，齒輪容易被燃料卡住，導(dǎo)致堵塞無(wú)法繼續(xù)送料。

　　振動(dòng)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(dòng)給料器結(jié)構(gòu)及工作原理

　　如圖1所示，振動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)料斗1發(fā)生水平位移，并帶動(dòng)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(dòng)上支架2回到原位，上支架2帶動(dòng)料斗1回復(fù)原位。所以，通過(guò)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(dòng)，料斗1里的燃料就會(huì)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(dòng)給料器優(yōu)化

　　振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)給料器出口大小（出口長(zhǎng)，出口寬）也會(huì)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(dòng)給料器振動(dòng)頻率，也將會(huì)影響送料量。因?yàn)檎駝?dòng)給料器出口大小及振動(dòng)頻率的變化與送料量成線性關(guān)系，沒(méi)有研究?jī)r(jià)值，所以本文主要通過(guò)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(duì)振動(dòng)給料器進(jìn)行優(yōu)化。

　　2.1利用實(shí)驗(yàn)對(duì)振動(dòng)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(lái)研究對(duì)比吸鐵與電磁鐵之間間距對(duì)振動(dòng)給料器送料量的影響，六種方案見(jiàn)表1：

　　對(duì)上述六種不同吸鐵與電磁鐵間距的振動(dòng)給料器進(jìn)行送料量測(cè)試，通過(guò)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(dòng)幅度相應(yīng)變大，從而使振動(dòng)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(huì)逐漸減小，所以當(dāng)間距增大至4mm時(shí)，振動(dòng)給料器的送料量增加很少，如果繼續(xù)增大間距，反而會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)給料器無(wú)法正常工作。

　　2.2利用諧振理論對(duì)振動(dòng)給料器進(jìn)行優(yōu)化

　　對(duì)于電磁振動(dòng)給料器，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)的諧振原理可知，當(dāng)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)給料器容易出現(xiàn)大幅晃動(dòng)，工作穩(wěn)定性差定、自身使用壽命降低。

　　通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)給料器上支架高度、振動(dòng)給料器彈性板的剛度或長(zhǎng)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(duì)不同上支架高度、不同彈性板長(zhǎng)度的振動(dòng)給料器進(jìn)行諧振分析。其中，振動(dòng)給料器上支架高度及振動(dòng)給料器彈性板長(zhǎng)度的標(biāo)注示意圖，如圖5所示：

　　本振動(dòng)給料器的電磁鐵激振頻率約為70HZ，分別對(duì)彈性板長(zhǎng)度為90mm，上支架高度為30mm、70mm、100mm的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)法發(fā)生共振，料斗振動(dòng)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(dòng)幅度過(guò)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(dòng)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(duì)上支架高度為70mm，彈性板長(zhǎng)度分別為60mm、90mm、120mm的振動(dòng)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(zhǎng)度為60mm、90mm、120mm振動(dòng)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(dòng)分別為0.137mm、0.308mm、0.535mm。與上述理論相似，最終選擇彈性板長(zhǎng)度為90mm振動(dòng)幅度較大且穩(wěn)定，輸送能力較強(qiáng)的振動(dòng)給料器。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)ANSYS仿真，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，對(duì)燃燒爐振動(dòng)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。