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煤炭的儲(chǔ)存是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，儲(chǔ)煤倉(cāng)則是儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)中的重要建筑。目前煤礦上常用的儲(chǔ)煤建筑有大型球形儲(chǔ)煤倉(cāng)、條形儲(chǔ)煤棚和圓柱形錐底筒倉(cāng)。筆者分析了圓柱形錐底筒倉(cāng)在實(shí)際應(yīng)用中的缺點(diǎn)，提出了平底筒倉(cāng)和清倉(cāng)破拱設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)綠色高效存儲(chǔ)。

1 圓柱形錐底筒倉(cāng)

目前煤礦上常用的煤炭存儲(chǔ)建筑為圓柱形錐底筒倉(cāng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。由圖 1 可知，該筒倉(cāng)底部為倒錐體結(jié)構(gòu)，落煤口處于錐體的最低處。需要卸載煤炭時(shí)打開(kāi)落煤口處閘板卸煤裝車(chē)。該圓柱形錐底倉(cāng)有以下缺點(diǎn)：由于只有錐體角度大于煤炭安息角，煤炭才能順利地從錐壁上滑落，這就意味著在錐壁與倉(cāng)壁夾角一定的情況下，錐體的高度會(huì)隨著筒倉(cāng)直徑的增加而增加，從而占用倉(cāng)體容積。

目前，國(guó)內(nèi)最大的圓柱形錐底筒倉(cāng)容積為 4 萬(wàn)m3，煤炭裝載率約為 70%。該類型筒倉(cāng)不僅占地面積大，建造成本也高。

圖1 圓柱形錐底筒倉(cāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of interior of cylindrical cone-bottom silo

2 圓柱形平底筒倉(cāng)

根據(jù)上述圓柱形錐底筒倉(cāng)存在的不足，提出一種新型圓柱形平底筒倉(cāng)，筒倉(cāng)下部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 圓柱形平底筒倉(cāng)下部結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural sketch of under part of cylindrical flat-bottom silo

根據(jù)圖 2 可知，該新型平底筒倉(cāng)底部為平面，倉(cāng)底布置若干條形落煤口，在底部倉(cāng)壁周?chē)恿艘蝗Νh(huán)形保護(hù)檐，保護(hù)檐下面不會(huì)落煤，可以用于人工觀察、檢修以及存放機(jī)械設(shè)備等。需要卸煤的時(shí)候，打開(kāi)落煤口下面的閘板，煤炭則在自身重力作用下從落煤口落下并裝車(chē)。

該平底倉(cāng)也存在 2 個(gè)問(wèn)題：(1) 因煤炭之間的摩擦力作用，很容易在落煤口處結(jié)拱，影響正常的卸煤，且結(jié)拱煤長(zhǎng)期存在易發(fā)生自燃；(2) 當(dāng)倉(cāng)內(nèi)煤炭卸完后，落煤口旁邊的煤以一定安息角靜置在落煤口附近，如圖 2 中虛線區(qū)域的煤炭，稱之為倉(cāng)內(nèi)死煤，這部分煤炭不清理掉也存在安全隱患。因此需要一套機(jī)械設(shè)備來(lái)破除煤炭結(jié)拱以及清空筒倉(cāng)。

3 筒倉(cāng)內(nèi)清倉(cāng)破拱設(shè)備

3.1 清倉(cāng)破拱設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3 為清倉(cāng)破拱設(shè)備在平底筒倉(cāng)底部的安裝圖，該清倉(cāng)破拱設(shè)備主要由 3 個(gè)部分組成：環(huán)形保護(hù)檐下面的設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分，落煤口上方的螺旋桿，筒倉(cāng)中心處的中心回轉(zhuǎn)裝置。

圖3 清倉(cāng)破拱設(shè)備倉(cāng)內(nèi)安裝示意Fig.3 Installation sketch of arch-breaking clearance equipment in silo

圖4 為清倉(cāng)破拱設(shè)備的俯視圖。由圖 4 可知，該設(shè)備主要由自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、螺旋桿、軸承座等組成的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以及回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、環(huán)形軌道等組成的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均安裝在筒倉(cāng)內(nèi)環(huán)形保護(hù)檐下，環(huán)形軌道繞筒倉(cāng)布置一圈，用于車(chē)輪的行走。位于筒倉(cāng)中心的中心回轉(zhuǎn)裝置不僅為螺旋桿提供支撐，同時(shí)也支持螺旋桿的自轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)功能。

圖4 清倉(cāng)破拱設(shè)備俯視圖Fig.4 Top view of arch-breaking clearance equipment

筒倉(cāng)需要卸煤時(shí)，先開(kāi)啟底部閘板，煤炭在自身重力下從落煤口卸煤，并在落煤口結(jié)拱。需要清倉(cāng)時(shí)，啟動(dòng)清倉(cāng)破拱設(shè)備的自轉(zhuǎn)功能，自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋桿旋轉(zhuǎn)，煤炭在螺旋推力作用下向筒倉(cāng)中心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入落煤口，達(dá)到破拱和清空筒倉(cāng)的目的。

