立筒仓的研究及虚拟设计

（江西省农业机械研究所，江西南昌330044）

立筒仓是用来存储、输送及处理各类散装物料的基本设备，随着社会的发展，大规模的生产业需要大规模的立筒仓，因此立筒仓的合理研究设计和应用对企业安全连续生产、改善劳动强度起着极为重要的作用。设计立筒仓应满足存储物料的容量、具有足够的强度、卸料顺畅等功能，而立筒仓形式可以分为波纹板拼装式立筒仓和螺旋卷边式立筒仓两种[1-2]。根据客户武汉温氏提供容量及要求，本文研究的螺旋卷边式立筒仓，主要是因为它结构简单，可现场施工及施工周期短，施工工艺过程中采用螺旋提升式安装等优点。

1 立筒仓的组成及工艺过程

立筒仓主要由仓顶、仓壁、仓底及支撑结构等组成，根据武汉温氏的需求及结合江西省农业机械研究所实际设计情况对立筒仓进行分析并设计立筒仓的外形尺寸为ø10 m×H17 m施工方案如图1，施工过程中采用2、2.5、3 mm厚，宽495 mm的镀锌卷板经过成型机和卷边机绞边后组成立筒仓侧壁并形成连续环绕（30～40 mm）的螺旋凸条，这些螺旋凸条在结构上起到加强立筒仓的强度，卷板的成型外形如图2所示，设计这种形状是因为在成型加工过程中可保证密封性和结构强度，并用6.3#、8#、10#、12#槽钢按照一定顺序进行侧壁环向的加固和支撑，镀锌卷板与槽钢之间的联接是通过人工焊接完成。施工过程中我们采用先进的成型机和卷边机相互组合对镀锌钢板进行绞边成型组成螺旋形立筒仓，成型机及卷边机如图3所示，而立筒仓的特点是物料从上部进入，下部卸料，加上螺旋卷边式立筒仓的特性及装载物料时承受压力的情况来确定镀锌钢板厚度及槽钢的型号。

图1 立筒仓施工方案

图2 卷板成型截面尺寸

2 立筒仓的荷载分析

图3 成型机和卷边机施工过程

立筒仓所受的荷载主要有永久载荷和可变载荷，永久载荷包括立筒仓结构自重和固定设备重量，可变载荷有储料荷载、风荷载及雪荷载等[1]，而设计过程中需要考虑作用于底部和筒仓侧壁的压力，加上一般单位及企业设计立筒仓受力分析一般是借助经验，这样会导致材料的浪费或立筒仓出现负面影响而破坏结构性能。当物料连续进入时，立筒仓的底部受到的力逐渐增大，而侧壁受力由下向上成线性递减，因此在设计时根据立筒仓受力情况选择不同型号的卷边镀锌钢板和槽钢进行组合，组成立筒仓的侧壁，而立筒仓在物料加入时，物料加入的重力公式为（1），随着物料的加入侧壁受到的压力越来越大，槽钢和卷边镀锌钢板的受力可以看成是线性压力，而卷边镀锌钢板厚度t与立筒仓直径D相比（3∶10 000），槽钢主要是加劲作用，因此立筒仓看成是薄壁结构，既立筒仓受到的内力有薄壁内力和弯曲内力，它们的受力如图4所示，Pn表示承受的压力，Pf为流动时产生的摩擦力，PG为物料的重力，其公式表示成（1）式所示。

图4 立筒仓的受力分析

式中：PG——物料重力；

R——立筒仓半径；

h——物料的高度。

重力是由物体自身受地球引力而产生的，而侧压力是物料在重力作用下相互挤压所致，物料对立筒仓任一高度截面的作用力可分为垂直立筒仓仓壁的水平压力、立筒仓仓壁表面上的竖向摩擦力及立筒仓仓顶的吊顶压力，根据Janssen理论知它们在立筒仓深度h处静压时的水平压力和竖向摩擦力的计算公式[6-9]如下：

式中：γ——物料的重力密度；

ρ——筒仓水平截面的水力半径；

μ——物料对仓壁的摩擦系数；

μ——侧压力系数。

物料在卸载过程中除了考虑这几种力之外还需要考虑卸料时的动载荷及季节性风速的影响。

3 立筒仓结构的虚拟设计

虚拟设计是科技发展产生的设计手段，是借助于电脑及设计软件在电脑上完成，不用生产实际产品就可以把产品的性能及结构外形表现出来，可节省产品试验的费用。把虚拟设计应用在立筒仓上，主要是把立筒仓的结构及力学性能表现出来，提高设计水平及产品质量。设计过程中要对立筒仓结构进行分析，根据立筒仓结构及组成，运用三维软件对立筒仓主要零部件进行参数化建模，具体如图5所示。

图5 立筒仓部件设计及装配安装

把设计好的零部件模型通过装配体，按照配合要求及约束条件组装各部件将其按从上到下的顺序装配起来如图5所示，在装配体中还可以对设计的零部件进行干涉检查，保证零部件之间无干扰和重叠现象以便在设计过程中可以对模型进行修改，直到设计效果达到最佳。

4 结论

本文是根据武汉温氏客户储存物料的需求，在确保容积和物料流畅及安全的基础上，结合工程规模选择材料、确定结构模式及制造工艺，在同等条件下采用虚拟设计，使得立筒仓设计结构合理，减少开发产品周期和成本，整个过程连续有序，发挥立筒仓的最佳性能，同时也使得立筒仓向系列化、通用化方向发展，逐步成为粮食饲料工业中可直接选用定型配套设备。

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