高效率螺旋喂料裝置的應用

王細平 宋建軍

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

散裝物料的輸送是現代物流中的重要一環，顆粒體物料的散裝化是未來的發展方向。我國海岸線長，河流縱橫，尤其在長三角、珠三角等經濟發達地區。散料水運運輸量大、成本低廉，綜合優勢明顯。

在國內散料市場上，螺旋取料器方面所采取的方式不是很完善，未發揮出其優勢，而這恰恰又是螺旋輸送機作為散料取料器的發展關鍵。

散料的取料比堆料難度大，當前我國港口散料堆料能力遠大于取料能力，隨著綠色制造業在全球的興起和人們環保意識的增強，如何提高散料取料能力，設計更加環保的取料系統迫在眉睫。

1 喂料裝置機理和主要結構

連續螺旋卸船機是以螺旋取料、利用垂直螺旋輸送機提升、再通過臂架皮帶或螺旋輸送機對物料進行輸送的系統。螺旋取料機采用強迫式喂料頭進行喂料，又稱相對旋轉式輸送機，喂料頭的旋轉方向與垂直螺旋輸送機螺旋主軸旋轉方向相反，一方面利用傾斜的螺旋翼板將物料強行送入垂直螺旋輸送機，另一方面又可阻止物料因垂直螺旋高速旋轉產生的離心力而被拋出來，從而保證了物料被以較高充填系數（一般為70%～90%）不斷地送入垂直螺旋輸送機而向上提升。

圖1 螺旋取料機工作原理

螺旋取料機主要由垂直螺旋輸送機和強迫式喂料頭組成。垂直螺旋輸送機的主要結構有螺旋管和螺旋體2部分，螺旋體是整個螺旋取料機的主要結構，結構設計的好壞直接關系到系統的取料能力。

如圖2所示，喂料頭結構大致可分為4部分，外螺旋管1與內螺旋管直接的密封性關系到法蘭2的使用壽命，傾斜螺旋葉片3強迫物料進入喂料窗口的動力源，同時喂料窗口4的設計關系到喂料量的大小以及后續的清艙效率。

圖2 喂料頭結構示意圖

2 可行性計算分析

螺旋卸船機是專門用來卸顆粒狀散貨的，部分貨物如粉煤炭、化肥、水泥，鐵礦粉等經過海上運輸到達港口碼頭，由于大量散料經過較長時間的堆積后會被壓實，甚至形成硬殼，螺旋取料機具有掘進的功能，這時采用螺旋取料機就能很好地滿足這種取料的需要。

本項目滿足喂料能力1 500 t/h的輸送量，通過優化計算配置了Ф 970 mm喂料筒徑，喂料裝置通過破碎錘松散物料，在圓周方向配置數量不等的破碎裝置。在喂料下方設置反螺旋葉片，反螺旋葉片延圓周方向，螺旋母線的長度由116 mm遞增至600 mm，母線角度從90°遞減為0°，形成下壓式反螺旋片狀，對物料進行強制性喂料，以達取料輸送能力。

相比傳統三窗口喂料裝置，本項目為實現喂料均勻，首次研發四窗口喂料裝置，在喂料筒體下方均勻開設4個進料窗口，降低了喂料高度，以達喂料效率的提高。

2.1 多窗口被迫喂料

由于配置了相對旋轉式取料裝置，垂直螺旋輸送機的充填率可達70%～90 %，針對中小管徑的螺旋輸送機，其輸送能力可高達600 t/h以上，管徑大的螺旋卸船機最大輸送量可達3 000 t/h。

列舉實例分析，采用電廠煤炭作為作業散料，垂直提升高度為H=25 m，物料對鋼板的摩擦系數μ=0.4，堆積密度ρ為0.85～1 t/m3，螺旋直徑D=850 mm，喂料能力Im=1 500 t/h 。

一個高效喂料裝置對大運量螺旋輸送起著關鍵的作用，特別是當散料堆壓成板結狀態，就更需要采用一種強迫式多窗口喂料裝置。螺旋輸送機的能力是控制給料裝置，而不是由輸送機本身。

