新型螺旋式卸船機

王細平 羅世兵

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

螺旋輸送由于其全封閉的特點，可有效避免散料在運輸過程中產生撒料和粉塵，因而得到廣泛使用。隨著各國對環保的重視，螺旋機需求呈增長趨勢，國內外用戶需求較迫切。本文提出一種新研發的螺旋卸船機，采用水平螺旋輸送與輸送帶輸送的新型組合方案，降低了過去長距離臂架水平螺旋的安裝難度，且可更大程度地適應各類煤炭作業需求，提高了設備的生產效率，增強了設備的環保效能。

1 螺旋卸船機使用情況

我國從20 世紀80 年代初開始對螺旋卸船機進行研究，但研究大多為小型螺旋機，高效大型螺旋機未取得突破。

近年來我國大型高效螺旋卸船機研發取得一定突破，生產能力可達到2 000 t/h 以上，作業船型可達10萬DWT 及以上。到目前為止，國產1 500t/h 及以上的螺旋卸船機成功應用的不到10 臺，在滿足適應各種作業物料特性的處理作業工況方面，大型高效螺旋卸船機在國內仍處于技術發展期。隨著我國大宗散貨運輸的發展，需要大運量高效率的環保型螺旋卸船機以適應散料處理的需求。

2 螺旋卸船機的形式及構造

港口用螺旋卸船機根據整機形式主要分為固定式及移動式2 種（見圖1），適用于不同的碼頭裝卸工藝系統。螺旋卸船機主要由喂料裝置、垂直螺旋、水平輸送裝置以及其他輔助設備組成。通過俯仰、鐘擺等運動滿足低水位滿艙作業、高水位空艙出艙工況。垂直螺旋取料、輸送，可鐘擺動；水平輸送裝置可俯仰和回轉；配置有平衡配重、大車行走機構，能滿足用戶高效環保作業要求。

根據不同物料輸送特性，水平輸送裝置可采用全螺旋輸送，也可采用水平螺旋與帶式輸送的組合形式。

3 新型螺旋式卸船機的設計要點及特點

3.1 新型螺旋卸式船機設計要點

本文所述的螺旋卸船機包含了高效率喂料裝置、垂直螺旋提升裝置以及新型組合式水平輸送裝置，與傳統水平螺旋輸送不同，新型組合水平輸送為水平螺旋輸送與輸送帶輸送的組合方案，如圖2 所示。

圖2 組合型水平輸送系統

1）總體設計

針對大運量卸船作業需求，總體設計應滿足可俯仰、鐘擺、回轉等多自由度聯合動作作業，且滿足低水位滿艙作業，高水位空艙出艙的需要。根據作業需要，俯仰角度下俯17°，鐘擺角度±300°，回轉作業角度±115°。配置了多窗口喂料裝置，提高了喂料效率；采用了不等距配置中間支承，解決了長距離螺旋輸送的剛度與共振問題；應用輸送帶輸送與水平螺旋輸送的組合方式，完成了螺旋卸船機作業物料更大范圍的適應性。項目的總體設計可滿足生產率1 500 t/h，作業船型達到10 萬DWT。

2）水平螺旋輸送機

水平螺旋輸送裝置主要包含了螺旋體、螺旋外管、豎直吊桿支承以及驅動裝置。為滿足喂料能力為1 500～2 200 t/h 的輸送量，通過計算優化配置螺旋直徑、螺距以及輸送轉速的關系，滿足大運量水平螺旋輸送效果。根據額定生產率，針對水平螺旋輸送理論計算，選擇螺旋體直徑1 250 mm，螺旋體選擇雙頭螺旋葉片作為主要輸送載體。螺旋輸送管道采用全耐磨材質，取消內壁襯墊裝置，提高了螺旋管輸送壽命、減少了安裝工藝與工期。為了降低長距離螺旋體側向動剛度，在距離不等的螺旋體中間增加了豎直吊桿支承結構，以保證螺旋體的動剛度。

3）垂直螺旋提升裝置

在垂直螺旋輸送中，螺旋葉片螺旋線的頭數、螺距、直徑、轉速等結構和參數是影響螺旋輸送能力的關鍵。為了滿足輸送大運量的卸船效率（生產率1 500 t/h），項目研制了大直徑（Ф850 mm）雙頭螺旋線垂直輸送裝置；為了降低長距離輸送產生的共振問題，螺旋體分段不等距布置；在螺旋體分段處，采用無軸承螺旋線中間支撐的結構形式，增加了長距離、高速旋轉的螺旋體動剛度。垂直螺旋輸送驅動采用了變頻控制技術，通過調整電動機運行頻率，以達滿足可變的高效率卸船生產率。為達到長壽命使用周期，本項目采用一體式全耐磨輸送外管裝置。

