履帶式螺旋清倉機的研發

◎辛爍軍，張 成，楊文生，張卓青，隨 賽

（1.中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053；

2.中央儲備糧鎮江直屬庫，江蘇 鎮江 212000）

履帶式螺旋清倉機的研發

◎辛爍軍1，張 成2，楊文生2，張卓青1，隨 賽1

（1.中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053；

2.中央儲備糧鎮江直屬庫，江蘇 鎮江 212000）

在分析我國淺圓倉現有清出倉技術裝備的基礎上，結合我國淺圓倉現有清出倉方式研發了淺圓倉的新型配套清倉裝備—履帶式螺旋清倉機。該設備采用履帶式行走驅動裝置，可有效解決驅動裝置在薄糧層上行走出現打滑的問題，減少行走裝置對糧食的破損。同時采用PLC變頻控制系統，可實現履帶式螺旋清倉機的自動化、無人化作業。經數次試驗表明，該設備能有效完成淺圓倉余糧的清出倉作業，大幅提高糧食的清倉效率，清出倉作業產能可達300 t/h，具有良好的產業化應用前景。

淺圓倉；履帶式；清倉機；效率；產業化

1　淺圓倉清出倉現狀

淺圓倉占地少，投資低，機械化程度較高，是我國各類糧食儲備庫及糧油碼頭的主要倉型，已成為我國糧食流通中的關鍵節點。然淺圓倉自流出倉后余糧量大，如何提高淺圓倉余糧清理效率已成為影響我國糧食流通效率的一個關鍵問題。目前，我國糧食儲運行業淺圓倉的主要出倉方式有人工操作鏟車、移動式螺旋清倉機和固定式螺旋清倉機等。

1.1人工操作鏟車

鏟車清倉是目前國內淺圓倉清倉普遍采用的一種清倉作業方式，主要是依靠人工操作鏟車進行淺圓倉余糧的清倉作業，如圖1所示。鏟車清倉具有單臺設備可多倉機動應用，適應性強，作業靈活等優點。然此種作業方式機械化程度較低，不能實現清倉過程的自動化，效率不高。此外鏟車清倉時，工人需在倉內操作鏟車，倉內粉塵彌漫，工人工作環境惡劣；動力采用柴油動力，環境污染嚴重，且易污染糧食；鏟車鏟斗容易損壞倉內空氣分配器及倉內地面，作業有死角，特別是靠近倉壁的余糧。此清倉作業方式人工成本較高，作業方式落后，工人工作環境差已不符合現代糧食物流發展的需要，亦不符合“以人為本”的現代生產工作理念，同時也存在一定安全隱患，正逐漸被淘汰。

圖1　鏟車清倉現場圖

1.2移動式螺旋清倉機

移動式螺旋清倉機的作業方式，優點：單臺設備可機動用于多倉，應用一般，一次投資成本低，設備利用率高，機械化程度較高；缺點：移動設備時對地面平整度要求高，設備需多次拼裝、拆裝，耗時長，需人工操作，產量相對較小，運行成本較高，屬半機械化出倉，效率不高。由于淺圓倉門前均有防水臺階，設備移動困難，目前這種作業方式應用較少。

1.3固定式螺旋清倉機

固定式螺旋清倉機的作業方式，優點：產量大，運行成本低，基本實現淺圓倉的機械化、自動化出倉；缺點：一倉配一臺設備，一次投資相對鏟車和移動式螺旋清倉機稍高。目前此種作業方式市場需求較大。

通過對淺圓倉現有清倉作業方式的對比分析，固定式螺旋清倉機正逐漸成為淺圓倉清倉的主要作業方式。然而，市場上應用的固定式螺旋清倉機產品均存在一定技術問題，主要集中在：①行走驅動裝置通用性差；②對倉內地面適應性差；③余糧厚度大，且難清理；④需要行走輔助設施，有時需改造倉內土建結構；⑤安裝復雜，費時耗力；⑥成本相對較高；⑦大產量，適應大直徑倉的產品少；⑧控制系統簡單，不能完全實現出倉作業倉內無人化管理。

