圓形筒倉物料板結(jié)形成及破除研究

徐 靜

(邁安德集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

鑒于現(xiàn)在人力資源和土地資源越來越趨于緊張，目前原糧、豆粕等物料通常多被置于立式筒倉中用于中轉(zhuǎn)儲存。因此，中轉(zhuǎn)倉、儲備倉或散粕倉系統(tǒng)要求具備容量大、自動化程度高、安全隱患低和運(yùn)營成本低等特性。倉容越大，儲存時間越長，物料在存儲過程中出現(xiàn)板結(jié)的幾率越高。對于流動性比較好的物料，如大豆、玉米、油菜籽、稻谷等，出倉時，這些物料首先通過中心下料孔以及軸線上的多下料孔自流出倉；自流完畢后，由于物料的休止角，倉內(nèi)遠(yuǎn)離下料口處有較多余料，這種情況下物料板結(jié)輕微或不板結(jié)，使用清倉設(shè)備即可，如清倉機(jī)[1]。對于流動性比較差的物料，如豆粕、菜籽粕等，物料在倉內(nèi)極易板結(jié)、起拱與搭橋，無法通過自流出料，所有出倉、倒倉工作均需通過出倉設(shè)備(如出倉機(jī))才能順利出料。

我國目前針對流動性差的物料倉儲出倉系統(tǒng)采用出倉機(jī)。出倉機(jī)絕大部分都是進(jìn)口設(shè)備，能在物料一定板結(jié)狀態(tài)下進(jìn)行工作，故障率較低，但投資非常大、能耗高；清倉機(jī)大部分是國內(nèi)設(shè)備，投資相對便宜。但即使是流動性好的物料，在一定情況下也會板結(jié)，這種情況下清倉機(jī)就很難正常工作。

鑒于以上情況，我們研制了針對流動性差、易板結(jié)的物料或者流動性好、但在一定情況下也會板結(jié)的物料的大型全自動清倉機(jī)，可以較大程度的破除各類物料板結(jié)，成本也比進(jìn)口的出倉設(shè)備降低了40%～50%；其操作、故障風(fēng)險的控制等都集成于PLC中，自動化程度高，維護(hù)成本低。

1 物料的板結(jié)形成過程

以原糧大豆為例，存儲在倉內(nèi)7～15 d不流動會產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象，自流倒倉可以解決一部分物料不板結(jié)，但解決不了所有物料板結(jié)現(xiàn)象[2]。較小的筒倉，物料一般由筒倉頂部中心的入口輸入筒倉，大豆垂直下落，在倉底的中心位置開始形成圓錐形堆積。小倉板結(jié)多出現(xiàn)在側(cè)壁，見圖1。

圖1 筒倉從進(jìn)糧到出糧的過程

較大的倉，會采用倉中心和兩側(cè)同時進(jìn)料，大豆中混入的雜質(zhì)和粉塵與飛濺出的物料在倉底各處散落，隨著大豆不斷的進(jìn)入筒倉，以及雜質(zhì)和粉塵的自動分級，倉底面上堆積的雜質(zhì)和粉塵會增多，形成一層由大豆、粉塵和雜質(zhì)混合形成的雜質(zhì)層，直至整個底面被大豆鋪滿。這個雜質(zhì)層，如果不能定期清理，經(jīng)過一段時間后，由于水分、壓力、溫度等因素的作用，可能變硬，板結(jié)，很難清除和破除；大倉的板結(jié)出現(xiàn)的位置會更廣。粕及其它物料板結(jié)過程與此類似。

2 物料對設(shè)備的作用力分析

物料在倉中堆積的過程中，主要對設(shè)備形成3種力：物料的重力、物料的摩擦力和物料的結(jié)合力。目前物料出倉的設(shè)備主要為螺旋清倉機(jī)。

物料的重力：物料的重力隨著物料進(jìn)入筒倉高度的變化而變化，但不是一味的疊加。當(dāng)物料進(jìn)滿整個倉時，出料設(shè)備絕大部分是被物料掩埋的,此時設(shè)備啟動運(yùn)行會受到物料自重產(chǎn)生的載荷；倉內(nèi)物料自重產(chǎn)生的負(fù)載，對倉的底部設(shè)備和倉側(cè)壁產(chǎn)生作用力。

物料的摩擦力：底部設(shè)備在輸送物料過程中，物料與設(shè)備，物料與物料，物料和倉壁及底部都會產(chǎn)生摩擦力。物料與設(shè)備的摩擦系數(shù)正常情況下為0.57～1.00，特殊情況具體分析。

物料的結(jié)合力：由于物料含水、灰塵、油，并帶有一定溫度等特性，進(jìn)倉一段時間后會造成物料的板結(jié)，結(jié)拱，產(chǎn)生這些現(xiàn)象的力為物料間的結(jié)合力，最終這種力傳遞到設(shè)備上。