螺旋桿需要清理筒倉(cāng)整個(gè)圓面上的煤炭，這就要求螺旋桿能夠像時(shí)針一樣繞筒倉(cāng)中心回轉(zhuǎn)起來(lái)。螺旋桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪在環(huán)形軌道上作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)自轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)以及螺旋桿共同繞筒倉(cāng)中心作圓周運(yùn)動(dòng)，以便對(duì)整個(gè)筒倉(cāng)進(jìn)行清理。

3.2 圓柱形平底筒倉(cāng)及清倉(cāng)破拱設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

相比圓柱形錐底筒倉(cāng)，圓柱形平底筒倉(cāng)及清倉(cāng)破拱設(shè)備的優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

(1) 圓柱形平底筒倉(cāng)去掉了底部錐體結(jié)構(gòu)，解除了筒倉(cāng)直徑的設(shè)計(jì)限制，筒倉(cāng)的有效倉(cāng)容提高，可以設(shè)計(jì)到 10 萬(wàn) m3以上，是錐底倉(cāng)的幾倍甚至是幾十倍。此外，它的裝載率能達(dá)到 95% 以上，因此平底筒倉(cāng)更適合大型煤炭存儲(chǔ)。

(2) 圓柱形平底筒倉(cāng)建筑占地面積小，建造成本及建造難度低。

(3) 清倉(cāng)破拱設(shè)備在大型平底筒倉(cāng)內(nèi)用于清空筒倉(cāng)和破除結(jié)拱。除驅(qū)動(dòng)部分外，清倉(cāng)破損設(shè)備的其余部分幾乎全部由鋼板焊接或螺旋連接而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、故障率低及制作安裝成本低等特點(diǎn)。

4 清倉(cāng)破拱設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

已知圓柱形平底儲(chǔ)煤筒倉(cāng)直徑 40 m、高度 40 m，清倉(cāng)破拱設(shè)備輸送能力Q=600 t/h，煤炭密度ρ=0.8 t/m3，煤炭安息角φ=45°，對(duì)清倉(cāng)破拱設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4.1 清倉(cāng)破拱設(shè)備中螺旋直徑、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)計(jì)算

清倉(cāng)破拱設(shè)備通過(guò)螺旋桿自轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)對(duì)倉(cāng)內(nèi)煤炭進(jìn)行輸送，因此可將清倉(cāng)破拱設(shè)備看做開(kāi)式螺旋輸送機(jī)。計(jì)算時(shí)相關(guān)參數(shù)可參照《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》[1]第十五章《螺旋輸送機(jī)》計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

4.1.1 螺旋直徑

螺旋直徑

式中：N為煤炭特性系數(shù)；ψ為填充系數(shù)；M為傾角系數(shù)。

其中，輸送能力Q根據(jù)煤礦自身的輸送量決定；煤炭特性系數(shù)N、填充系數(shù)ψ以及傾角系數(shù)M可根據(jù)礦井自身產(chǎn)出煤炭的參數(shù)，對(duì)照《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》第十五章《螺旋輸送機(jī)》表 15-1 常用物料的填充、特性、綜合系數(shù)，以及表 15-2 傾角系數(shù)表進(jìn)行取值。螺旋直徑D的計(jì)算結(jié)果需要圓整。

假設(shè)筒倉(cāng)內(nèi)煤為無(wú)磨琢性或半磨琢性小塊煤，根據(jù)表 15-1 以及表 15-2，取填充系數(shù)ψ=0.30，特性系數(shù)N=0.053 7，輸送機(jī)布置傾斜角為 0°，傾角系數(shù)M=1.0，可求出該螺旋直徑

圓整后取螺旋直徑D=1.3 m。

4.1.2 螺距

螺距的大小對(duì)煤炭的輸送過(guò)程產(chǎn)生直接影響。對(duì)于螺距的計(jì)算可采用經(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)于水平布置、輸送流動(dòng)性好和磨琢性小的煤炭，可取S=D；對(duì)于傾斜布置、輸送流動(dòng)性差和有磨琢性的煤炭，可取S=0.8D。本案例中取S=D，即S=1.3 m。

4.1.3 螺旋軸轉(zhuǎn)速

在滿足輸送能力的條件下，螺旋軸轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，以免煤炭所受切向力較大而降低輸送量，以及縮短螺旋桿的使用壽命；因此，螺旋軸的轉(zhuǎn)速不能超過(guò)限值。螺旋軸轉(zhuǎn)速限值

式中：A為表示煤炭綜合系數(shù)。

根據(jù)礦井實(shí)際產(chǎn)出煤炭的參數(shù)，對(duì)照《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》第十五章《螺旋輸送機(jī)》表 15-1，取A=40，則

