电加热滚筒干燥机的结构设计与运动学分析

  随着社会的发展，自然资源短缺的问题日渐突出，这在一定程度上限制了经济社会

  的进一步发展。在林业及木材生产相关产业中也存在着这一问题，产生该问题的一 个重要原因是木材的利用水平和利用效率低，在生产加工中存在着严重的资源浪费 [1]。比如林间采伐会产生大量采伐剩余物，城市绿化中产生大量修剪枝丫，这些 通常会被弃之不用，造成浪费。为了将这些木材资源利用起来，笔者研究了相应的 加工技术，将采伐剩余物加工成木丝、木屑然后加以利用。

  在利用间伐材木丝、木屑前，常常要对生产加工出的木丝、木屑进行干燥。滚筒 干燥机具有运转可靠、干燥效果好、结构相对比较简单、易于维护等特点，因此被大范围的应用 在建筑、农业、轻工等行业。目前市场上销售的滚筒式干燥机主要是采用热蒸汽或烟 道气作为物料的干燥热源，因此就需要额外的蒸汽或烟道气发生装置，使得设备的整 体体积大，费用高。现有的干燥设备并不适用于进行木丝、木屑的干燥加工，为此 特地设计了一种电加热式滚筒干燥机。采用电加热作为干燥的热源，减少了需要的 配套设备，并具有占地面积小、结构相对比较简单、加工效率高、自动化程度高、使用起来更便捷 等特点。

  电加热式滚筒干燥机的工作原理 电加热式滚筒干燥机的基本工作原理为物料由进料机构从进料斗上部的进料口送入， 然后在重力作用下自然落下，风机与进料斗下部的进气管相连，送入气流，下落的 物料在气流的吹动下进入滚筒中。倾斜的滚筒中部内装有一根翅片发热管，内装有 多根（具体数量由工况决定）单头电热棒充当加热源。滚筒缓慢转动，筒体内壁焊 接的螺旋抄板将滚筒底部的物料提升，升到一定高度的物料在重力的作用下落下， 在滚筒中散开，散开的物料充分与被加热的空气接触，其中的水分受热蒸发。在气 流的作用下，下落的物料从螺旋抄板和翅片发热管中间的间隙里从滚筒底部向上运 动，最终下落到出料斗中，从出料斗底部的出口排出。干燥过程中产生的水蒸气从 出料斗上部的排气口排出。

  电加热式滚筒干燥机的机构 电加热式滚筒干燥机的主要干燥对象为细小木丝、木屑，这些细小颗粒通常堆积在 一起，内部的水分难以蒸发，这就给干燥带来了困难。所以，为了能更好地干燥木 丝、木屑，所采用的干燥机要能够将干燥对象在三维空间上充分分散开来，使得细 小颗粒间存在间隙，这样细小颗粒就能够与被加热的气流充分接触进行热量的交换， 把木丝、木屑中的水分蒸发出来并带走。为实现这样的目的，将干燥机设计为滚 筒式，将木丝、木屑送入到转动滚筒中，滚筒在转动的过程中将其分散开来，达到 干燥要求。

  筒、翅片发热管、发热管支座、滚动齿圈、进料斗、出料斗、出料斗支座、电机减 速器、整体机架、螺旋抄板、环形保持架、电机安装座等部分所组成。环形保持架、

  发热管支座、出料斗支座固定在机架上，电机减速器安装在电机安装座上然后固定

  在机架上，滚动齿圈固定在滚筒的中间，进料斗和出料斗套在滚筒的两端，滚筒整 体固定在环形保持架中间，翅片发热管穿过滚筒固定在发热管支座上。最终整机达 到结构紧密相连、布局合理、使用可靠的要求。

  根据物料的特性和干燥机的工作需要，初步拟定滚筒干燥机的主要参数，滚筒长3

  滚筒是滚筒式干燥机最为关键的部件，对干燥的效果有着决定性的作用。为改善干 燥的效果，采用新的干燥原理。物料从滚筒较低的一端进入滚筒，滚筒转动的同时 内部焊接的抄板将物料从滚筒的底部向上提升，被提升的物料在到达一定的高度后 从抄板上滑落，这样物料就在滚筒的中间较为均匀的散开来。

