圆形筒仓物料板结形成及破除研究

徐 静

(迈安德集团有限公司，江苏 扬州 225127)

鉴于现在人力资源和土地资源越来越趋于紧张，目前原粮、豆粕等物料通常多被置于立式筒仓中用于中转储存。因此，中转仓、储备仓或散粕仓系统要求具备容量大、自动化程度高、安全隐患低和运营成本低等特性。仓容越大，储存时间越长，物料在存储过程中出现板结的几率越高。对于流动性比较好的物料，如大豆、玉米、油菜籽、稻谷等，出仓时，这些物料首先通过中心下料孔以及轴线上的多下料孔自流出仓；自流完毕后，由于物料的休止角，仓内远离下料口处有较多余料，这种情况下物料板结轻微或不板结，使用清仓设备即可，如清仓机[1]。对于流动性比较差的物料，如豆粕、菜籽粕等，物料在仓内极易板结、起拱与搭桥，无法通过自流出料，所有出仓、倒仓工作均需通过出仓设备(如出仓机)才能顺利出料。

我国目前针对流动性差的物料仓储出仓系统采用出仓机。出仓机绝大部分都是进口设备，能在物料一定板结状态下进行工作，故障率较低，但投资非常大、能耗高；清仓机大部分是国内设备，投资相对便宜。但即使是流动性好的物料，在一定情况下也会板结，这种情况下清仓机就很难正常工作。

鉴于以上情况，我们研制了针对流动性差、易板结的物料或者流动性好、但在一定情况下也会板结的物料的大型全自动清仓机，可以较大程度的破除各类物料板结，成本也比进口的出仓设备降低了40%～50%；其操作、故障风险的控制等都集成于PLC中，自动化程度高，维护成本低。

1 物料的板结形成过程

以原粮大豆为例，存储在仓内7～15 d不流动会产生板结现象，自流倒仓可以解决一部分物料不板结，但解决不了所有物料板结现象[2]。较小的筒仓，物料一般由筒仓顶部中心的入口输入筒仓，大豆垂直下落，在仓底的中心位置开始形成圆锥形堆积。小仓板结多出现在侧壁，见图1。

图1 筒仓从进粮到出粮的过程

较大的仓，会采用仓中心和两侧同时进料，大豆中混入的杂质和粉尘与飞溅出的物料在仓底各处散落，随着大豆不断的进入筒仓，以及杂质和粉尘的自动分级，仓底面上堆积的杂质和粉尘会增多，形成一层由大豆、粉尘和杂质混合形成的杂质层，直至整个底面被大豆铺满。这个杂质层，如果不能定期清理，经过一段时间后，由于水分、压力、温度等因素的作用，可能变硬，板结，很难清除和破除；大仓的板结出现的位置会更广。粕及其它物料板结过程与此类似。

2 物料对设备的作用力分析

物料在仓中堆积的过程中，主要对设备形成3种力：物料的重力、物料的摩擦力和物料的结合力。目前物料出仓的设备主要为螺旋清仓机。

物料的重力：物料的重力随着物料进入筒仓高度的变化而变化，但不是一味的叠加。当物料进满整个仓时，出料设备绝大部分是被物料掩埋的,此时设备启动运行会受到物料自重产生的载荷；仓内物料自重产生的负载，对仓的底部设备和仓侧壁产生作用力。

物料的摩擦力：底部设备在输送物料过程中，物料与设备，物料与物料，物料和仓壁及底部都会产生摩擦力。物料与设备的摩擦系数正常情况下为0.57～1.00，特殊情况具体分析。

物料的结合力：由于物料含水、灰尘、油，并带有一定温度等特性，进仓一段时间后会造成物料的板结，结拱，产生这些现象的力为物料间的结合力，最终这种力传递到设备上。

物料板结产生的结合力危害最大，主要为：结合力在不同的工况状态下是不断变化的，而且力的大小会远远超过物料重力和摩擦力。目前还没有对粉状物料或颗粒物料精确的数字模型来表达物料之间的作用力变化，但根据模拟仿真和实际使用经验结合，基本可以确定豆粕之间的结合力和储存时间、存储温度、颗粒大小、残余油脂量、结合水含量有关，见图2。储存时间越长、存储温度越高、颗粒大小越小、残余油脂量越大、结合水含量越大,结合力就越大，物料结块后强度越高，出仓设备的负载也越大。

图2 储存时间、水分等与物料结合强度的关系图

3 设备破除物料板结时其板结力的变化

板结时的物料结合力是一个复杂的力，产生板结的物质不同，其力的大小也会有差别，我们需要加入一个经验值。这个经验值的来源与大量仓储实际物料情况、物料存放的时间和倒仓或出料时的实际消耗功率相关，如图3所示,横轴t代表时间,纵轴M为扭矩,σ代表板结强度。

图3 板结块强度变化曲线

当物料受到出仓设备作用时，板结也是随着作用力的变化而变化，这种变化会反映在螺旋清仓机的减速机和电机上，可以通过电机电流变化，受力的变化，反推出物料破裂分离的板结强度变化。

开始时，板结料会在螺旋清仓机的挤压下，结合强度增加，减速机的扭矩也会增加，从O点到A点，再到达破板结峰值时B点，曲线迅速上扬，板结破裂；过B点后，物料慢慢松散，强度下降，驱动力下降，当到达D点时驱动力基本不再变化，达到正常运行点。在破除板结时，螺旋清仓机的正反转(点动)至关重要，来回的作用力可以有效破除类似混泥土样式的结块，加快板结破裂,保护了设备。

4 破除板结的设备结构

螺旋叶片是清仓机受力的源头，也是最核心部件之一。无论是哪种类型的清仓设备，螺旋轴结构基本类似，螺旋叶片焊接在轴上，螺旋叶片外侧镶有刀片。不同物料对应刀片的结构形式也有不同，目前主要有齿式叶片和整体叶片2种，见图4，以提高螺旋清仓机的破板结能力，减少启动阻力和运行阻力。

刀片的设计对破拱效果有非常大的影响，刀片的形状要根据螺旋输送机旋转方向和受力模拟得出，破除颗粒物料之间的力，刀片的形式一般选择尖角形，物料不易被破碎；流动性差的粕类，板结后的特性类似于水泥，它就需要选择整体刮刀形式去破除板结。

(a)齿形刀片

螺旋清仓机工作时，刀片先与物料接触，因此刀片的材质应选用耐磨白口铸铁，以增加耐磨性和使用寿命，即使磨损了，也方便更换，以此来保护螺旋输送机叶片。

5 小结

(1)不同的物料板结，大部分都可以用螺旋出仓机来解决。

(2)不同的物料在不同的状态下，产生板结的时间不一样，设定设备主动开启时间和倒仓周期也不同。

(3)倒仓时采用小产量，出仓时采用大产量。

(4)粉状物料破板结采用整体刀片，颗状物料破板结采用齿形刀片。

(5)自动破除板结，无需人员进入仓内进行操作，减少了人工成本和人工安全风险成本。