一种自动开合式散货堆场环保设施

柳玉涛

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

现有国内外已建成的输送煤、矿石等物料的码头项目，物料中转储存多采用露天堆场型式。堆场堆取料分为通用和专业化两种模式，通用模式一般采用单斗装载机及自卸汽车联合作业方式，适用于规模较小、货种多的中小型工程；专业化堆场一般配备轨道式堆料机、取料机或堆取料机及皮带机，适用于货种单一，运量大的工程。

以上两种模式技术成熟、使用广泛，但在使用过程中存在以下缺点：

1）环保效果差

露天堆放的散料，粉尘对周边环境影响较大，虽然采取了喷淋等多项除尘措施，但效果均不理想。

2）占地面积大

目前港口需要较大的散货堆存量以调整港口、铁路、矿山之间的能力不均衡问题，受到散货堆高限制，堆场占用面积一般较大，根据我国目前的土地利用政策，需缴纳的土地使用费较高。另外，目前港口陆域用地多为吹填或回填浅滩形成，成本较高。

3）堆场设备多

无论是通用堆场还是专业化堆场，散货堆场面积较大，需要配备足够的设备才能完成全部料场的堆料、取料作业，造成设备投资较大。

因此，港口干散货需要一种新型的物流存储方法，既能保证码头的正常运营，又能彻底解决环保、占地、投资等问题。本文结合某港专业化矿石码头的设计建设，针对其环保设施进行了专项技术开发研究。

1 概 述

某港拟新建的专业化矿石码头为顺码头岸线布置，利用引桥与陆域堆场衔接，其码头岸线长度400 m，码头靠泊最大设计船型为30 万t 级矿石散货船，吞吐量达2 300 万t/a。堆场平行布置于码头岸线后侧陆域，码头前方设有桥式抓斗卸船机，卸船机下方设有承接物料输送的带式输送机，通过带式输送机与堆场内的堆取料设备，以及铁路矿石装车线的装车机连接。

矿石装火车设备采用移动式装车机，铁路系统共设有3 条矿石装车线和1 条火车走行线。堆场堆取料设备采用堆料机、取料机、堆取料机以及相应的带式输送机系统，依据堆场可利用范围，总共设有5 条堆取料作业线，布置6 条堆场，料堆堆高为10 m。为充分发挥堆场的实际有效利用率，在整个堆场中部设置1 条堆料线，堆料线两侧设2 条取料线，2 条堆取料线布置于堆场外侧。根据工艺流程作业需要，各堆取料作业线配备相应的堆取料设备。

图1 某港专业化矿石码头装卸工艺布置

本文介绍的自动开合式散货堆场环保设施依托于上述矿石码头，拟在散货堆场内的每一料堆上方设置两个类似活动式屋盖结构，该屋盖设计为筒形网壳结构，网壳支承在走行台车上。每两个相邻屋盖可以水平重叠，当堆取料机需在某一料堆处作业时，该料堆上方的屋盖可以相互水平打开形成上下重叠式，如图2 所示。

图2 封闭单元结构布置示意

2 结构计算

本次选取高低各一个可开启屋盖结构单元分析计算，高屋盖跨度55 m，低屋盖跨度50 m，长度均为50 m，选用正放抽空四角锥双层网壳，网格尺寸约2.5 m×2.5 m，网壳厚度2 m，网壳筒面半径分别为28.4 m和25.9 m。网壳两纵边支承在滑移轨道上，由滑移轨道把荷载传给基础。

2.1 计算模型

选用MSGS8.05 进行杆件优化分析计算，结构模型如图3 所示。根据滑移台车的布置数量，每纵边设置六个约束支座。

图3 结构计算模型

2.2 荷载取值及组合

考虑的主要荷载有：

1）恒荷载（DL）：构件自重依据选取的材料，由计算程序自动计算，屋面恒荷载选用0.5 kN/m2；

2）活荷载（LL）：0.5 kN/m2；

3）风荷载（W）：基本风压0.6 kN/m2，A 类地面；

4）地震作用（E）：7 度，0.15g。

考虑的组合有：

1）1.2DL+1.4LL；

2）0.9DL+1.4W；

3）1.2DL+1.4LL+1.4×0.6W；

4）1.2DL+1.4×0.7LL+1.4W；

5）1.2DL+1.3Eh+0.5Ev。

2.3 主要计算结果

设定杆件材质Q235B，杆件采用圆钢管，节点采用焊接球，通过程序优化计算得到的杆件应力比和变形图，其中最大杆件应力161 MPa，最大竖向位移43 mm，均满足相关规范的要求。