  为了实现上述原理，对滚筒干燥机进行具体设计。滚筒的转动通过齿轮齿圈的啮合 实现，滚筒的滚动支撑采用滚圈和滚轮的滚动接触实现，物料的提升通过滚筒内壁 焊接的螺旋抄板实现。因为滚筒的径向截面为圆形，为了支撑滚筒，所以将支座设 计为环形保持架，分为上下两个半环形，二者通过螺栓连接，可以拼接成一个完整 的环形，在支撑滚筒重量的同时固定住滚筒，使其不发生径向的跳动，保证干燥过 程中滚筒转动工作的稳定。

  滚筒干燥的性能主要受到筒体的长度、直径、倾斜角度、转速等因素的影响。滚筒 的倾角、转速、螺旋抄板的螺旋升角、形状和结构决定了物料撒落是否均匀；滚筒 的倾斜度、旋转速度、长度、直径以及风机的转速决定了物料在滚筒中的滞留时间。 物料在滚筒内的运动十分复杂，其在滚筒中的干燥过程可大致分为4个阶段：第一 阶段是在抄板的作用下，滚筒的转动提升物料颗粒，此时物料相对抄板可视为静止， 作匀速圆周运动；第二阶段是物料随滚筒转动的同时，开始与抄板发生相对的滑动， 作复合运动；第三阶段是物料被提升到一定的高度后，在抄板和重力的作用下作抛 射运动，分散的物料与热空气充分接触；第四阶段是落下物料与筒壁接触，既相对 筒壁滑动，也和筒体共同转动，只有物料表面能接触到热空气，然后循环到第一阶 段。干燥过程主要发生在上述的第三阶段。

  物料运动分析 电加热式滚筒干燥机的结构已设计完成，故滚筒的长度、直径、倾斜角度已为定值， 为得到更好的干燥效果，只能调节其他参数。由上一小节可知，滚筒干燥机的主要 干燥效果取决于干燥过程的第三阶段。为了取得良好的干燥效果，应该使物料在抛 射运动中尽可能分散，而滚筒的转速对物料在抛射运动中的分散效果影响很大，滚 筒的转速越大，物料产生的惯性离心力也就越大。当滚筒的转速过大时，物料的惯 性离心力便过大，大于物料的平均自重力时，物料就会被“吸附”在滚筒内壁上和 其一起做圆周运动，如图2a。当滚筒的转速过小时，物料在被抄板带起到一定的 高度时就会滑落，并不会被抛射出去，如图2b。因此，滚筒的转速应该在一个合 理的范围内，使得物料恰好可以被抛射出，并在筒体内部分散开来，此理想状态如 图2c。

  1） 当滚筒在一定转速下正常运作时，物料在滚筒内，按其所在层进行圆周运动， 到达最高点时，由外到内逐层散落［2］。

  2） 物料上升到回转中心平面下45°角内时，物料的径向运动已很少，可忽略其影 响［2］。

  O点的距离为r，并通过O点作平面坐标系。在此层上有一物料受力的作用，随 滚筒以O为圆心，r为半径的圆弧作向上运动，如图3所示。当物料上升至X轴 时，切向速度大于0,这就是物料可以被抛射的最小速度条件。当物料上升至Y轴 时，切向速度减小为0 ，这是物料不随滚筒作圆周运动的最大转速条件。

  由上一小节的公式（8）可知，要解出转速n，必须确定初始减速位置角U。为了 使设备达到抛射的最小条件，只要对公式（8）求导数，并取，即可求得最佳初始 减速位置角。

  经实验测得待干燥的木丝、木屑的摩擦系数约为3。将木丝、木屑摩擦系数tan 0 = 3代入公式（9）得：

  将滚筒的直径r=0.3 m代入公式得到临界最低转速为33.78 r/min。

  3.3.2 滚筒最大转速的计算 当物料恰好可以随滚筒转动到最高位置时，物料的重力等于物料作圆周运动的向心 力，即得公式：

  n2就是焦炭粉能够被抛射，而不随滚筒作圆周运动的临界最高转速。根据设计的 滚筒直径为600 mm ，所以代入公式(13)得，临界最高转速为54.8 r/min。

  为了满足剩余间伐材加工成木丝、木屑的干燥需要，根据干燥物料的特点，采 用新的干燥原理设计了一种新型的电加热式滚筒干燥机，介绍了滚筒干燥机的新型 干燥原理，然后对干燥机的结构可以进行了设计，使得整个干燥机的每个部分结构更 合理。

  对设计的滚筒干燥机进行了运动分析，建立了干燥过程中木丝、木屑在滚筒中 的运动模型，通过对其受力分析的理论计算得出了滚筒合理的转速应该在33.78- 54.8 r/min的范围内。进而为滚筒干燥机的试验与应用提供参考。

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