什麼是架橋現象？
架橋現象，又稱為拱起（Arching）是指在料斗、儲料槽或任何散裝物料處理設備的排放口上方形成的穩定阻塞或拱形結構，從而阻止或嚴重限制物料的流動這種自我形成的拱狀結構通常是由容器壁上與物料間的外摩擦力以及物料自身的內聚力與內摩擦力共同作用形成的。一旦形成，這個拱可能非常堅固，足以支撐上方大量物料的重量。隨著時間的推移，新加入的物料可能會進一步壓實下方的阻塞物，使其更加堅固。
造成架橋現象的多重原因
架橋現象的發生是多種因素相互作用的結果，這些因素既包括物料自身的特性，也包括設備的設計和操作條件。
A. 物料特性：內聚力、水分含量、顆粒大小與形狀
物料的固有屬性是導致架橋的最主要原因之一。不同的物料具有不同的流動性，而以下幾個關鍵特性直接影響了物料是否容易形成橋狀結構。
- 內聚力和黏性：高水分含量的原料，例如玉米、豆粕或菜籽粕等，往往具有較高的黏性。水分會增加顆粒之間的表面張力，使得顆粒更容易相互附著，形成堅固的拱形結構，最終堵塞出口。物料的內聚強度和顆粒間的內摩擦力決定了拱的強度。此外，具有吸濕性的粉末以及容易軟化結塊的顆粒也更容易發生內聚性架橋。
- 顆粒尺寸與形狀：原料中顆粒尺寸大小差異明顯時，較小的顆粒容易填充在較大顆粒之間的空隙中，導致物料交錯堆疊，形成一個穩定的拱架，阻礙下料口的物料流動，甚至造成嚴重的堵塞。不規則形狀且表面粗糙的顆粒更容易相互鎖定，形成更堅固的橋。細小的粉末通常比粗顆粒更容易發生架橋。
- 堆積密度：堆積密度較低的物料（通常低於每立方英尺 15-18 磅）更容易結塊並黏附在設備上，從而影響其流動性。
- 靜電特性：當物料顆粒帶有電荷時，它們之間會相互吸引，增加內聚力，從而提高形成拱狀結構的風險。
B. 設備設計：料斗角度與出口設計的重要性
設備的設計對於物料的流動起著至關重要的作用。不合理的設計可能會加劇架橋現象的發生。
- 料斗角度（錐角）：當料斗的錐角過小時，物料受到的重力分力不足以克服其內聚力和與壁面的摩擦力，導致物料在出口處堆積，容易形成拱狀結構，使得物料無法正常流動。較陡峭的料斗壁可以減小摩擦力並促進物料的流動。最佳的料斗角度取決於所處理物料的具體特性。通常，如配方桶槽數分鐘暫存錐角大於60-70度能可以讓物料自然流動。
- 出口尺寸與形狀：如果排放口太小，則很容易被形成的橋堵塞。有時，將排放口設計得足夠大，或桶槽漏斗太長可以分成上下兩截加大出口減少內聚力，可以使形成的拱由於缺乏側壁支撐而自行崩塌。通常，把暫存桶設計成非幾何對稱，如矩形用2或3邊垂直，或圓形變單邊垂直橢圓，某些情況下，橢圓形開口可能比長方形開口更能有效地防止架橋。
- 壁面材質：散裝物料與料斗或儲料槽壁面之間的摩擦力也會影響架橋現象。通常，更光滑的壁面可以減少摩擦，例如使用不鏽鋼材質。避免使用波紋狀或螺旋鎖縫的壁面可以提供更順暢的內部表面，減少物料流動的阻礙。大型粉料桶內壁如果有Fusion 5500 FBE表面處裡可以減少物料黏著現象，更可減少腐蝕與摩擦力。
C. 操作因素：靜置下的壓實現象
操作過程中的某些因素也會促使架橋現象的發生。
- 壓力與結塊：原料在長時間堆積下，由於自身重量產生壓實作用，物料間的摩擦係數增加，容易凝結成團狀而形成穩固的拱架。物料內部的沉降和固結程度是導致架橋的一個重要因素。
- 間歇性使用：長時間處於靜止狀態而沒有排空的料斗更容易發生架橋現象。
