大型儲煤筒倉的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及清倉破拱設(shè)備的參數(shù)計(jì)算

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

1 圓柱形錐底筒倉

目前煤礦上常用的煤炭存儲建筑為圓柱形錐底筒倉，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。由圖 1 可知，該筒倉底部為倒錐體結(jié)構(gòu)，落煤口處于錐體的最低處。需要卸載煤炭時(shí)打開落煤口處閘板卸煤裝車。該圓柱形錐底倉有以下缺點(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壁夾角一定的情況下，錐體的高度會隨著筒倉直徑的增加而增加，從而占用倉體容積。

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

圖1 圓柱形錐底筒倉內(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

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

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

根據(jù)圖 2 可知，該新型平底筒倉底部為平面，倉底布置若干條形落煤口，在底部倉壁周圍加了一圈環(huán)形保護(hù)檐，保護(hù)檐下面不會落煤，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。

該平底倉也存在 2 個(gè)問題：(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)拱煤長期存在易發(fā)生自燃；(2) 當(dāng)倉內(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)備來破除煤炭結(jié)拱以及清空筒倉。

3 筒倉內(nèi)清倉破拱設(shè)備

3.1 清倉破拱設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3 為清倉破拱設(shè)備在平底筒倉底部的安裝圖，該清倉破拱設(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)動部分，落煤口上方的螺旋桿，筒倉中心處的中心回轉(zhuǎn)裝置。

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

圖4 為清倉破拱設(shè)備的俯視圖。由圖 4 可知，該設(shè)備主要由自轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(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)動電動機(jī)、主動輪、從動輪、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)動電動機(jī)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均安裝在筒倉內(nèi)環(huán)形保護(hù)檐下，環(huán)形軌道繞筒倉布置一圈，用于車輪的行走。位于筒倉中心的中心回轉(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 清倉破拱設(shè)備俯視圖Fig.4 Top view of arch-breaking clearance equipment

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

螺旋桿需要清理筒倉整個(gè)圓面上的煤炭，這就要求螺旋桿能夠像時(shí)針一樣繞筒倉中心回轉(zhuǎn)起來。螺旋桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動主動輪、從動輪在環(huán)形軌道上作圓周運(yùn)動，同時(shí)也帶動自轉(zhuǎn)電動機(jī)以及螺旋桿共同繞筒倉中心作圓周運(yùn)動，以便對整個(gè)筒倉進(jìn)行清理。

3.2 圓柱形平底筒倉及清倉破拱設(shè)備的優(yōu)勢

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

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

(2) 圓柱形平底筒倉建筑占地面積小，建造成本及建造難度低。

(3) 清倉破拱設(shè)備在大型平底筒倉內(nèi)用于清空筒倉和破除結(jié)拱。除驅(qū)動部分外，清倉破損設(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)簡單、操作方便、故障率低及制作安裝成本低等特點(diǎn)。

4 清倉破拱設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

已知圓柱形平底儲煤筒倉直徑 40 m、高度 40 m，清倉破拱設(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°，對清倉破拱設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

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

清倉破拱設(shè)備通過螺旋桿自轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)對倉內(nèi)煤炭進(jìn)行輸送，因此可將清倉破拱設(shè)備看做開式螺旋輸送機(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》[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)，對照《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊》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)筒倉內(nèi)煤為無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

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

對于水平布置、輸送流動性好和磨琢性小的煤炭，可取S=D；對于傾斜布置、輸送流動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)，對照《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊》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高，以免煤炭受過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)值對填充系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)

求出的填充系數(shù)ψ，對照表 15-1，若在推薦數(shù)值范圍內(nèi)，說明圓整值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 滿倉狀態(tài)下煤炭壓實(shí)清倉破拱設(shè)備后的壓力計(jì)算

滿倉后煤炭對螺旋桿有垂直方向的壓力。根據(jù)GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》中煤炭對倉底的靜壓力計(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為螺旋桿長度，約等于筒倉的半徑，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。

代入數(shù)值后得到

螺旋桿垂直方向靜壓力

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

4.3 清倉破拱設(shè)備的維護(hù)

清倉破拱設(shè)備中需要維護(hù)的部分是驅(qū)動部分的自轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)電動機(jī)以及中心回轉(zhuǎn)裝置中的回轉(zhuǎn)軸承和滑動軸承。電動機(jī)的維護(hù)較為簡單，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)立的儲物空間與倉外是相通，工作人員可定期進(jìn)入保護(hù)檐內(nèi)對電動機(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)于圓柱形平底筒倉的設(shè)計(jì)概述

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

圓柱形平底筒倉的相關(guān)參數(shù)及設(shè)計(jì)，可根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設(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

圓柱形平底筒倉以及倉內(nèi)清倉破拱設(shè)備均為首次提出，在國內(nèi)尚無應(yīng)用，相關(guān)結(jié)構(gòu)已申請并獲得國家專利。大型平底筒倉及開式螺旋輸送設(shè)備的運(yùn)用在未來礦井建設(shè)中不僅可以實(shí)現(xiàn)煤炭的綠色高效存儲，而且在煤炭儲運(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中清倉破拱設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。