大型储煤筒仓的结构改进及清仓破拱设备的参数计算

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煤炭的储存是生产环节中的重要一环，储煤仓则是储运环节中的重要建筑。目前煤矿上常用的储煤建筑有大型球形储煤仓、条形储煤棚和圆柱形锥底筒仓。笔者分析了圆柱形锥底筒仓在实际应用中的缺点，提出了平底筒仓和清仓破拱设备，可实现绿色高效存储。

1 圆柱形锥底筒仓

目前煤矿上常用的煤炭存储建筑为圆柱形锥底筒仓，其内部结构如图 1 所示。由图 1 可知，该筒仓底部为倒锥体结构，落煤口处于锥体的最低处。需要卸载煤炭时打开落煤口处闸板卸煤装车。该圆柱形锥底仓有以下缺点：由于只有锥体角度大于煤炭安息角，煤炭才能顺利地从锥壁上滑落，这就意味着在锥壁与仓壁夹角一定的情况下，锥体的高度会随着筒仓直径的增加而增加，从而占用仓体容积。

目前，国内最大的圆柱形锥底筒仓容积为 4 万m3，煤炭装载率约为 70%。该类型筒仓不仅占地面积大，建造成本也高。

图1 圆柱形锥底筒仓内部结构示意Fig.1 Structural sketch of interior of cylindrical cone-bottom silo

2 圆柱形平底筒仓

根据上述圆柱形锥底筒仓存在的不足，提出一种新型圆柱形平底筒仓，筒仓下部结构如图 2 所示。

图2 圆柱形平底筒仓下部结构示意Fig.2 Structural sketch of under part of cylindrical flat-bottom silo

根据图 2 可知，该新型平底筒仓底部为平面，仓底布置若干条形落煤口，在底部仓壁周围加了一圈环形保护檐，保护檐下面不会落煤，可以用于人工观察、检修以及存放机械设备等。需要卸煤的时候，打开落煤口下面的闸板，煤炭则在自身重力作用下从落煤口落下并装车。

该平底仓也存在 2 个问题：(1) 因煤炭之间的摩擦力作用，很容易在落煤口处结拱，影响正常的卸煤，且结拱煤长期存在易发生自燃；(2) 当仓内煤炭卸完后，落煤口旁边的煤以一定安息角静置在落煤口附近，如图 2 中虚线区域的煤炭，称之为仓内死煤，这部分煤炭不清理掉也存在安全隐患。因此需要一套机械设备来破除煤炭结拱以及清空筒仓。

3 筒仓内清仓破拱设备

3.1 清仓破拱设备结构及工作原理

图3 为清仓破拱设备在平底筒仓底部的安装图，该清仓破拱设备主要由 3 个部分组成：环形保护檐下面的设备驱动部分，落煤口上方的螺旋杆，筒仓中心处的中心回转装置。

图3 清仓破拱设备仓内安装示意Fig.3 Installation sketch of arch-breaking clearance equipment in silo

图4 为清仓破拱设备的俯视图。由图 4 可知，该设备主要由自转驱动电动机、螺旋杆、轴承座等组成的自转机构，以及回转驱动电动机、主动轮、从动轮、环形轨道等组成的回转机构构成。其中自转驱动电动机和回转机构均安装在筒仓内环形保护檐下，环形轨道绕筒仓布置一圈，用于车轮的行走。位于筒仓中心的中心回转装置不仅为螺旋杆提供支撑，同时也支持螺旋杆的自转和回转功能。

图4 清仓破拱设备俯视图Fig.4 Top view of arch-breaking clearance equipment

筒仓需要卸煤时，先开启底部闸板，煤炭在自身重力下从落煤口卸煤，并在落煤口结拱。需要清仓时，启动清仓破拱设备的自转功能，自转驱动电动机带动螺旋杆旋转，煤炭在螺旋推力作用下向筒仓中心运动进入落煤口，达到破拱和清空筒仓的目的。

螺旋杆需要清理筒仓整个圆面上的煤炭，这就要求螺旋杆能够像时针一样绕筒仓中心回转起来。螺旋杆的回转运动通过回转驱动电动机来实现，回转驱动电动机驱动主动轮、从动轮在环形轨道上作圆周运动，同时也带动自转电动机以及螺旋杆共同绕筒仓中心作圆周运动，以便对整个筒仓进行清理。

3.2 圆柱形平底筒仓及清仓破拱设备的优势

相比圆柱形锥底筒仓，圆柱形平底筒仓及清仓破拱设备的优势有以下几个方面：

(1) 圆柱形平底筒仓去掉了底部锥体结构，解除了筒仓直径的设计限制，筒仓的有效仓容提高，可以设计到 10 万 m3以上，是锥底仓的几倍甚至是几十倍。此外，它的装载率能达到 95% 以上，因此平底筒仓更适合大型煤炭存储。

(2) 圆柱形平底筒仓建筑占地面积小，建造成本及建造难度低。

(3) 清仓破拱设备在大型平底筒仓内用于清空筒仓和破除结拱。除驱动部分外，清仓破损设备的其余部分几乎全部由钢板焊接或螺旋连接而成，具有结构简单、操作方便、故障率低及制作安装成本低等特点。

4 清仓破拱设备的设计及应用

已知圆柱形平底储煤筒仓直径 40 m、高度 40 m，清仓破拱设备输送能力Q=600 t/h，煤炭密度ρ=0.8 t/m3，煤炭安息角φ=45°，对清仓破拱设备进行设计计算。

