高效率螺旋喂料装置的应用

王细平 宋建军

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

散装物料的输送是现代物流中的重要一环，颗粒体物料的散装化是未来的发展方向。我国海岸线长，河流纵横，尤其在长三角、珠三角等经济发达地区。散料水运运输量大、成本低廉，综合优势明显。

在国内散料市场上，螺旋取料器方面所采取的方式不是很完善，未发挥出其优势，而这恰恰又是螺旋输送机作为散料取料器的发展关键。

散料的取料比堆料难度大，当前我国港口散料堆料能力远大于取料能力，随着绿色制造业在全球的兴起和人们环保意识的增强，如何提高散料取料能力，设计更加环保的取料系统迫在眉睫。

1 喂料装置机理和主要结构

连续螺旋卸船机是以螺旋取料、利用垂直螺旋输送机提升、再通过臂架皮带或螺旋输送机对物料进行输送的系统。螺旋取料机采用强迫式喂料头进行喂料，又称相对旋转式输送机，喂料头的旋转方向与垂直螺旋输送机螺旋主轴旋转方向相反，一方面利用倾斜的螺旋翼板将物料强行送入垂直螺旋输送机，另一方面又可阻止物料因垂直螺旋高速旋转产生的离心力而被抛出来，从而保证了物料被以较高充填系数（一般为70%～90%）不断地送入垂直螺旋输送机而向上提升。

图1 螺旋取料机工作原理

螺旋取料机主要由垂直螺旋输送机和强迫式喂料头组成。垂直螺旋输送机的主要结构有螺旋管和螺旋体2部分，螺旋体是整个螺旋取料机的主要结构，结构设计的好坏直接关系到系统的取料能力。

如图2所示，喂料头结构大致可分为4部分，外螺旋管1与内螺旋管直接的密封性关系到法兰2的使用寿命，倾斜螺旋叶片3强迫物料进入喂料窗口的动力源，同时喂料窗口4的设计关系到喂料量的大小以及后续的清舱效率。

图2 喂料头结构示意图

2 可行性计算分析

螺旋卸船机是专门用来卸颗粒状散货的，部分货物如粉煤炭、化肥、水泥，铁矿粉等经过海上运输到达港口码头，由于大量散料经过较长时间的堆积后会被压实，甚至形成硬壳，螺旋取料机具有掘进的功能，这时采用螺旋取料机就能很好地满足这种取料的需要。

本项目满足喂料能力1 500 t/h的输送量，通过优化计算配置了Ф 970 mm喂料筒径，喂料装置通过破碎锤松散物料，在圆周方向配置数量不等的破碎装置。在喂料下方设置反螺旋叶片，反螺旋叶片延圆周方向，螺旋母线的长度由116 mm递增至600 mm，母线角度从90°递减为0°，形成下压式反螺旋片状，对物料进行强制性喂料，以达取料输送能力。

相比传统三窗口喂料装置，本项目为实现喂料均匀，首次研发四窗口喂料装置，在喂料筒体下方均匀开设4个进料窗口，降低了喂料高度，以达喂料效率的提高。

2.1 多窗口被迫喂料

由于配置了相对旋转式取料装置，垂直螺旋输送机的充填率可达70%～90 %，针对中小管径的螺旋输送机，其输送能力可高达600 t/h以上，管径大的螺旋卸船机最大输送量可达3 000 t/h。

列举实例分析，采用电厂煤炭作为作业散料，垂直提升高度为H=25 m，物料对钢板的摩擦系数μ=0.4，堆积密度ρ为0.85～1 t/m3，螺旋直径D=850 mm，喂料能力Im=1 500 t/h 。

一个高效喂料装置对大运量螺旋输送起着关键的作用，特别是当散料堆压成板结状态，就更需要采用一种强迫式多窗口喂料装置。螺旋输送机的能力是控制给料装置，而不是由输送机本身。

