立筒倉的研究及虛擬設計

（江西省農業機械研究所，江西南昌330044）

立筒倉是用來存儲、輸送及處理各類散裝物料的基本設備，隨著社會的發展，大規模的生產業需要大規模的立筒倉，因此立筒倉的合理研究設計和應用對企業安全連續生產、改善勞動強度起著極為重要的作用。設計立筒倉應滿足存儲物料的容量、具有足夠的強度、卸料順暢等功能，而立筒倉形式可以分為波紋板拼裝式立筒倉和螺旋卷邊式立筒倉兩種[1-2]。根據客戶武漢溫氏提供容量及要求，本文研究的螺旋卷邊式立筒倉，主要是因為它結構簡單，可現場施工及施工周期短，施工工藝過程中采用螺旋提升式安裝等優點。

1 立筒倉的組成及工藝過程

立筒倉主要由倉頂、倉壁、倉底及支撐結構等組成，根據武漢溫氏的需求及結合江西省農業機械研究所實際設計情況對立筒倉進行分析并設計立筒倉的外形尺寸為?10 m×H17 m施工方案如圖1，施工過程中采用2、2.5、3 mm厚，寬495 mm的鍍鋅卷板經過成型機和卷邊機絞邊后組成立筒倉側壁并形成連續環繞（30～40 mm）的螺旋凸條，這些螺旋凸條在結構上起到加強立筒倉的強度，卷板的成型外形如圖2所示，設計這種形狀是因為在成型加工過程中可保證密封性和結構強度，并用6.3#、8#、10#、12#槽鋼按照一定順序進行側壁環向的加固和支撐，鍍鋅卷板與槽鋼之間的聯接是通過人工焊接完成。施工過程中我們采用先進的成型機和卷邊機相互組合對鍍鋅鋼板進行絞邊成型組成螺旋形立筒倉，成型機及卷邊機如圖3所示，而立筒倉的特點是物料從上部進入，下部卸料，加上螺旋卷邊式立筒倉的特性及裝載物料時承受壓力的情況來確定鍍鋅鋼板厚度及槽鋼的型號。

圖1 立筒倉施工方案

圖2 卷板成型截面尺寸

2 立筒倉的荷載分析

圖3 成型機和卷邊機施工過程

立筒倉所受的荷載主要有永久載荷和可變載荷，永久載荷包括立筒倉結構自重和固定設備重量，可變載荷有儲料荷載、風荷載及雪荷載等[1]，而設計過程中需要考慮作用于底部和筒倉側壁的壓力，加上一般單位及企業設計立筒倉受力分析一般是借助經驗，這樣會導致材料的浪費或立筒倉出現負面影響而破壞結構性能。當物料連續進入時，立筒倉的底部受到的力逐漸增大，而側壁受力由下向上成線性遞減，因此在設計時根據立筒倉受力情況選擇不同型號的卷邊鍍鋅鋼板和槽鋼進行組合，組成立筒倉的側壁，而立筒倉在物料加入時，物料加入的重力公式為（1），隨著物料的加入側壁受到的壓力越來越大，槽鋼和卷邊鍍鋅鋼板的受力可以看成是線性壓力，而卷邊鍍鋅鋼板厚度t與立筒倉直徑D相比（3∶10 000），槽鋼主要是加勁作用，因此立筒倉看成是薄壁結構，既立筒倉受到的內力有薄壁內力和彎曲內力，它們的受力如圖4所示，Pn表示承受的壓力，Pf為流動時產生的摩擦力，PG為物料的重力，其公式表示成（1）式所示。

圖4 立筒倉的受力分析

式中：PG——物料重力；

R——立筒倉半徑；

h——物料的高度。

重力是由物體自身受地球引力而產生的，而側壓力是物料在重力作用下相互擠壓所致，物料對立筒倉任一高度截面的作用力可分為垂直立筒倉倉壁的水平壓力、立筒倉倉壁表面上的豎向摩擦力及立筒倉倉頂的吊頂壓力，根據Janssen理論知它們在立筒倉深度h處靜壓時的水平壓力和豎向摩擦力的計算公式[6-9]如下：

式中：γ——物料的重力密度；

ρ——筒倉水平截面的水力半徑；

μ——物料對倉壁的摩擦系數；

μ——側壓力系數。

物料在卸載過程中除了考慮這幾種力之外還需要考慮卸料時的動載荷及季節性風速的影響。

3 立筒倉結構的虛擬設計

虛擬設計是科技發展產生的設計手段，是借助于電腦及設計軟件在電腦上完成，不用生產實際產品就可以把產品的性能及結構外形表現出來，可節省產品試驗的費用。把虛擬設計應用在立筒倉上，主要是把立筒倉的結構及力學性能表現出來，提高設計水平及產品質量。設計過程中要對立筒倉結構進行分析，根據立筒倉結構及組成，運用三維軟件對立筒倉主要零部件進行參數化建模，具體如圖5所示。

圖5 立筒倉部件設計及裝配安裝

把設計好的零部件模型通過裝配體，按照配合要求及約束條件組裝各部件將其按從上到下的順序裝配起來如圖5所示，在裝配體中還可以對設計的零部件進行干涉檢查，保證零部件之間無干擾和重疊現象以便在設計過程中可以對模型進行修改，直到設計效果達到最佳。

4 結論

本文是根據武漢溫氏客戶儲存物料的需求，在確保容積和物料流暢及安全的基礎上，結合工程規模選擇材料、確定結構模式及制造工藝，在同等條件下采用虛擬設計，使得立筒倉設計結構合理，減少開發產品周期和成本，整個過程連續有序，發揮立筒倉的最佳性能，同時也使得立筒倉向系列化、通用化方向發展，逐步成為糧食飼料工業中可直接選用定型配套設備。

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