4）多窗口喂料裝置

本文所述螺旋式卸船機是一種以強迫式喂料裝置取料，經過垂直螺旋裝置提升，臂架輸送帶或螺旋輸送機對物料進行輸送的系統。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。強迫式喂料裝置滿足喂料能力大于1 500 t/h 的輸送量，通過優化計算配置了Ф950 ～Ф1 000 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。在喂料下方設置沿圓周方向反螺旋葉片，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。

新型螺旋多窗口喂料裝置滿足大運量高效率的卸船需求，在傳統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。

5）水平帶式輸送機

在螺旋式卸船機的臂架輸送系統采用了帶式輸送的方式，其主要目的是解決螺旋卸船機的物料適應性問題。

水平帶式輸送機設計選型以及計算參照DTII 型設計手冊，包含了輸送帶、托輥、滾筒、清掃器以及罩殼等。輸送帶驅動方式采用變頻軟啟動進行電動機控制，可有效實現堵料滿載啟動。帶式輸送機帶寬1 600 mm，帶速為2.95 m/s，作業最大角度為-17°，額定輸送能力為1 500 t/h，最大可達1 800 t/h。

3.2 新型螺旋卸船機的特點

相比于水平輸送采用全螺旋的輸送系統，新組合型的水平輸送系統降低了以往長距離臂架水平螺旋的安裝難度，且可更大程度地適應各類煤炭作業需求，提高了設備的生產效率，增強了設備的環保效能，具有如下特點

1）提高了物料的適應性 螺旋卸船機作業處理的散貨物料包含糧食、化肥、水泥、煤炭等。近年來全國新建碼頭數量和港口吞吐量持續穩定增長，煤炭的泊位數和吞吐量都較高（煤碼頭吞吐量占所有干散貨吞吐量的比例為30%），然而相對其他散料，煤炭物料特性相差很大，不同含水量導致煤炭的堆積角以及黏性不同，從而影響生產率。

由于水平螺旋輸送的機理，針對黏性煤炭作業中，水平螺旋體在高速旋轉工況下存在少量的物料粘貼在螺旋葉片上，對螺旋體動平衡量發生變化，螺旋體產生一定的抖動，影響整機性能的穩定性的問題。采用組合型輸送帶，由短距離水平螺旋過渡到輸送帶輸送，可有效解決黏煤的適應性。

2）降低水平安裝難的問題 在螺旋卸船機中，若采用全水平螺旋輸送，特別是作業船型達5 萬DWT 及以上的散貨船，水平輸送長度可達25 m 以上；在受力工況下，由于臂架系統的下撓、多節螺旋的裝配累計誤差等，對于長距離輸送的水平螺旋，其徑向剛度的跳動是整個螺旋體平穩運行的關鍵。

本文敘述的組合型水平輸送裝置由1 節短距離水平螺旋過渡，長距離輸送功能由帶式輸送機完成，這種方式可以有效地、最大限度地滿足水平臂架鋼結構的實際剛度需求，更合理地優化臂架結構的設計，減輕結構自重，從而優化了整體的傾覆力矩，提高了整機的穩定性。

3）提高了設備檢修的便捷性 針對煤炭作業的適應性問題，由于煤炭中含有一定量的異物，在水平段輸送過程中存在異物卡堵螺旋體的可能性，導致螺旋體無法運轉，雖然全螺旋水平輸送考慮了這一點，采用了剖分式輸送管道以及處理窗口等措施，但是一旦發生卡死存在很大的檢修難度。新結構采用了輸送帶輸送，不存在異物卡堵問題，如遇非正常情況能夠做到快捷檢修處理。

4）增強了設備的環保效能 水平輸送段采用了相對成熟的輸送帶輸送技術，采用環保性封閉廊道輸送，可在節能方面減少輸送功率。相同長度的水平輸送情況下，采用輸送帶輸送的消耗功率僅為水平螺旋輸送的30%及以下。

5）由于帶式輸送對物料特性的要求，相對煤炭而言，最大作業角度為13°～17°，而全螺旋水平輸送最大作業角度可以達20°，故組合輸送帶輸送需要增加垂直提升高度滿足作業范圍。

6）在作業中輸送帶返程帶料引起物料積壓在臂架結構上，應采用一種清掃裝置或者增加了人工清掃的工作量。

7）為確保螺旋卸船機全封閉輸送的環保工況以及輸送帶輸送雨天作業，增加輸送帶輸送的封閉防雨罩。

4 案例分析

示例項目額定生產能力為1 500 t/h，最大生產率為1 800 t/h，作業船型為10 萬DWT，作業物料為煤炭。為了滿足作業工況需要，項目垂直提升高度25 m，水平輸送采用了螺旋與帶式輸送組合，螺旋輸送6 m，輸送帶接料輸送長度22 m，共計28 m 的水平輸送距離。