物料板結(jié)產(chǎn)生的結(jié)合力危害最大，主要為：結(jié)合力在不同的工況狀態(tài)下是不斷變化的，而且力的大小會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過物料重力和摩擦力。目前還沒有對粉狀物料或顆粒物料精確的數(shù)字模型來表達(dá)物料之間的作用力變化，但根據(jù)模擬仿真和實際使用經(jīng)驗結(jié)合，基本可以確定豆粕之間的結(jié)合力和儲存時間、存儲溫度、顆粒大小、殘余油脂量、結(jié)合水含量有關(guān)，見圖2。儲存時間越長、存儲溫度越高、顆粒大小越小、殘余油脂量越大、結(jié)合水含量越大,結(jié)合力就越大，物料結(jié)塊后強(qiáng)度越高，出倉設(shè)備的負(fù)載也越大。

圖2 儲存時間、水分等與物料結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系圖

3 設(shè)備破除物料板結(jié)時其板結(jié)力的變化

板結(jié)時的物料結(jié)合力是一個復(fù)雜的力，產(chǎn)生板結(jié)的物質(zhì)不同，其力的大小也會有差別，我們需要加入一個經(jīng)驗值。這個經(jīng)驗值的來源與大量倉儲實際物料情況、物料存放的時間和倒倉或出料時的實際消耗功率相關(guān)，如圖3所示,橫軸t代表時間,縱軸M為扭矩,σ代表板結(jié)強(qiáng)度。

圖3 板結(jié)塊強(qiáng)度變化曲線

當(dāng)物料受到出倉設(shè)備作用時，板結(jié)也是隨著作用力的變化而變化，這種變化會反映在螺旋清倉機(jī)的減速機(jī)和電機(jī)上，可以通過電機(jī)電流變化，受力的變化，反推出物料破裂分離的板結(jié)強(qiáng)度變化。

開始時，板結(jié)料會在螺旋清倉機(jī)的擠壓下，結(jié)合強(qiáng)度增加，減速機(jī)的扭矩也會增加，從O點到A點，再到達(dá)破板結(jié)峰值時B點，曲線迅速上揚(yáng)，板結(jié)破裂；過B點后，物料慢慢松散，強(qiáng)度下降，驅(qū)動力下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)D點時驅(qū)動力基本不再變化，達(dá)到正常運(yùn)行點。在破除板結(jié)時，螺旋清倉機(jī)的正反轉(zhuǎn)(點動)至關(guān)重要，來回的作用力可以有效破除類似混泥土樣式的結(jié)塊，加快板結(jié)破裂,保護(hù)了設(shè)備。

4 破除板結(jié)的設(shè)備結(jié)構(gòu)

螺旋葉片是清倉機(jī)受力的源頭，也是最核心部件之一。無論是哪種類型的清倉設(shè)備，螺旋軸結(jié)構(gòu)基本類似，螺旋葉片焊接在軸上，螺旋葉片外側(cè)鑲有刀片。不同物料對應(yīng)刀片的結(jié)構(gòu)形式也有不同，目前主要有齒式葉片和整體葉片2種，見圖4，以提高螺旋清倉機(jī)的破板結(jié)能力，減少啟動阻力和運(yùn)行阻力。

刀片的設(shè)計對破拱效果有非常大的影響，刀片的形狀要根據(jù)螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和受力模擬得出，破除顆粒物料之間的力，刀片的形式一般選擇尖角形，物料不易被破碎；流動性差的粕類，板結(jié)后的特性類似于水泥，它就需要選擇整體刮刀形式去破除板結(jié)。

(a)齒形刀片

螺旋清倉機(jī)工作時，刀片先與物料接觸，因此刀片的材質(zhì)應(yīng)選用耐磨白口鑄鐵，以增加耐磨性和使用壽命，即使磨損了，也方便更換，以此來保護(hù)螺旋輸送機(jī)葉片。

5 小結(jié)

(1)不同的物料板結(jié)，大部分都可以用螺旋出倉機(jī)來解決。

(2)不同的物料在不同的狀態(tài)下，產(chǎn)生板結(jié)的時間不一樣，設(shè)定設(shè)備主動開啟時間和倒倉周期也不同。

(3)倒倉時采用小產(chǎn)量，出倉時采用大產(chǎn)量。

(4)粉狀物料破板結(jié)采用整體刀片，顆狀物料破板結(jié)采用齒形刀片。

(5)自動破除板結(jié)，無需人員進(jìn)入倉內(nèi)進(jìn)行操作，減少了人工成本和人工安全風(fēng)險成本。