筒倉內開式螺旋輸送設備中心回轉裝置的設計

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圓 柱形錐底筒倉為目前煤礦上常用的儲煤建筑，由于這種筒倉椎體結構的局限性，不僅使筒倉容積受到限制，而且底部椎體占用了很大一部分倉內容積。根據調研，國內最大的錐底筒倉容積為 4萬 m3，裝載率約為 70%。而平底筒倉是一種新型儲煤建筑，其容積可達 10 萬 m3以上，裝載率可達 95% 以上，所以相較錐底倉，它更適合大型煤炭存儲。但平底筒倉會面臨兩大問題：一是煤炭在倉底卸煤口結拱問題；二是不在卸煤口處的煤將無法被清空。這時就需要一套機械設備破除煤炭結拱，清空筒倉，因而筆者設計了開式螺旋輸送設備，而中心回轉裝置則是開式螺旋輸送設備的核心部件。

1 開式螺旋輸送機及中心回轉裝置結構

圖1 筒倉內開式螺旋輸送設備結構示意Fig.1 Structure sketch of open screw conveyor in silo

圖1 所示為開式螺旋輸送設備結構示意，它安裝在大型平底筒倉底部。筒倉保護檐下是設備的驅動部分，主要由自轉電動機和公轉電動機等構成；卸煤口的上方是設備的螺旋桿；筒倉的中心是設備的中心回轉裝置。當筒倉需要卸煤時，先開啟卸煤口下煤閘板，煤炭在自身重力下卸走一部分，當煤炭起拱或者需要清空筒倉時，開啟螺旋輸送設備驅動部分的自轉電動機，它帶動螺旋桿運轉，煤炭在螺旋推力作用下從螺旋處沿切線方向向筒倉中心運動，到達卸煤口處落下卸走。當然，螺旋桿不可能只在倉底的一條直線上工作，它需要照顧到筒倉內整個圓形地面，這就要求螺旋桿繞著筒倉中心做公轉運動。螺旋桿的公轉運動是通過驅動部分的公轉電動機來完成的，公轉電動機帶動螺旋桿繞筒倉中心作圓周運動，從而達到破除煤炭結拱、清空筒倉的目的。

中心回轉裝置是開式螺旋輸送設備的核心部件，由滑動軸承座、中心柱、中心柱套筒、軸承支撐板、回轉支承、傘形保護帽和支撐 H 型鋼等組成，如圖2 所示。開式螺旋輸送設備的螺旋桿與滑動軸承座連接，用于提供螺旋桿的自轉運動；公轉回轉支承的外圈與滑動軸承座連接，用于提供螺旋桿的公轉運動；回轉支承內圈與中心柱螺栓連接，中心柱與傘形保護帽焊接，傘形保護帽的作用是防止煤炭落入回轉區域；中心柱是由鋼板卷制而成的筒體，在中心柱某處開一檢修孔，人即可從中心柱底部鉆入中心柱內部，對軸承等部件進行注油檢修等操作；支撐 H 型鋼位于中心回轉裝置底部，用于承載中心回轉裝置及其上方煤炭的載荷。

圖2 中心回轉裝置結構示意Fig.2 Structure sketch of center swing device

2 中心回轉裝置的特點

中心回轉裝置除了能夠實現螺旋桿自轉與公轉功能以外，還具有以下特點：

(1)由于中心回轉裝置安裝在平底筒倉底部，當倉內物料為煤炭時，容易造成瓦斯氣堆積，形成“巨型煤氣罐”，遇到明火易燃燒甚至爆炸。而本結構中心柱與檢修孔的巧妙結合可解決上述問題。在中心柱底部，即落煤坑下部布置一氮氣充氣裝置，連接一氮氣管至檢修孔處，在筒倉內安裝瓦斯傳感器，當瓦斯濃度超標時充入氮氣來驅趕瓦斯，直至瓦斯氣達標。

(2)由于中心回轉裝置位于筒倉中心，儲煤倉四周幾乎完全封閉，而自轉支撐軸承與公轉回轉支承等部件需要定期注油、檢修等，且需人工進入進行操作。本中心回轉裝置中心柱是由鋼板卷制而成的筒體，可在筒體內部焊接爬梯，并在筒體一處開檢修孔，操作工可在中心柱底部進入到檢修孔，完成軸承注油等操作，保證螺旋桿長期穩定地進行自轉和公轉運動。