因此，盡量縮短物料的靜置時間，並確保定期地進行物料的周轉，有助於降低因壓實而導致的架橋風險。大型粉料桶存放豆粉和DDGS時，要有翻倉系統於物料無法數小時內經常性供料時，能夠強迫出料移動物料。
D. 環境影響：溫度與濕度變化
儲存環境的條件變化也會對物料的流動性產生影響。
- 水分轉移與凝結：當儲存環境的溫濕度變化較大時，原料內部的水分可能會發生轉移，導致在較冷的區域凝結，使得物料結塊，從而加劇架橋現象的發生。
- 溫度對物料特性的影響：溫度變化還可能直接影響料斗壁的應力以及物料自身的流動特性，導致物料的膨脹或收縮。
因此，控制儲存設施內的環境條件，例如保持穩定的溫度和濕度，對於維持物料的流動性至關重要。
架橋現象可能造成的負面影響
架橋現象不僅僅是一個生產上的不便，它還會帶來一系列嚴重的負面影響，影響生產效率、運營成本和安全性。
- 降低生產效率：架橋會中斷物料的連續流動，導致給料不均勻，甚至完全停止生產線的運作。
- 增加維護成本與停機時間：清除橋狀結構通常需要人工干預，這會增加勞動力成本，並導致寶貴的生產時間損失，在勞力短缺的地方更顯得抓襟見肘。
- 設備損壞：在嚴重的情況下，架橋產生的額外壓力可能會對設備造成過度的應力，導致機械故障或料斗和儲料槽的損壞。操作人員有時會使用錘子敲擊容器，長期下來可能會對設備造成損壞
- 儲存容量損失：架橋現象可能導致「漏斗效應」，使得料斗或儲料槽無法充分利用其全部儲存容量。
- 物料變質與污染：被橋狀結構困住的靜止物料可能會變質或受到污染，導致浪費和產品批次的損壞。
- 安全隱患：人工清除橋狀結構可能非常危險，工人可能面臨跌落、扭傷以及接觸潛在危險物質或氣體的風險。當阻塞被清除時，上方物料突然墜落的風險也很大。
解決架橋現象的系統化方法與預防措施
為了有效地解決和預防架橋現象，需要採取多方面的系統化方法，涵蓋設備設計、操作流程和技術應用等方面。
A. 優化料斗與儲料槽設計以提升物料流動性
- 更陡峭的料斗角度：在設計新的料斗或改造現有設備時，應採用更陡峭的錐角（理想情況下大於 60 度），以利用重力促進物料的流動
- 光滑的內壁：使用如不鏽鋼等光滑的壁面材料可以減少物料與壁面之間的摩擦。應避免使用內部有粗糙接縫或結構的材料。
- 適當的出口尺寸：根據所處理物料的特性，確保排放口的尺寸足夠大，以防止拱狀結構的形成。
- 整體流動設計：採用整體流動設計，確保所有物料都能夠均勻地移動，避免形成滯留區域。這種設計可以確保物料在容器內有可預測的停留時間，並減少分離現象。
- 活底式料倉活化器：在料斗底部使用機械裝置來促進物料的流動。
B. 利用振動與衝擊裝置破壞橋狀結構
- 電動與氣動振動器：在料斗或儲料槽的壁面上安裝振動器，通過傳遞能量來打破形成的拱狀結構。間歇性的振動可能尤其有效。可攜式振動器可以靈活地應用於多個料斗。
- 空氣炮（氣動爆破器）：使用短暫的高壓氣體衝擊料斗或管道內壁，以震散形成的橋狀結構。
- 氣動錘：使用安裝在料斗外部的氣動錘提供衝擊力，以鬆動卡住的物料。
- 防架橋振動器：專門設計的振動器可以連接到螺旋輸送機，在排空料倉時振動料倉，以減少架橋現象。
C. 助流劑與乾燥處理在預防內聚力方面的作用
- 流動性添加劑（抗結塊劑）：在散裝物料中加入助流劑，以降低顆粒之間的內聚力，改善物料的流動性。
