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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(jié)構(gòu)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(nèi)容積。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)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(jié)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(shè)備破除煤炭結(jié)拱，清空筒倉，因而筆者設(shè)計了開式螺旋輸送設(shè)備，而中心回轉(zhuǎn)裝置則是開式螺旋輸送設(shè)備的核心部件。

1 開式螺旋輸送機及中心回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)

圖1 筒倉內(nèi)開式螺旋輸送設(shè)備結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure sketch of open screw conveyor in silo

圖1 所示為開式螺旋輸送設(shè)備結(jié)構(gòu)示意，它安裝在大型平底筒倉底部。筒倉保護檐下是設(shè)備的驅(qū)動部分，主要由自轉(zhuǎn)電動機和公轉(zhuǎn)電動機等構(gòu)成；卸煤口的上方是設(shè)備的螺旋桿；筒倉的中心是設(shè)備的中心回轉(zhuǎn)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(shè)備驅(qū)動部分的自轉(zhuǎn)電動機，它帶動螺旋桿運轉(zhuǎn)，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(nèi)整個圓形地面，這就要求螺旋桿繞著筒倉中心做公轉(zhuǎn)運動。螺旋桿的公轉(zhuǎn)運動是通過驅(qū)動部分的公轉(zhuǎn)電動機來完成的，公轉(zhuǎn)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(jié)拱、清空筒倉的目的。

中心回轉(zhuǎn)裝置是開式螺旋輸送設(shè)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(zhuǎn)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(shè)備的螺旋桿與滑動軸承座連接，用于提供螺旋桿的自轉(zhuǎn)運動；公轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支承的外圈與滑動軸承座連接，用于提供螺旋桿的公轉(zhuǎn)運動；回轉(zhuǎn)支承內(nèi)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(zhuǎn)區(qū)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(nèi)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(zhuǎn)裝置底部，用于承載中心回轉(zhuǎn)裝置及其上方煤炭的載荷。

圖2 中心回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure sketch of center swing device

2 中心回轉(zhuǎn)裝置的特點

中心回轉(zhuǎn)裝置除了能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋桿自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)功能以外，還具有以下特點：

(1)由于中心回轉(zhuǎn)裝置安裝在平底筒倉底部，當倉內(nèi)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(jié)構(gòu)中心柱與檢修孔的巧妙結(jié)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(nèi)安裝瓦斯傳感器，當瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r充入氮氣來驅(qū)趕瓦斯，直至瓦斯氣達標。

(2)由于中心回轉(zhuǎn)裝置位于筒倉中心，儲煤倉四周幾乎完全封閉，而自轉(zhuǎn)支撐軸承與公轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)裝置中心柱是由鋼板卷制而成的筒體，可在筒體內(nèi)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(wěn)定地進行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動。

(3)中心回轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支承損壞，只需拆除相應(yīng)連接螺栓即可。

3 中心回轉(zhuǎn)裝置主要部件的選型、設(shè)計和計算

3.1 傘形保護帽的設(shè)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(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)影響設(shè)備運轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計時應(yīng)保證離保護帽端部最近的回轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù)據(jù)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(yīng)具有耐腐蝕、高強度等特性，所以應(yīng)選用高強度耐候板。

3.2 回轉(zhuǎn)支承的選型

回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)支承對滑動軸承支反力Fb以及偏載距離s這 2 個數(shù)據(jù)，參照相關(guān)選型手冊即可選出回轉(zhuǎn)支承相應(yīng)型號。

回轉(zhuǎn)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(tài)，可將螺旋桿看做一簡支梁，梁一端位于倉壁一側(cè)，設(shè)為A點，支反力為Fa；梁另一端在滑動軸承處，設(shè)為B點，支反力為Fb。梁在筒倉內(nèi)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(jù)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(zhuǎn)支承的中心到回轉(zhuǎn)支撐受力點的距離，回轉(zhuǎn)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(shè)回轉(zhuǎn)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(shè)計s時可根據(jù)實際情況擬定：s數(shù)值越小，傘形保護帽體積越小，公轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)越穩(wěn)定。所以，一般在不影響正常運轉(zhuǎn)情況下s數(shù)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(yōu)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(zhuǎn)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(nèi)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(tài)下對傘形保護帽的壓力最大，設(shè)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(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)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(shù)；f為安息角系數(shù)，f=tanφ；φ為煤炭安息角，(°)。

綜合以上數(shù)據(jù)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(jié)語

該開式螺旋輸送設(shè)備以及其核心部件中心回轉(zhuǎn)裝置，可用于大型平底筒倉底部，實現(xiàn)倉內(nèi)煤炭輸出及清倉破拱等作用，此裝置現(xiàn)已申請并獲得相關(guān)專利。大型平底筒倉及開式螺旋輸送設(shè)備的運用，將會在煤炭儲運環(huán)節(jié)中實現(xiàn)節(jié)能減排，綠色環(huán)保，而且大大提高煤炭的物流質(zhì)量，具有推廣應(yīng)用價值。