2　履帶式螺旋清倉機的研發

中糧工程科技（鄭州）有限公司立足于研發適應性強、通用性強、安裝簡單快捷、大產量的高效自動化清倉設備，研制淺圓倉出倉裝置—履帶式螺旋清倉機，以期實現淺圓倉散糧清出倉作業的機械化、自動化、高效化，優化和完善糧食物流供應鏈，提高糧食物流效率，降低糧食損耗，引領我國糧食儲藏物流技術裝備的快速發展，增強我國糧食物流現代化水平，提升糧食物流裝備行業的市場競爭力，保障國家糧食安全。

2.1履帶式螺旋清倉機的設計

履帶式螺旋清倉機主要應用于淺圓倉糧食自流出倉后余糧的機械化、自動化清倉作業，主要有中心轉動支撐機構、螺旋驅動裝置、螺旋清倉機構、履帶行走驅動裝置和智能自動控制系統等組成。其設計方案如圖2所示。

圖2　履帶式螺旋清倉機設計示意圖

2.1.1中心轉動支撐機構

中心轉動支撐機構主要由轉動機構與支撐座等部件組成，采用回轉軸承支承，承載力大，防傾覆力強，轉動靈活，運行平穩。安裝時，支撐座直接放置于淺圓倉中心出料口上，無須固定；轉動機構通過回轉軸承與支撐座螺栓聯接。現有淺圓倉（筒倉）中心出料口無須改造即可安裝使用。其整體結構如圖3所示。

圖3　中心轉動支撐機構三維模型示意圖

2.1.2螺旋清倉機構及螺旋驅動裝置

螺旋清倉機構采用桁架結構與“Z”字型螺旋機殼相結合的方式進行設計。桁架結構既滿足設備埋入糧食內部時，承受上方糧食壓力與糧食自流出倉時糧食自流的沖擊力，又可保證清倉過程中在履帶行走裝置驅動和糧食阻力綜合作用下的剛度。螺旋驅動裝置安裝于螺旋清倉機構上，采用粉塵防爆電機，通過減速器、同步傳送帶等方式驅動螺旋軸運轉，以達到螺旋輸送糧食的目的。螺旋驅動裝置與螺旋清倉機構一體化的設計如圖4所示。

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圖4　螺旋清倉機構與螺旋驅動裝置圖

2.1.3履帶行走驅動裝置

履帶式螺旋清倉機在清倉過程中既要克服前方糧堆的巨大阻力，又要克服行走裝置在薄糧層上行走抓地力不足、易打滑等問題。針對行走驅動裝置的工況難點，項目組采用履帶式行走驅動設計方案，如圖5所示。履帶式行走驅動方式的采用，將大幅增加行走驅動裝置與糧面的接觸面積，降低行走驅動裝置對底部糧食的壓力進而減少糧食的破損，同時接觸面的增大也增加了履帶與糧面的摩擦力，為清倉機的行走提供足夠的動力支持，可有效解決清倉設備在大直徑淺圓倉、大產量清倉中存在的行走打滑問題。

圖5　履帶行走驅動裝置圖

2.1.4 智能自動控制系統

智能自動控制系統采用PLC與變頻器相結合的方式，增加人機交互功能，具有自動與遙控兩種作業模式，可實現無縫切換。智能自動控制系統在低轉速時采用變頻器的矢量控制方式保證電機輸出轉矩，實現設備在重載狀態下的啟動；設備運行平穩后，通過自動模式實現淺圓倉余糧清倉的倉外自動控制、倉內自動清倉作業及倉內無人化管理。智能自動控制系統的組成如圖6所示。

圖6　智能自動控制系統原理圖

2.2履帶式螺旋清倉機的工作原理

履帶式螺旋清倉機清倉工作過程，如圖7所示。

圖7　履帶式螺旋清倉機工作原理示意圖

中心轉動支撐機構直接放置于淺圓倉中心出料口，相當于設備公轉的中心固定點。順次打開淺圓倉出料口，待倉內物料自流出倉結束后，即可進行清倉作業準備。開啟履帶式螺旋清倉機的智能自動控制系統，進行設備自檢。自檢無誤后，選擇自動模式，開啟螺旋驅動電機，螺旋清倉機構啟動，依靠螺旋的輸送作用，將物料輸送至淺圓倉中心出料口；待螺旋清倉機構前方物料減少至一定程度時，智能自動控制系統自動開啟履帶行走驅動裝置，推動螺旋清倉機構前進；待螺旋清倉機構前方物料充滿至一定程度時，智能自動控制系統自動停止履帶行走驅動裝置運行，螺旋清倉機構停止前進；整個過程，螺旋持續運轉將物料輸送至中心出料口，保證清倉作業連續性。智能自動控制系統反復啟、停履帶行走驅動裝置，直至螺旋清倉機構繞倉中心出料口公轉一周，完成整倉清倉作業。