4.1 清仓破拱设备中螺旋直径、螺距、螺旋轴转速的设计计算

清仓破拱设备通过螺旋杆自转与回转对仓内煤炭进行输送，因此可将清仓破拱设备看做开式螺旋输送机。计算时相关参数可参照《运输机械设计选用手册》[1]第十五章《螺旋输送机》计算公式进行计算。

4.1.1 螺旋直径

螺旋直径

式中：N为煤炭特性系数；ψ为填充系数；M为倾角系数。

其中，输送能力Q根据煤矿自身的输送量决定；煤炭特性系数N、填充系数ψ以及倾角系数M可根据矿井自身产出煤炭的参数，对照《运输机械设计选用手册》第十五章《螺旋输送机》表 15-1 常用物料的填充、特性、综合系数，以及表 15-2 倾角系数表进行取值。螺旋直径D的计算结果需要圆整。

假设筒仓内煤为无磨琢性或半磨琢性小块煤，根据表 15-1 以及表 15-2，取填充系数ψ=0.30，特性系数N=0.053 7，输送机布置倾斜角为 0°，倾角系数M=1.0，可求出该螺旋直径

圆整后取螺旋直径D=1.3 m。

4.1.2 螺距

螺距的大小对煤炭的输送过程产生直接影响。对于螺距的计算可采用经验公式

对于水平布置、输送流动性好和磨琢性小的煤炭，可取S=D；对于倾斜布置、输送流动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 螺旋轴转速

在满足输送能力的条件下，螺旋轴转速不宜过高，以免煤炭所受切向力较大而降低输送量，以及缩短螺旋杆的使用寿命；因此，螺旋轴的转速不能超过限值。螺旋轴转速限值

式中：A为表示煤炭综合系数。

根据矿井实际产出煤炭的参数，对照《运输机械设计选用手册》第十五章《螺旋输送机》表 15-1，取A=40，则

因螺旋输送设备螺旋轴直径较大，螺旋轴转速在满足输送能力的条件下不宜过高，以免煤炭受过大的切向力而被抛起。在输送能力满足要求的前提下，选择较低转速，取n=25 r/min。

4.1.4 校核填充系数

用螺旋直径D及螺旋轴转速n圆整后的数值对填充系数进行验算。根据

求出的填充系数ψ，对照表 15-1，若在推荐数值范围内，说明圆整值D及n适当；若ψ值高于表 15-1 中数值上限，则应加大螺旋直径；若ψ值低于表 15-1中数值下限，则应降低螺旋轴转速。

将上述数据代入上式，得

查表 15-1 可知道填充系数ψ的取值范围为 0.25～0.35，计算结果满足要求。

4.2 满仓状态下煤炭压实清仓破拱设备后的压力计算

满仓后煤炭对螺旋杆有垂直方向的压力。根据GB 50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计规范》中煤炭对仓底的静压力计算公式，可得出煤炭作用在螺旋杆上的压力Fy。

满仓状态下螺旋杆的垂直方向压力

其中

式中：σ y为螺旋杆垂直方向单位面积上的静压力；Ay为螺旋杆垂直方向的投影面积；g为重力加速度；l为螺旋杆长度，约等于筒仓的半径，即l=20 m；R为螺旋杆的水力半径；K为侧压系数；f为侧压力系数；C为螺旋输送设备受力投影面周长。

代入数值后得到

螺旋杆垂直方向静压力

根据螺旋杆在仓内所受载荷等数据，结合筒仓根据实际情况计算出自转、公转电动机的功率，进行选型，继而完成开式螺旋输送设备的结构设计。

4.3 清仓破拱设备的维护

清仓破拱设备中需要维护的部分是驱动部分的自转、回转电动机以及中心回转装置中的回转轴承和滑动轴承。电动机的维护较为简单，其位于环形保护檐下，而环形保护檐作为一个独立的储物空间与仓外是相通，工作人员可定期进入保护檐内对电动机进行维修保养。自转轴承与回转支承等部件需要定期注油、检修等人工操作。中心回转装置位于筒仓中心，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，操作工可由中心柱底部进入并到达检修孔，实现轴承注油等操作。

4.4 关于圆柱形平底筒仓的设计概述

圆柱形平底筒仓外部为一圆柱体结构，内部为一圆柱体储物空间用于存储煤炭，仓底为平底，仓底上方有一个环形保护檐，保护檐和仓壁为一体式设计。仓壁、环形保护檐以及仓底均为钢筋混凝土结构；仓体底部均匀布置若干条通长的条形落煤口，落煤口的宽度应大于螺旋杆的螺距。

圆柱形平底筒仓的相关参数及设计，可根据国家标准 GB 50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计规范》的相关内容进行设计计算。

5 结语

圆柱形平底筒仓以及仓内清仓破拱设备均为首次提出，在国内尚无应用，相关结构已申请并获得国家专利。大型平底筒仓及开式螺旋输送设备的运用在未来矿井建设中不仅可以实现煤炭的绿色高效存储，而且在煤炭储运环节中可大大提高煤炭的物流质量，在相关行业中极具推广价值。另外，文中给出的清仓破拱设备的参数计算，可为不同直径和不同出煤能力的平底筒仓中清仓破拱设备的设计提供参考。