2.4 主要构件材料估算

单个滑移单元以50 m 为单位进行材料估算，如表1、表2。

表1 单个滑移单元网壳杆件材料估算

表2 每个滑移单元屋面次结构材料用量

3 结构滑移系统

3.1 驱动原理及驱动方式

通过对国内外已经建成的开启结构的研究，比较了轮驱动、齿条齿轮驱动、钢缆绳驱动和千斤顶驱动等几种驱动方式，结合本工程的特点，选定采用轮驱动的方式进行设计，将驱动轮安装在开启屋盖的走行台车上，台车上设置驱动电机，并通过减速机驱动车轮，车轮与轮轨之间的摩擦力将驱动台车走行。

本次研究的屋盖结构型式采用筒形网壳，网壳支承在走行台车上，会对支座产生水平力，结合这个特点，在采用轮驱动的具体方式及轨道的方式上比较了以下三种方案：

采用十字交叉结构的微流控芯片以及自主研发的非接触式微流控芯片便携式分析诊断仪,针对K+、Na+、Li+离子进行检测和信号提取。微流控芯片分离通道长50 mm,分离电压1 kV,进样时间1 s,运行缓冲溶液为10 mmol/L MES-His(pH 6.15),激发频率为200 kHz。分析诊断仪实现了样品浓度为0.1 mmol/L和0.03 mmol/L的K+、Na+、Li+离子的分离检测,采集到的微流控芯片信号的结果图如图4所示。

1）在斜面上设置轨道方案；

2）水平面设置轨道并在台车上设置节点释放网壳变形方案；

3）在水平面上设置轨道并设置以水平轮抵抗水平力方案。

考虑网壳实际水平推力随着工况的变化、轨道与下部结构的精度要求以及上部网壳结构的经济性，确定采用第三种设置水平轮抵抗网壳水平力的方案。

3.2 台车机械系统

每片网壳重量约200 t，共12 个支点，每个支点的垂直压力80 t，双向水平压力40 t，网壳规格50 m×50 m，运行距离100 m，运行速度13.9 m/min。12 个支点共12 组台车，每边6 组，主动台车2 组、被动台车4 组，如图4 所示。每个台车2 个轮组（车轮直径 φ600），经过计算，每个车轮垂直轮压 400 kN，水平轮压400 kN。

图4 台车布置示意

图5 台车防浮系统布置示意

车轮材料拟选用65Mn，车轮踏面采用深层热处理，以防止车轮在运行中硬层脱落，从而提高使用寿命，淬火深度为20 mm，踏面硬度为HB 380。每个网壳由四个电动机拖动，表3 中4×15 kW 为40 %工作制，当15 %工作制时，电动机功率为4× 22 kW。台车机械系统具体指标参数见表3。

表3 台车机械系统指标

3.3 供电系统

供电系统采用安全滑触线，电控装置由操作系统、控制柜、供电装置、照明、连接导线等组成。所有电动机采用变频电动机，变频电机具有启动平稳、同步性好、无冲击、寿命长、安全可靠的特点。十字限位开关作为高低速转换开关，使电液推杆锚定装置定位准确。网壳与网壳之间的防撞采用起重机专用限位开关。所有电控系统采用限位保护、电器连锁、过流、失压、错相、缺相保护等，还有风速报警、遥控识别和移动等声光报警、手动操作与无线遥控操作互锁等安全保护措施。

3.4 控制系统

采用地面手电门分别操作和无线遥控装置群控操作。地面每单元每片网壳的运行由每台电控箱的手电门分别单个操作。无线遥控装置在每条作业通道的挖掘输送机的司机室内，装有无线遥控发射器和增益放大器，可在1 300 m 范围内有效控制该条装卸作业通道两边共22 个单元的44 个网壳（44套无线接收器）的开闭。该无线遥控发射器和增益放大器装置共三套分别在3 条装卸作业通道的挖掘输送机司机室内，132 套无线接收器分别在66 个单元的132 个移动网壳的电控箱内。无线遥控装置在高温、寒冷、粉尘的室外恶劣环境下工作可靠，大大改善了作业条件，有效保护了人身安全。

4 结 语

随着国家对散货码头堆场的环保要求逐步提高，港口散货码头的环保设施成为了研究课题，近年来建设的传统性专业化散货堆场环保设施，基本都是采用干煤棚结构形式（条形仓），条形仓的跨度基本为106 m，为满足堆取料机的使用，其高度需达到35 m 以上。该结构形式适用于料场设备采用堆取合一的堆取料机，而采用堆取分开模式的作业堆场，即堆料采用堆料机、取料采用取料机的散货堆场则不适用。

据统计，国际上从本世纪60 年代至今已建成的开合结构式屋顶结构，其绝大多数属于中小型的建筑结构形式，主要用于游泳馆、网球场等体育建筑设施，或者飞机库、厂房及存储需要晾晒物料的仓储建筑。本文介绍的类似于开启屋盖的可自动开合式煤炭堆场设施，可显著增加料场的有效堆存容量，为老的传统性煤炭专业化码头进行环保改造时提供借鉴。