3　履帶式螺旋清倉機的試驗研究

3.1樣機空車試驗

在加工基地和中儲糧鎮江直屬庫對樣機分別進行了廠內與倉內空車試驗，如圖8、9所示。樣機在加工基地空載累計運行150 h，單次連續運轉最長30 h，期間樣機螺旋葉片運轉平順、無卡阻等問題，行走機構正反轉運行平穩，控制系統反應靈敏、動作準確；倉內空車試驗期間，樣機空車累計運行8 h，公轉運轉2周，樣機運行平穩、可靠，各部件溫升正常，預定功能可全部實現，具備了生產性試驗條件。

圖8　樣機倉內空車試驗圖

圖9　樣機倉內空車試驗圖

3.2樣機生產性試驗研究

3.2.1樣機第一期生產性試驗

履帶式螺旋清倉機樣機在中儲糧鎮江直屬庫進行生產試驗。期間共進行3次清倉試驗，每次裝倉2 000 t大豆，以測試樣機負載啟動和清倉過程中的清倉產量、電流等參數，驗證控制系統反應靈敏度。

此外，為驗證樣機重載、負載啟動能力，第一次與第二次清倉試驗樣機均不在倉內正常工作停靠位置啟動。正常工作?？课恢茫簜}底出料口排布直徑方向。當設備在正常工作?？课恢脝訒r，糧食已完成自流出倉，螺旋機構已露出糧面，螺旋啟動阻力??；非正常工作?？课恢茫簜}內其余直徑方向。當設備在非正常工作?？课恢脝訒r，糧食雖已完成自流出倉，但螺旋機構仍在糧堆內部掩埋，螺旋葉片充滿糧食，螺旋啟動阻力大。通過第一次與第二次清倉試驗，樣機在重載工況（樣機的螺旋機構全部埋入糧食內部且糧堆高度大于1.5 m）下啟動，電機啟動電流過大，螺旋基本上不能轉動；樣機在負載工況（樣機的螺旋機構全部埋入糧食內部且糧堆高度小于1.5 m）下啟動，電機通過變頻器低速負載模式啟動，啟動電流基本正常，但啟動后工作電流超過額定電流25%，不利于螺旋驅動電機的運行。

第三次清倉試驗樣機停放于倉內正常工作停靠位置。糧食自流出倉完成后，通過變頻器低速負載模式啟動螺旋驅動電機，螺旋運轉正常，啟動電流正常；當螺旋葉片內部糧食減少至設定值時，通過控制系統，變頻器自動跳轉至高速正常負載模式，螺旋葉片轉動正常，螺旋驅動電機工作電流滿足額定電流要求。生產試驗過程如圖10、11、12所示。

圖10　樣機清倉試驗自流出倉后設備露出圖（中心出料口）

圖11　樣機清倉試驗過程圖

圖12　樣機清倉試驗效果圖

通過3次清倉試驗，樣機基本滿足設計要求，平均出倉產量在250 t/h以上，產量最大可達300 t/h；控制系統自動控制模式反應靈敏，動作準確，無須人工干預設備運行，但樣機存在行走機構易掉鏈、履帶行走裝置機架強度不足等問題。

3.2.2樣機第二期生產性試驗

針對樣機行走機構易掉鏈、履帶行走裝置機架強度不足等問題進行修改完善后，在中儲糧鎮江直屬庫對樣機進行第二期生產性試驗，此次試驗裝倉量為1萬t大豆（滿倉）。履帶式螺旋清倉機樣機在倉內正常工作?？课恢脝印＜Z食自流出倉完成后，通過變頻器低速負載模式啟動螺旋驅動電機，螺旋葉片運轉正常，驅動電機工作電流在額定電流范圍內，符合要求。樣機清倉試驗過程如圖13、14所示。

