筒仓内开式螺旋输送设备中心回转装置的设计

晋城金鼎锅炉有限公司 山西晋城 048000

圆 柱形锥底筒仓为目前煤矿上常用的储煤建筑，由于这种筒仓椎体结构的局限性，不仅使筒仓容积受到限制，而且底部椎体占用了很大一部分仓内容积。根据调研，国内最大的锥底筒仓容积为 4万 m3，装载率约为 70%。而平底筒仓是一种新型储煤建筑，其容积可达 10 万 m3以上，装载率可达 95% 以上，所以相较锥底仓，它更适合大型煤炭存储。但平底筒仓会面临两大问题：一是煤炭在仓底卸煤口结拱问题；二是不在卸煤口处的煤将无法被清空。这时就需要一套机械设备破除煤炭结拱，清空筒仓，因而笔者设计了开式螺旋输送设备，而中心回转装置则是开式螺旋输送设备的核心部件。

1 开式螺旋输送机及中心回转装置结构

图1 筒仓内开式螺旋输送设备结构示意Fig.1 Structure sketch of open screw conveyor in silo

图1 所示为开式螺旋输送设备结构示意，它安装在大型平底筒仓底部。筒仓保护檐下是设备的驱动部分，主要由自转电动机和公转电动机等构成；卸煤口的上方是设备的螺旋杆；筒仓的中心是设备的中心回转装置。当筒仓需要卸煤时，先开启卸煤口下煤闸板，煤炭在自身重力下卸走一部分，当煤炭起拱或者需要清空筒仓时，开启螺旋输送设备驱动部分的自转电动机，它带动螺旋杆运转，煤炭在螺旋推力作用下从螺旋处沿切线方向向筒仓中心运动，到达卸煤口处落下卸走。当然，螺旋杆不可能只在仓底的一条直线上工作，它需要照顾到筒仓内整个圆形地面，这就要求螺旋杆绕着筒仓中心做公转运动。螺旋杆的公转运动是通过驱动部分的公转电动机来完成的，公转电动机带动螺旋杆绕筒仓中心作圆周运动，从而达到破除煤炭结拱、清空筒仓的目的。

中心回转装置是开式螺旋输送设备的核心部件，由滑动轴承座、中心柱、中心柱套筒、轴承支撑板、回转支承、伞形保护帽和支撑 H 型钢等组成，如图2 所示。开式螺旋输送设备的螺旋杆与滑动轴承座连接，用于提供螺旋杆的自转运动；公转回转支承的外圈与滑动轴承座连接，用于提供螺旋杆的公转运动；回转支承内圈与中心柱螺栓连接，中心柱与伞形保护帽焊接，伞形保护帽的作用是防止煤炭落入回转区域；中心柱是由钢板卷制而成的筒体，在中心柱某处开一检修孔，人即可从中心柱底部钻入中心柱内部，对轴承等部件进行注油检修等操作；支撑 H 型钢位于中心回转装置底部，用于承载中心回转装置及其上方煤炭的载荷。

图2 中心回转装置结构示意Fig.2 Structure sketch of center swing device

2 中心回转装置的特点

中心回转装置除了能够实现螺旋杆自转与公转功能以外，还具有以下特点：

(1)由于中心回转装置安装在平底筒仓底部，当仓内物料为煤炭时，容易造成瓦斯气堆积，形成“巨型煤气罐”，遇到明火易燃烧甚至爆炸。而本结构中心柱与检修孔的巧妙结合可解决上述问题。在中心柱底部，即落煤坑下部布置一氮气充气装置，连接一氮气管至检修孔处，在筒仓内安装瓦斯传感器，当瓦斯浓度超标时充入氮气来驱赶瓦斯，直至瓦斯气达标。

(2)由于中心回转装置位于筒仓中心，储煤仓四周几乎完全封闭，而自转支撑轴承与公转回转支承等部件需要定期注油、检修等，且需人工进入进行操作。本中心回转装置中心柱是由钢板卷制而成的筒体，可在筒体内部焊接爬梯，并在筒体一处开检修孔，操作工可在中心柱底部进入到检修孔，完成轴承注油等操作，保证螺旋杆长期稳定地进行自转和公转运动。