因螺旋輸送設(shè)備螺旋軸直徑較大，螺旋軸轉(zhuǎn)速在滿足輸送能力的條件下不宜過(guò)高，以免煤炭受過(guò)大的切向力而被拋起。在輸送能力滿足要求的前提下，選擇較低轉(zhuǎn)速，取n=25 r/min。

4.1.4 校核填充系數(shù)

用螺旋直徑D及螺旋軸轉(zhuǎn)速n圓整后的數(shù)值對(duì)填充系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)

求出的填充系數(shù)ψ，對(duì)照表 15-1，若在推薦數(shù)值范圍內(nèi)，說(shuō)明圓整值D及n適當(dāng)；若ψ值高于表 15-1 中數(shù)值上限，則應(yīng)加大螺旋直徑；若ψ值低于表 15-1中數(shù)值下限，則應(yīng)降低螺旋軸轉(zhuǎn)速。

將上述數(shù)據(jù)代入上式，得

查表 15-1 可知道填充系數(shù)ψ的取值范圍為 0.25～0.35，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

4.2 滿倉(cāng)狀態(tài)下煤炭壓實(shí)清倉(cāng)破拱設(shè)備后的壓力計(jì)算

滿倉(cāng)后煤炭對(duì)螺旋桿有垂直方向的壓力。根據(jù)GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中煤炭對(duì)倉(cāng)底的靜壓力計(jì)算公式，可得出煤炭作用在螺旋桿上的壓力Fy。

滿倉(cāng)狀態(tài)下螺旋桿的垂直方向壓力

其中

式中：σ y為螺旋桿垂直方向單位面積上的靜壓力；Ay為螺旋桿垂直方向的投影面積；g為重力加速度；l為螺旋桿長(zhǎng)度，約等于筒倉(cāng)的半徑，即l=20 m；R為螺旋桿的水力半徑；K為側(cè)壓系數(shù)；f為側(cè)壓力系數(shù)；C為螺旋輸送設(shè)備受力投影面周長(zhǎng)。

代入數(shù)值后得到

螺旋桿垂直方向靜壓力

根據(jù)螺旋桿在倉(cāng)內(nèi)所受載荷等數(shù)據(jù)，結(jié)合筒倉(cāng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的功率，進(jìn)行選型，繼而完成開(kāi)式螺旋輸送設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.3 清倉(cāng)破拱設(shè)備的維護(hù)

清倉(cāng)破拱設(shè)備中需要維護(hù)的部分是驅(qū)動(dòng)部分的自轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)以及中心回轉(zhuǎn)裝置中的回轉(zhuǎn)軸承和滑動(dòng)軸承。電動(dòng)機(jī)的維護(hù)較為簡(jiǎn)單，其位于環(huán)形保護(hù)檐下，而環(huán)形保護(hù)檐作為一個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)物空間與倉(cāng)外是相通，工作人員可定期進(jìn)入保護(hù)檐內(nèi)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)。自轉(zhuǎn)軸承與回轉(zhuǎn)支承等部件需要定期注油、檢修等人工操作。中心回轉(zhuǎn)裝置位于筒倉(cāng)中心，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(kāi)檢修孔，操作工可由中心柱底部進(jìn)入并到達(dá)檢修孔，實(shí)現(xiàn)軸承注油等操作。

4.4 關(guān)于圓柱形平底筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)概述

圓柱形平底筒倉(cāng)外部為一圓柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為一圓柱體儲(chǔ)物空間用于存儲(chǔ)煤炭，倉(cāng)底為平底，倉(cāng)底上方有一個(gè)環(huán)形保護(hù)檐，保護(hù)檐和倉(cāng)壁為一體式設(shè)計(jì)。倉(cāng)壁、環(huán)形保護(hù)檐以及倉(cāng)底均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；倉(cāng)體底部均勻布置若干條通長(zhǎng)的條形落煤口，落煤口的寬度應(yīng)大于螺旋桿的螺距。

圓柱形平底筒倉(cāng)的相關(guān)參數(shù)及設(shè)計(jì)，可根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

圓柱形平底筒倉(cāng)以及倉(cāng)內(nèi)清倉(cāng)破拱設(shè)備均為首次提出，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用，相關(guān)結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)并獲得國(guó)家專利。大型平底筒倉(cāng)及開(kāi)式螺旋輸送設(shè)備的運(yùn)用在未來(lái)礦井建設(shè)中不僅可以實(shí)現(xiàn)煤炭的綠色高效存儲(chǔ)，而且在煤炭?jī)?chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)中可大大提高煤炭的物流質(zhì)量，在相關(guān)行業(yè)中極具推廣價(jià)值。另外，文中給出的清倉(cāng)破拱設(shè)備的參數(shù)計(jì)算，可為不同直徑和不同出煤能力的平底筒倉(cāng)中清倉(cāng)破拱設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。