4.1 喂料裝置

為了提高喂料效率，采用新型多窗口喂料裝置，自上而下延伸圓柱形筒體，筒體周壁的底端開設有窗口；螺旋葉片設置在筒體的周壁上，從窗口的側面延伸至窗口的上方。沿螺旋葉片的上升方向，螺旋葉片的母線與螺旋葉片的軸線之間的夾角逐漸增加。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。4 窗口喂料均勻布置在筒壁一周，使得螺旋取料時，保證了至少2 個窗口在取料。在每個窗口上面布置漸變母線、漸變法線角度，強迫喂料，實現了大運量、高效率喂料（見圖3）。

圖3 4 窗口喂料裝置

螺旋卸船機的額定生產率為1 500 t/h。對于喂料裝置，沿螺旋葉片的上升方向，螺旋葉片的母線角度逐漸增加。通過該設置，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。

4.2 垂直螺旋提升裝置

針對生產率1 500 t/h 的作業需求，對螺旋管徑、螺距、轉速等關系進行了理論研究，為了降低長距離輸送產生的共振問題，采用螺旋體分段不等距布置；在螺旋體分段處應用無軸承螺旋線中間支撐的結構形式，增加了長距離、高速旋轉的螺旋體動剛度。垂直螺旋輸送驅動采用了變頻控制技術，通過調整電動機運行頻率，達到滿足可變的高效率卸船生產率。為達到使用壽命周期更長的目的，采用一體式全耐磨輸送外管裝置。垂直螺旋直徑φ為850 mm，采用雙頭螺旋葉片布置，通過變頻驅動實時調整產能，優化格參數的匹配實現了大產能要求，形成了LX850 系列的垂直螺旋提升裝置。

4.3 水平螺旋輸送系統設計選型

項目過渡短距離輸送段采用水平螺旋形式，螺旋輸送直徑φ為1 250 mm，輸送過度長度6 m，最大輸送能力為1800 t/h。

1）螺旋輸送能力計算

螺旋輸送能力的計算為

式中：Im為生產率，D為螺旋直徑，C為螺旋傾角系數，n為螺旋主軸轉速，S為螺旋螺距，φ為物料填充系數，ρ為物料的堆積密度。

根據式（1）計算，本項目選用LX1250 系列水平螺旋輸送系統，輸送能力達到設計要求。

2）螺旋輸送功率計算

螺旋輸送功率的計算為

式中：P為螺旋機輸送功率，PH為物料運行時所需功率，PN為空轉運行時所需功率，Pst為傾斜輸送物料所需功率，Im為生產率，L為輸送機長度，σ為物料阻力系數，H為提升高度，D為螺旋直徑。

4.4 帶式輸送系統選型

本項目長距離輸送段采用輸送帶輸送形式，最大輸送能力為1 800 t/h。

1）帶式輸送機輸送能力計算

帶式輸送機斷面如圖4 所示，帶式輸送機輸送能力為

圖4 輸送帶斷面圖

式中：Qps為帶式輸送機輸送能力，A為物料截面面積，A1為上部槽形面積，A2為下部梯形面積，Lt為中間托輥長度，b為輸送帶可用寬度(當B≤2 m，b=0.9B-0.05 m；當B＞2 m，b=B-0.25 m)，λ為托輥槽角，θs為物料運行堆積角，B為輸送帶寬度，Vp為輸送帶速度，K為傾斜系數，Ψfr為填充率，r為物料密度。

根據式（3）計算可得，選用B=1.6 m 輸送帶輸送系統，輸送能力達到設計要求。

2）運行功率計算

式中：Pm為輸送帶運行功率，η為帶式輸送機效率，F為驅動滾筒圓周力，FH為主要運行阻力，Fst為傾斜阻力，FbA為加速慣性阻力，Ff為導料槽阻力，F1為滾筒纏繞阻力，Ft為滾筒軸承阻力，FS1為主要附加阻力，FS2為附加特種阻力。

通過對比計算可知，在全長28 m，最大輸送能力1 800 t/h、傾斜角度17°的相同情況下，采用全螺旋結構形式，理論計算功率為274 kW，采用一節短距離水平螺旋加長距離輸送帶輸送形式，理論計算功率為130 kW，可節省功率為144 kW，極大地降低了水平輸送段的運行功率。

5 結語

本文從作業物種的適應性、設備安裝的便利性以及維保的成本方面等進行了詳細分析，應用短距離水平螺旋加帶式輸送機代替全螺旋水平輸送將極大地提高螺旋卸船機在作業時的靈活性、通用性、節能性，具有很大的實用價值，可產生良好的經濟效益。