賈志平 費(fèi)海波 張奕泓

1 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院 2 廈門海隆碼頭有限公司

1 引言

為適應(yīng)我國(guó)糧食進(jìn)口量持續(xù)增加的發(fā)展趨勢(shì),許多港口企業(yè)新建淺圓倉(cāng),增加港口存儲(chǔ)能力。為了加快筒倉(cāng)周轉(zhuǎn)效率,最直接的方式是縮短清倉(cāng)機(jī)作業(yè)時(shí)間,而清倉(cāng)機(jī)作為淺圓倉(cāng)清倉(cāng)主力設(shè)備,提升其生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)自主清倉(cāng)、杜絕安全事故成為重要課題。

淺圓倉(cāng)是密閉空間,在進(jìn)出倉(cāng)作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,根據(jù)強(qiáng)制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17440-2008《糧食加工、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》的防爆分區(qū)規(guī)定,筒倉(cāng)內(nèi)部為20區(qū),是粉塵防爆最高級(jí)別[1]。目前還沒有電機(jī)獲得20區(qū)粉塵防爆認(rèn)證,而行業(yè)內(nèi)普遍使用的電動(dòng)清倉(cāng)機(jī),電機(jī)安裝在筒倉(cāng)內(nèi)部,在清倉(cāng)作業(yè)時(shí)存在一定的安全隱患。

筒倉(cāng)在存儲(chǔ)大豆時(shí),板結(jié)一直是出倉(cāng)作業(yè)的難點(diǎn)。大豆含有較高的脂肪和蛋白質(zhì),當(dāng)筒倉(cāng)內(nèi)溫度過(guò)高(>25℃)時(shí),脂肪會(huì)發(fā)生氧化,釋放出熱量和水分,并造成大豆軟化[2]。溫度持續(xù)升高會(huì)加劇氧化作用。由于筒倉(cāng)內(nèi)豆粒間隙小、壓力大、通風(fēng)困難,筒倉(cāng)比熱傳導(dǎo)強(qiáng),加之沿海港口在夏秋季處于高溫、高濕的環(huán)境,造成軟化后的豆粒在高溫、高壓、高濕和軟化酶的共同作用下,進(jìn)一步互相擠壓粘連導(dǎo)致板結(jié)。板結(jié)形成后,糧食失去自流性,出倉(cāng)作業(yè)時(shí),糧堆會(huì)出現(xiàn)反復(fù)坍塌,而行業(yè)廣泛使用的電動(dòng)清倉(cāng)機(jī)普遍存在扭矩不足的問(wèn)題,會(huì)被坍塌的大量糧食堵塞停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

為解決以上問(wèn)題,開發(fā)淺圓倉(cāng)全液壓智能螺旋清倉(cāng)機(jī)。該產(chǎn)品采用全液壓驅(qū)動(dòng)形式,液壓泵站安裝在筒倉(cāng)及廊道外,筒倉(cāng)內(nèi)無(wú)電氣元件,可解決20區(qū)粉塵防爆問(wèn)題;采用恒功率控制技術(shù),可自動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋的轉(zhuǎn)速和扭矩值,非板結(jié)工況螺旋處于高轉(zhuǎn)速低扭矩工作點(diǎn),板結(jié)工況螺旋處于低轉(zhuǎn)速高扭矩工作點(diǎn),同時(shí)可滿足板結(jié)和無(wú)板結(jié)2種工況,具有很好的適應(yīng)性;具有自動(dòng)清倉(cāng)功能,可自主完成清倉(cāng)作業(yè),清倉(cāng)時(shí)不需要人員進(jìn)倉(cāng)輔助作業(yè),可實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離。

2 系統(tǒng)組成

全液壓智能螺旋清倉(cāng)機(jī)系統(tǒng)包括定心回轉(zhuǎn)裝置、機(jī)頭傳動(dòng)裝置、公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、結(jié)構(gòu)支撐裝置、螺旋輸送裝置、公轉(zhuǎn)軌道、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓出管組件等(見圖1)。

