料仓压力的理论分析和实验研究

　　0 引 言

　　散状物料的存储在工业生产中是非常重要的环节。料仓不仅常常被用来储存原材料、半成品，而且经常作为生产过程中的缓冲环节，减缓原材料在流动过程中波动。由于散状物料物理性能的特殊性，在装载、卸载过程中经常会出现跑仓、堵仓和仓体开裂等事故。国内外学者都投入很大精力致力于这方面研究，仓体卸载时的力学特性是当今研究的重点[2,6]。讨论了仓体静压力计算方法，并通过模型实验测量了静压力分布规律，重点讨论侧压力系数问题，为从事仓储设计提供参考。

　　1 模型建立

　　1.1 力学简化模型的建立

　　对于平底、垂直部分较深的圆筒仓，设仓体中储料高度为 H，在距物料顶端为 h 处，取厚度为 dh 的一片物料，考察其平衡。设微元的截面积为 A，周长为 C;微元上作用着上、下表面力和自身的重力[1]。设深度 h 处上表面的压力为 Pv，深度 h+dh 处表面压力为 Pv+dPv，Sw是由物料与壁面之间摩擦力所引起的切应力，Pw物料与壁面之间的正应力，薄片的重量为 Adhρbg，其中 ρb为物料的散体容重，假设其在整个深度内是常量。

　　1.2 解析公式的推导

　　将图1中诸力向垂直方向投影，得

　　设微元内水平应力和垂直应力之比Pw/Pv=K是常数，动摩擦系数μ=tanφw=Sw/Pw，φw是物料与仓壁间的摩擦角。简化式(1)，得垂直压力微分方程

　　将式(2)分离变量、积分，并代入边界条件h=0,Pv=0，得到物料作用于仓体垂直段垂直和水平静压应力表达式Pv和Pw

　　侧压力系数K是随物料深度而变化的[1]，一般采用的计算公式为[2]

　　其中，λ是物料的有效内摩擦角。

　　事实上，侧压力系数K不但随物料深度变化，在水平方向上也不是常数，中心区域小，外侧大，后面的实验将说明这一问题。

　　2 静压力实验

　　2.1 实验装置

　　实验料仓采用有机玻璃制作，垂直部分高600mm，直径500 mm，壁厚5 mm;漏斗部分高360 mm，锥角2=60°。传感器采用微型电阻应变式土压力计，外形尺寸Φ16×6 mm[5]。传感器外壳采用铝合金制造，输出采用圆型电缆，输出线性范围宽，是国内体积和量程最小的土压力传感器。测试仪器采用动态电阻应变仪和与之配套的动态应变数据采集分析系统[4]。

　　2.2 实验方法

　　实验材料选用细干砂，散体密度ρb=1.6 t/m3，内摩擦角φ=32°，壁面摩擦角φw=23°。

　　采用了微型传感器，电缆线较长，体积较小，可以在料仓中灵活布置。传感器布置方式如图2。