(3)中心回转装置各部件均采用螺栓连接，拆装方便，操作简单。若螺旋出煤装置遇重大损坏或到更换周期需要更换时，先对筒仓进行清空处理，人进入筒仓内部，只需将滑动轴承座与轴承座支撑板连接螺栓拆除，即可将螺旋杆从筒仓拖出；若伞形保护帽或公转回转支承损坏，只需拆除相应连接螺栓即可。

3 中心回转装置主要部件的选型、设计和计算

3.1 伞形保护帽的设计

伞形保护帽是由钢板卷制而成的圆锥体，主要作用是防止煤炭落入回转区域内影响设备运转，所以在设计时应保证离保护帽端部最近的回转部件和保护帽端部的连线与水平方向夹角α大于煤炭的安息角φ，即α＞φ，由此可确定底面圆的直径。另外圆锥体斜面与水平方向的夹角β也应该大于煤炭的安息角φ，即β＞φ，由此可确定圆锥体的高度。综合以上数据即可得出圆锥体的下料尺寸。

因长期储存煤炭，伞形保护帽的钢板应具有耐腐蚀、高强度等特性，所以应选用高强度耐候板。

3.2 回转支承的选型

回转支承属于座式安装，主要受到来自滑动轴承座的压力，方向垂直向下，因此只需计算出回转支承对滑动轴承支反力Fb以及偏载距离s这 2 个数据，参照相关选型手册即可选出回转支承相应型号。

回转支承对滑动轴承座的支反力Fb主要来自于螺旋杆压力。因螺旋杆在筒仓底部处于垂直方向受力平衡状态，可将螺旋杆看做一简支梁，梁一端位于仓壁一侧，设为A点，支反力为Fa；梁另一端在滑动轴承处，设为B点，支反力为Fb。梁在筒仓内受均布载荷P，载荷长度为b，螺旋杆受力示意如图 3 所示。

根据平衡方程[1]可列出支撑轴承轴向支反力

图3 螺旋杆受力示意Fig.3 Force sketch of auger

如图 4 所示，偏载距离s是回转支承的中心到回转支撑受力点的距离，回转支撑受力点为滑动轴承座轴向支反力Fb的受力点B点，假设回转中心点为C，则BC间的距离就是偏载距离s。

图4 偏载距离示意Fig.4 Sketch of eccentric load distance

设计s时可根据实际情况拟定：s数值越小，伞形保护帽体积越小，公转回转越稳定。所以，一般在不影响正常运转情况下s数值越小越好。

3.3 支撑 H 型钢的选型

因 H 型钢不论是承受弯曲力矩、压力负荷和偏心负荷都具有优越性能，较其他类型型钢具有更高的承载能力，所以使用 H 型钢作为支撑。H 型钢在选型时主要看型钢上垂直方向的载荷，H 型钢上方的载荷主要包括两部分：一是自转支撑轴承在垂直方向上的载荷；二是来自于伞形保护帽上方煤炭的压力。

伞形保护帽上的压力来自于仓内煤炭的重力，计算载荷时可看作煤炭对伞形保护帽垂直投影面上的重力。理论上满仓状态下对伞形保护帽的压力最大，设伞形保护帽底面直径为d，满仓时垂直方向压力

式中：σ y为伞形保护帽垂直方向单位面积上的静压力，N；Ay为伞形保护帽垂直方向投影面积，m2；g为重力加速度，kg/m3。

根据《钢筋混凝土筒仓设计规范》煤炭对仓底煤闸门的静压力公式，可得出伞形保护帽垂直方向单位面积上的静压力[2]

其中

式中：R为伞形保护帽的水力半径，m；C为伞形保护帽底面圆周长，C=πd；ρ为煤炭的密度，kg/m3；K为压力系数；f为安息角系数，f=tanφ；φ为煤炭安息角，(°)。

综合以上数据可以得出满仓时伞形保护帽垂直方向压力

通过Fb与F求出 H 型钢在垂直方向上的合力，可为 H 型钢选型提供参考。

4 结语

该开式螺旋输送设备以及其核心部件中心回转装置，可用于大型平底筒仓底部，实现仓内煤炭输出及清仓破拱等作用，此装置现已申请并获得相关专利。大型平底筒仓及开式螺旋输送设备的运用，将会在煤炭储运环节中实现节能减排，绿色环保，而且大大提高煤炭的物流质量，具有推广应用价值。