1.定心回轉(zhuǎn)裝置 2.機(jī)頭傳動(dòng)裝置 3.螺旋驅(qū)動(dòng)裝置 4.液壓出管組件 5.液壓系統(tǒng) 6.結(jié)構(gòu)支撐裝置 7.公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置 8.公轉(zhuǎn)軌道圖1 全液壓驅(qū)動(dòng)式智能螺旋清倉(cāng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

定心回轉(zhuǎn)裝置固定在筒倉(cāng)中心落料口,保證清倉(cāng)機(jī)在清倉(cāng)時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不會(huì)發(fā)生變化,并將清倉(cāng)機(jī)機(jī)體的受力傳遞給筒倉(cāng)底部土建基礎(chǔ)。

機(jī)頭傳動(dòng)裝置提供螺旋驅(qū)動(dòng)的支撐,將驅(qū)動(dòng)螺旋的反作用力傳遞給定心回轉(zhuǎn)裝置。

公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置,為公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力,保證清倉(cāng)機(jī)機(jī)體平穩(wěn)做圓周運(yùn)動(dòng)。

結(jié)構(gòu)支撐裝置均布在螺旋驅(qū)動(dòng)裝置料槽上,在筒倉(cāng)滿倉(cāng)時(shí),支撐機(jī)體結(jié)構(gòu),減小機(jī)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

公轉(zhuǎn)軌道是公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行基準(zhǔn),軌道板需精鑄后再機(jī)加工,保證公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置鏈輪在運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)打滑情況。液壓出管組件用于保護(hù)液壓管路不會(huì)被落料磨損。

液壓系統(tǒng)包括泵站電機(jī)、液壓泵、電液比例多路閥、螺旋驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、液壓過(guò)濾器、散熱器等。螺旋驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝在機(jī)頭傳動(dòng)裝置,用于驅(qū)動(dòng)螺旋軸旋轉(zhuǎn),使物料輸送至中心落料口;公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)安裝于公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上,推動(dòng)機(jī)體做圓周運(yùn)動(dòng)。

電控系統(tǒng)包括PLC控制器、功率放大模塊、顯示屏及其他低壓元器件,可滿足20區(qū)粉塵防爆要求,系統(tǒng)控制算法由電控系統(tǒng)完成。液壓泵站及電控系統(tǒng)布置在皮帶機(jī)廊道外側(cè),筒倉(cāng)內(nèi)所有控制均采用液控方式,無(wú)電氣元件。

3 技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 技術(shù)參數(shù)

為更好地匹配筒倉(cāng)現(xiàn)有輸送系統(tǒng),對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

3.2.1 降低螺旋阻力設(shè)計(jì)

原樣機(jī)采用定螺距設(shè)計(jì),所有螺旋螺距相同。在清倉(cāng)作業(yè)時(shí),物料主要由倉(cāng)壁側(cè)物料最高、阻力最大側(cè)輸送至中心落料口,螺旋在前端和中段無(wú)法進(jìn)料。由于物料重力作用,對(duì)螺旋內(nèi)部物料產(chǎn)生擠壓,增大物料對(duì)螺旋片的摩擦力,使得螺旋阻力增大。為解決此問(wèn)題,螺旋改為變螺距方式,將螺距分為4段,從中心落料口到筒倉(cāng)壁螺距依次為400 mm、320 mm、225 mm、150 mm。螺旋分段后,使得螺旋每一段都留有空間進(jìn)料,可減小因物料重力產(chǎn)生的正壓力,降低螺旋阻力。利用DEMSlab和Adams軟件耦合對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。