圖3 喂料頭結構設計示意圖

當喂料頭設計確定后，喂料量的大小和喂料頭轉速NF有很大關系，垂直螺旋輸送機輸送量的大小在很大程度上取決于喂料頭喂料量的高低，為了在喂料口不產生堵料，垂直輸送速度也要足夠，否則會出現卸料量小于喂料量的情況，影響卸船機整機效率的提高。

根據喂料頭轉速以及喂料口的個數等諸多參數，推導出喂料頭喂料量公式。設喂料頭每轉一圈的喂料體積為 V1，則 V1=S·π·De。每分鐘理論喂料體積為V2=V1·NF·nb，實際工況下，由于各種工作原因，螺旋卸船機喂料頭的喂料量不會使得系統充填率達到100%，喂料量推導公式為

式中：ρ為物料的堆積密度，S為喂料窗口面積，De為喂料口旋轉直徑，NF喂料頭轉速，nb為喂料進口個數，ηFe為填充系數。

由式（1）可知，喂料頭結構參數都確定后，喂料量也基本確定，但喂料量的大小不一定會隨轉速的增大而成正比增大。當轉速增大到一定程度后繼續增大，反而適得其反，這是由于螺旋葉片高速旋轉會產生過大的離心力和氣流阻礙物料進入喂料口。

2.2 結構、效率、耗能

為提高喂料能力，研制一種新型喂料裝置，裝置包括自上而下延伸的圓柱形筒體，筒體周壁的底端開設有窗口；螺旋葉片從窗口的側面延伸至窗口的上方，喂料窗口和螺旋葉片的數量均為4個，沿筒體的周向，4個螺旋葉片的位置與4個窗口的位置一一對應。螺旋卸船機的額定生產率為1 400 ～2 000 t/h。喂料裝置中沿螺旋葉片的上升方向，螺旋葉片的母線角度逐漸增加，螺旋葉片呈朝向窗口內扣的形狀，可增加對物料的擠壓力，在清倉階段，有利于將底層物料壓入喂料裝置，提高清倉效率。

喂料頭相對于螺旋反向旋轉，其原因有：1）利用傾斜的螺旋葉片強迫將料送往垂直螺旋輸送機中，起著強制喂料的作用；2）可阻止物料因垂直螺旋高速旋轉產生的離心力而被拋出，提高垂直螺旋輸送的填充系數；3）破碎并攪拌物料表面形成的板結，使其易于進入輸送機內部。

根據上述參數設計，可推導喂料裝置所需驅動功率為

式中：De為喂料口旋轉直徑，NF為喂料頭轉速，F為挖掘力，b為窗口高度，d為窗口寬度，e為挖掘系數，nb為喂料進口個數。

2.3 環保性能，作業效率

螺旋輸送機是機械輸送中的一種無牽引構件的輸送機械，無需回程分支，斷面尺寸小，其外形為封閉的圓筒狀，結構緊湊，作業范圍廣，其頭部配置有反轉取料螺旋，具有松料和取料的功能，能夠自動掘進取料，可以很好地滿足卸船的需要。與同樣生產效率的其他各種機械式卸船機相比，螺旋卸船機的自重最輕，其卸料過程是全封閉的，不發生泄漏，不揚起灰塵，同時噪聲小。螺旋卸船機可以經常處于滿載狀態，不會造成壓船而延誤船舶離港，提高碼頭泊位的利用率，創造較高經濟效益。

3 結論

在傳統的3個窗口以及3個反壓式螺旋線葉片的基礎上優化設計，改進為4個窗口以及4條反壓式螺旋線葉片，以滿足高效喂料需求。喂料裝置由筒體、破碎錘、反壓式螺旋線葉片以及喂料窗口組成。

為了滿足喂料的高效率，喂料窗口優化了傳統3窗口喂料方式，采用4個喂料窗口，增加了喂料窗口數量，降低了喂料高度，以提高喂料效率。

通過電氣變頻調控喂料頭轉速,研究高效螺旋喂料頭喂料原理，確定螺旋喂料頭喂料窗口參數，匹配出最高喂料效率，獲得較高的喂料能力。