- 乾燥系統：在儲存前對原材料進行乾燥處理（例如，使用熱空氣或壓縮空氣），以降低其水分含量。
- 流化系統：使用空氣使輕質粉末呈現流動狀態，使其更容易流動。流化板可以促進粉末的均勻流動。
D. 管理顆粒尺寸分佈以實現穩定流動
- 篩選與均質化處理：使用篩網或其他方法確保物料的顆粒尺寸分佈更加均勻，從而降低顆粒相互鎖定的可能性。
E. 聲波清堵器的應用
- 聲波技術：將聲波傳輸到物料中，引起顆粒共振並從料倉壁上脫落，從而防止架橋。
- 非侵入式解決方案：聲波清堵器不需要排空料倉，且不會對設備造成損壞。
- 預防性措施：它可以持續地鬆動壓實的物料，防止積聚。
解決架橋現象：高可靠度的美國LAIDIG Meal Unloader掃倉設備
依照物料的特性、儲存桶尺寸、出倉頻率、靜置時間、出倉量等參數規劃所需的設備，集合架橋破壞、掃倉、出倉於一機，並達到穩定出料、先進先出、無分離現象的目的。
LAIDIG的系統以卓越的性能和無與倫比的可靠性著稱。在客製化工程設計中以客戶為先的理念而享譽全球。自1961年公司創立以來，始終致力於解決無數行業中前所未有的物料處理問題，包括食品加工、飼料、紙漿與造紙、木質顆粒、生物質能、電力、生物燃料、乙醇、採礦與礦物、水泥等領域。
LAIDIG 專門設計客製化的螺旋式底部回收系統，能夠在滿載物料的情況下啟動並運行。螺旋桿圍繞自身軸線旋轉，將物料推向筒倉地板的中心。同時，螺旋桿緩慢向前推進，掃過整個筒倉地板。當物料被螺旋輸送至筒倉地板中心時，會通過地板下的中心輸送槽流入出料螺旋輸送器或輸送帶，完成物料向筒倉外的輸送，進入下一步物料處理流程。
LAIDIG的設備能有效減少並消除筒倉內的拱橋與通道效應，有助於實現質量流動，降低產品受害風險，並保持先進先出 (FIFO) 的物料分配模式，從而確保物料質量與設施運行的連續性。
圖片來源：LAIDIG Systems, Inc.
技術聚焦：Vibrafloor 在農產品加工與飼料廠中預防架橋的應用
Vibrafloor 提供了一種創新的模組化振動卸料系統，專為徹底排空料倉、料斗和其他儲存結構中的散裝物料而設計。該系統利用低功率振動馬達在柔性表面板上產生波浪。這種波浪作用會削弱並崩塌具有內聚性和自由流動性的散裝物料的前緣。
Vibrafloor 系統適用於各種農產品和飼料原料，包括豆粕、DDGS（乾酒糟及其可溶物）、菜籽粕、飼料顆粒、原糖、麵粉和穀物等。該技術具有以下顯著優勢：
- 能有效回收具有內聚性和自由流動性的散裝物料
- 無需人工介入即可實現料倉99% 的清空。
- 防止產品降解，其溫和的作用可保護產品的完整性。
- 能耗非常低。
- 不會對料倉結構產生破壞性振動或應力傳遞。
- 由於運動部件少，磨損極小，除了目視檢查外，無需定期維護。
- 既可安裝在新料倉中，也可改造現有的平底料倉。
- 操作自動化，由可程式邏輯控制器 (PLC) 管理。
- 通過消除人工進入料倉的需求，提高了安全性。
在飼料廠的應用中，Vibrafloor 特別適合處理如豆粕和 DDGS 等具有內聚性的原料，而不會發生架橋或產品降解。它還能為可控的給料系統提供穩定、無波動的物料流。多個飼料廠的案例研究和應用證明了其有效性。
圖片來源：Vibrafloor
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