首先,由Solidworks建立螺旋機(jī)構(gòu)模型(見圖2);其次,利用DEMSlab軟件內(nèi)部模塊對(duì)大豆建模,設(shè)置大豆參數(shù);在螺旋被1.2 m高度大豆覆蓋的情況下,利用DEMSlab和Adams軟件耦合仿真,得出螺旋驅(qū)動(dòng)扭矩曲線。

圖2 螺旋機(jī)構(gòu)建模

從圖3仿真計(jì)算結(jié)果曲線中,可以看出:初始時(shí)刻物料幾乎遮蓋住整段螺旋輸送機(jī),此時(shí)需要約7 300 Nm驅(qū)動(dòng)扭矩使設(shè)備運(yùn)行;隨著物料高度降低,運(yùn)行5 s后,扭矩約3 700 Nm;10 s后,扭矩降低到3 300 Nm。

圖3 仿真計(jì)算結(jié)果曲線

3.2.2 雙恒功率設(shè)計(jì)

全液壓清倉(cāng)機(jī)采用恒功率控制方式。理論上,降低轉(zhuǎn)速,增大扭矩。但是電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)此控制方式,電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速以下,是恒扭矩控制,最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速降低并不能提升電機(jī)輸出扭矩;額定轉(zhuǎn)速以上,雖然可以實(shí)現(xiàn)恒功率控制,但在高速段,輸出轉(zhuǎn)矩始終小于額定轉(zhuǎn)矩,對(duì)破板結(jié)沒有幫助。

為在低轉(zhuǎn)速下也能實(shí)現(xiàn)恒功率控制,首臺(tái)樣機(jī)采用電液控制方式,電液系統(tǒng)可根據(jù)螺旋負(fù)載大小,自動(dòng)尋找恒功率曲線上的最優(yōu)工作點(diǎn)(見圖4)。當(dāng)負(fù)載增加時(shí),可自動(dòng)減小轉(zhuǎn)速,在驅(qū)動(dòng)功率不變的情況下,提升螺旋驅(qū)動(dòng)力,增強(qiáng)破板結(jié)能力;當(dāng)負(fù)載減小時(shí),再自動(dòng)增大轉(zhuǎn)速,降低輸出扭矩。此功能在現(xiàn)場(chǎng)取得了很好的效果。

圖4 液壓系統(tǒng)恒功率曲線

根據(jù)圖3仿真結(jié)果曲線,螺旋啟動(dòng)力矩至少需要7 300 Nm,樣機(jī)受液壓元件額定壓力影響,最大扭矩只能達(dá)到6 900 Nm。為了解決此問(wèn)題,螺旋驅(qū)動(dòng)馬達(dá)采用變排量控制方式。在破板結(jié)工況下,馬達(dá)增大排量,重新建立恒功率曲線,馬達(dá)在相同額定壓力下,具有更大的輸出扭矩,最大輸出扭矩可達(dá)10 000 Nm,大于仿真得出的最大阻力矩,保證螺旋在1.2 m高度大豆覆蓋下可靜態(tài)啟動(dòng)。

3.2.3 泵站設(shè)計(jì)更合理

原智能螺旋清倉(cāng)機(jī)的泵站采用常規(guī)設(shè)計(jì),未充分考慮筒倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的使用環(huán)境。優(yōu)化后,泵站采用全包圍設(shè)計(jì),可防雨、防墜物,并對(duì)液壓系統(tǒng)所有元件進(jìn)行保護(hù);油管接口整齊布置在泵站一側(cè),方便液壓油管整體布置。

4 結(jié)語(yǔ)

全液壓智能螺旋清倉(cāng)機(jī)可有效降低企業(yè)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本和人力成本,實(shí)現(xiàn)安全、綠色、智能、高效、可靠的清倉(cāng)作業(yè),進(jìn)一步提升糧食儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)效率和儲(chǔ)運(yùn)能力,對(duì)推動(dòng)筒倉(cāng)裝卸技術(shù)及裝備產(chǎn)業(yè)升級(jí)有著積極的促進(jìn)作用,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。