(3)中心回轉裝置各部件均采用螺栓連接，拆裝方便，操作簡單。若螺旋出煤裝置遇重大損壞或到更換周期需要更換時，先對筒倉進行清空處理，人進入筒倉內部，只需將滑動軸承座與軸承座支撐板連接螺栓拆除，即可將螺旋桿從筒倉拖出；若傘形保護帽或公轉回轉支承損壞，只需拆除相應連接螺栓即可。

3 中心回轉裝置主要部件的選型、設計和計算

3.1 傘形保護帽的設計

傘形保護帽是由鋼板卷制而成的圓錐體，主要作用是防止煤炭落入回轉區域內影響設備運轉，所以在設計時應保證離保護帽端部最近的回轉部件和保護帽端部的連線與水平方向夾角α大于煤炭的安息角φ，即α＞φ，由此可確定底面圓的直徑。另外圓錐體斜面與水平方向的夾角β也應該大于煤炭的安息角φ，即β＞φ，由此可確定圓錐體的高度。綜合以上數據即可得出圓錐體的下料尺寸。

因長期儲存煤炭，傘形保護帽的鋼板應具有耐腐蝕、高強度等特性，所以應選用高強度耐候板。

3.2 回轉支承的選型

回轉支承屬于座式安裝，主要受到來自滑動軸承座的壓力，方向垂直向下，因此只需計算出回轉支承對滑動軸承支反力Fb以及偏載距離s這 2 個數據，參照相關選型手冊即可選出回轉支承相應型號。

回轉支承對滑動軸承座的支反力Fb主要來自于螺旋桿壓力。因螺旋桿在筒倉底部處于垂直方向受力平衡狀態，可將螺旋桿看做一簡支梁，梁一端位于倉壁一側，設為A點，支反力為Fa；梁另一端在滑動軸承處，設為B點，支反力為Fb。梁在筒倉內受均布載荷P，載荷長度為b，螺旋桿受力示意如圖 3 所示。

根據平衡方程[1]可列出支撐軸承軸向支反力

圖3 螺旋桿受力示意Fig.3 Force sketch of auger

如圖 4 所示，偏載距離s是回轉支承的中心到回轉支撐受力點的距離，回轉支撐受力點為滑動軸承座軸向支反力Fb的受力點B點，假設回轉中心點為C，則BC間的距離就是偏載距離s。

圖4 偏載距離示意Fig.4 Sketch of eccentric load distance

設計s時可根據實際情況擬定：s數值越小，傘形保護帽體積越小，公轉回轉越穩定。所以，一般在不影響正常運轉情況下s數值越小越好。

3.3 支撐 H 型鋼的選型

因 H 型鋼不論是承受彎曲力矩、壓力負荷和偏心負荷都具有優越性能，較其他類型型鋼具有更高的承載能力，所以使用 H 型鋼作為支撐。H 型鋼在選型時主要看型鋼上垂直方向的載荷，H 型鋼上方的載荷主要包括兩部分：一是自轉支撐軸承在垂直方向上的載荷；二是來自于傘形保護帽上方煤炭的壓力。

傘形保護帽上的壓力來自于倉內煤炭的重力，計算載荷時可看作煤炭對傘形保護帽垂直投影面上的重力。理論上滿倉狀態下對傘形保護帽的壓力最大，設傘形保護帽底面直徑為d，滿倉時垂直方向壓力

式中：σ y為傘形保護帽垂直方向單位面積上的靜壓力，N；Ay為傘形保護帽垂直方向投影面積，m2；g為重力加速度，kg/m3。

根據《鋼筋混凝土筒倉設計規范》煤炭對倉底煤閘門的靜壓力公式，可得出傘形保護帽垂直方向單位面積上的靜壓力[2]

其中

式中：R為傘形保護帽的水力半徑，m；C為傘形保護帽底面圓周長，C=πd；ρ為煤炭的密度，kg/m3；K為壓力系數；f為安息角系數，f=tanφ；φ為煤炭安息角，(°)。

綜合以上數據可以得出滿倉時傘形保護帽垂直方向壓力

通過Fb與F求出 H 型鋼在垂直方向上的合力，可為 H 型鋼選型提供參考。

4 結語

該開式螺旋輸送設備以及其核心部件中心回轉裝置，可用于大型平底筒倉底部，實現倉內煤炭輸出及清倉破拱等作用，此裝置現已申請并獲得相關專利。大型平底筒倉及開式螺旋輸送設備的運用，將會在煤炭儲運環節中實現節能減排，綠色環保，而且大大提高煤炭的物流質量，具有推廣應用價值。