图3 喂料头结构设计示意图

当喂料头设计确定后，喂料量的大小和喂料头转速NF有很大关系，垂直螺旋输送机输送量的大小在很大程度上取决于喂料头喂料量的高低，为了在喂料口不产生堵料，垂直输送速度也要足够，否则会出现卸料量小于喂料量的情况，影响卸船机整机效率的提高。

根据喂料头转速以及喂料口的个数等诸多参数，推导出喂料头喂料量公式。设喂料头每转一圈的喂料体积为 V1，则 V1=S·π·De。每分钟理论喂料体积为V2=V1·NF·nb，实际工况下，由于各种工作原因，螺旋卸船机喂料头的喂料量不会使得系统充填率达到100%，喂料量推导公式为

式中：ρ为物料的堆积密度，S为喂料窗口面积，De为喂料口旋转直径，NF喂料头转速，nb为喂料进口个数，ηFe为填充系数。

由式（1）可知，喂料头结构参数都确定后，喂料量也基本确定，但喂料量的大小不一定会随转速的增大而成正比增大。当转速增大到一定程度后继续增大，反而适得其反，这是由于螺旋叶片高速旋转会产生过大的离心力和气流阻碍物料进入喂料口。

2.2 结构、效率、耗能

为提高喂料能力，研制一种新型喂料装置，装置包括自上而下延伸的圆柱形筒体，筒体周壁的底端开设有窗口；螺旋叶片从窗口的侧面延伸至窗口的上方，喂料窗口和螺旋叶片的数量均为4个，沿筒体的周向，4个螺旋叶片的位置与4个窗口的位置一一对应。螺旋卸船机的额定生产率为1 400 ～2 000 t/h。喂料装置中沿螺旋叶片的上升方向，螺旋叶片的母线角度逐渐增加，螺旋叶片呈朝向窗口内扣的形状，可增加对物料的挤压力，在清仓阶段，有利于将底层物料压入喂料装置，提高清仓效率。

喂料头相对于螺旋反向旋转，其原因有：1）利用倾斜的螺旋叶片强迫将料送往垂直螺旋输送机中，起着强制喂料的作用；2）可阻止物料因垂直螺旋高速旋转产生的离心力而被抛出，提高垂直螺旋输送的填充系数；3）破碎并搅拌物料表面形成的板结，使其易于进入输送机内部。

根据上述参数设计，可推导喂料装置所需驱动功率为

式中：De为喂料口旋转直径，NF为喂料头转速，F为挖掘力，b为窗口高度，d为窗口宽度，e为挖掘系数，nb为喂料进口个数。

2.3 环保性能，作业效率

螺旋输送机是机械输送中的一种无牵引构件的输送机械，无需回程分支，断面尺寸小，其外形为封闭的圆筒状，结构紧凑，作业范围广，其头部配置有反转取料螺旋，具有松料和取料的功能，能够自动掘进取料，可以很好地满足卸船的需要。与同样生产效率的其他各种机械式卸船机相比，螺旋卸船机的自重最轻，其卸料过程是全封闭的，不发生泄漏，不扬起灰尘，同时噪声小。螺旋卸船机可以经常处于满载状态，不会造成压船而延误船舶离港，提高码头泊位的利用率，创造较高经济效益。

3 结论

在传统的3个窗口以及3个反压式螺旋线叶片的基础上优化设计，改进为4个窗口以及4条反压式螺旋线叶片，以满足高效喂料需求。喂料装置由筒体、破碎锤、反压式螺旋线叶片以及喂料窗口组成。

为了满足喂料的高效率，喂料窗口优化了传统3窗口喂料方式，采用4个喂料窗口，增加了喂料窗口数量，降低了喂料高度，以提高喂料效率。

通过电气变频调控喂料头转速,研究高效螺旋喂料头喂料原理，确定螺旋喂料头喂料窗口参数，匹配出最高喂料效率，获得较高的喂料能力。