圖13　樣機滿倉試驗過程圖

圖14　樣機滿倉試驗清倉過程圖

履帶式螺旋清倉機樣機的清倉效果如圖15所示，樣機清倉效果明顯，余糧較少，大幅降低了工人的勞動強度，達到了預期要求。

圖15　樣機滿倉試驗清倉效果圖

整個生產試驗過程中，履帶式螺旋清倉機運行平穩，清倉作業連續性高，控制系統反應靈敏、動作準確，作業產能可達300 t/h，實現了淺圓倉余糧清倉作業的機械化、自動化、高效化。

4　小結

履帶式螺旋清倉機的成功研發，實現了淺圓倉散糧的高效快捷連續出倉作業，作業產能可達300 t/h；同時可實現設備的倉外控制，倉內高效、穩定、自動化及無人化清出倉作業。

設備研發中采用的先進設計理念及眾多創新性設計保證了成果與國內外類似產品相比明顯處于技術領先地位，其具有以下特點：①設備安裝簡單，倉內無需任何改造，無須其他配套輔助設施（如軌道、鋼板等），通用性強，適用于所有平底圓倉（適應倉直徑可達35 m）；②采用ADAMS、EDEM、ANSYS、Inventor等軟件對該研發設備進行三維仿真試驗模擬，并對其關鍵點進行受力計算分析，以優化其結構性能；③采用履帶式行走驅動裝置，確保行走驅動力及爬坡能力，且能適應倉內地面不平整情況，屬國內首創；④智能自動控制系統采用PLC與變頻器相結合的方式，增加人機交互功能，具有自動與遙控兩種作業模式，可實現無縫切換，實現了設備的負載啟動及履帶行走裝置的智能啟?？刂?，同時達到節能減排的目的。

履帶式螺旋清倉機服務對象明確，定位于糧食儲運行業，屬于提高糧食流通效率的關鍵設備，符合國家的政策方向，市場容量巨大，具有良好的產業化前景。該設備的研發應用可大幅提高物流節點清出倉效率，提高儲糧安全，可顯著帶動糧食物流主通道的順暢運行，并在糧食物流技術及裝備現代化、智能化、高效化、低碳化發展方面起到重要促進作用，有利于增強糧食物流供給能力，減少糧食損耗，帶動農業增產，保障國家糧食安全。

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Research and Development of the Crawler-type Sweeping Auger

Xin Shuojun1， Zhang Cheng2， Yang Wensheng2， Zhang Zhuoqing1， Sui Sai1
（1.COFCO Engineering & Technology （Zhengzhou） Co. Ltd， Zhengzhou 450053， China；
2.Zhenjiang Grain Storage， State Grain Reserves Corp， Zhenjiang 212000， China）

A new type of clearance equipment that the crawler-type sweeping auger of the squat silo was developed on the basis of the unloading technical equipment of our country combined with the existing sweeping & uploading methods for the squat silo. The crawler-type sweeping auger can effectively solve the problem of slipping on the thin grain layer and reduce the damage of the grain by using the crawler type walking device. Furthermore， using the PLC frequency control system can realize the automatic operation of the sweeping auger in the squat silo. Several tests on the product showed that it can effectively complete the uploading & sweeping operation of the surplus grain in the squat silo， and greatly improve the efficiency of the clearance with the unloading capacity up to 300 t/h. The crawler-type sweeping auger has a good prospect of the practical applications of industrialization.

Squat silo； Crawler-type； Sweeping auger； Efficiency； Industrialization

TD40

10.16736/j.cnki.cn41-1434/ts.2016.06.029

本文受到財政部2013年公益性行業科研專項基金資助（編號：201313010），項目名稱：“北糧南運”關鍵物流裝備研究開發。

辛爍軍（1980-），男，工程師；主要研究方向為糧食倉儲物流技術及裝備研發（主研筒倉進出倉及房式倉進出倉技術和裝備）。

張成（1973-），男，研究員級高工程師；主要研究方向為糧油儲藏及加工。