王細(xì)平 宋建軍

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

散裝物料的輸送是現(xiàn)代物流中的重要一環(huán)，顆粒體物料的散裝化是未來(lái)的發(fā)展方向。我國(guó)海岸線長(zhǎng)，河流縱橫，尤其在長(zhǎng)三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。散料水運(yùn)運(yùn)輸量大、成本低廉，綜合優(yōu)勢(shì)明顯。

在國(guó)內(nèi)散料市場(chǎng)上，螺旋取料器方面所采取的方式不是很完善，未發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)，而這恰恰又是螺旋輸送機(jī)作為散料取料器的發(fā)展關(guān)鍵。

散料的取料比堆料難度大，當(dāng)前我國(guó)港口散料堆料能力遠(yuǎn)大于取料能力，隨著綠色制造業(yè)在全球的興起和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，如何提高散料取料能力，設(shè)計(jì)更加環(huán)保的取料系統(tǒng)迫在眉睫。

1 喂料裝置機(jī)理和主要結(jié)構(gòu)

連續(xù)螺旋卸船機(jī)是以螺旋取料、利用垂直螺旋輸送機(jī)提升、再通過(guò)臂架皮帶或螺旋輸送機(jī)對(duì)物料進(jìn)行輸送的系統(tǒng)。螺旋取料機(jī)采用強(qiáng)迫式喂料頭進(jìn)行喂料，又稱相對(duì)旋轉(zhuǎn)式輸送機(jī)，喂料頭的旋轉(zhuǎn)方向與垂直螺旋輸送機(jī)螺旋主軸旋轉(zhuǎn)方向相反，一方面利用傾斜的螺旋翼板將物料強(qiáng)行送入垂直螺旋輸送機(jī)，另一方面又可阻止物料因垂直螺旋高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而被拋出來(lái)，從而保證了物料被以較高充填系數(shù)（一般為70%～90%）不斷地送入垂直螺旋輸送機(jī)而向上提升。

圖1 螺旋取料機(jī)工作原理

螺旋取料機(jī)主要由垂直螺旋輸送機(jī)和強(qiáng)迫式喂料頭組成。垂直螺旋輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有螺旋管和螺旋體2部分，螺旋體是整個(gè)螺旋取料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的取料能力。

如圖2所示，喂料頭結(jié)構(gòu)大致可分為4部分，外螺旋管1與內(nèi)螺旋管直接的密封性關(guān)系到法蘭2的使用壽命，傾斜螺旋葉片3強(qiáng)迫物料進(jìn)入喂料窗口的動(dòng)力源，同時(shí)喂料窗口4的設(shè)計(jì)關(guān)系到喂料量的大小以及后續(xù)的清艙效率。

圖2 喂料頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 可行性計(jì)算分析

螺旋卸船機(jī)是專門(mén)用來(lái)卸顆粒狀散貨的，部分貨物如粉煤炭、化肥、水泥，鐵礦粉等經(jīng)過(guò)海上運(yùn)輸?shù)竭_(dá)港口碼頭，由于大量散料經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的堆積后會(huì)被壓實(shí)，甚至形成硬殼，螺旋取料機(jī)具有掘進(jìn)的功能，這時(shí)采用螺旋取料機(jī)就能很好地滿足這種取料的需要。

本項(xiàng)目滿足喂料能力1 500 t/h的輸送量，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算配置了Ф 970 mm喂料筒徑，喂料裝置通過(guò)破碎錘松散物料，在圓周方向配置數(shù)量不等的破碎裝置。在喂料下方設(shè)置反螺旋葉片，反螺旋葉片延圓周方向，螺旋母線的長(zhǎng)度由116 mm遞增至600 mm，母線角度從90°遞減為0°，形成下壓式反螺旋片狀，對(duì)物料進(jìn)行強(qiáng)制性喂料，以達(dá)取料輸送能力。

相比傳統(tǒng)三窗口喂料裝置，本項(xiàng)目為實(shí)現(xiàn)喂料均勻，首次研發(fā)四窗口喂料裝置，在喂料筒體下方均勻開(kāi)設(shè)4個(gè)進(jìn)料窗口，降低了喂料高度，以達(dá)喂料效率的提高。

2.1 多窗口被迫喂料

由于配置了相對(duì)旋轉(zhuǎn)式取料裝置，垂直螺旋輸送機(jī)的充填率可達(dá)70%～90 %，針對(duì)中小管徑的螺旋輸送機(jī)，其輸送能力可高達(dá)600 t/h以上，管徑大的螺旋卸船機(jī)最大輸送量可達(dá)3 000 t/h。

列舉實(shí)例分析，采用電廠煤炭作為作業(yè)散料，垂直提升高度為H=25 m，物料對(duì)鋼板的摩擦系數(shù)μ=0.4，堆積密度ρ為0.85～1 t/m3，螺旋直徑D=850 mm，喂料能力Im=1 500 t/h 。

一個(gè)高效喂料裝置對(duì)大運(yùn)量螺旋輸送起著關(guān)鍵的作用，特別是當(dāng)散料堆壓成板結(jié)狀態(tài)，就更需要采用一種強(qiáng)迫式多窗口喂料裝置。螺旋輸送機(jī)的能力是控制給料裝置，而不是由輸送機(jī)本身。

圖3 喂料頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

當(dāng)喂料頭設(shè)計(jì)確定后，喂料量的大小和喂料頭轉(zhuǎn)速NF有很大關(guān)系，垂直螺旋輸送機(jī)輸送量的大小在很大程度上取決于喂料頭喂料量的高低，為了在喂料口不產(chǎn)生堵料，垂直輸送速度也要足夠，否則會(huì)出現(xiàn)卸料量小于喂料量的情況，影響卸船機(jī)整機(jī)效率的提高。

根據(jù)喂料頭轉(zhuǎn)速以及喂料口的個(gè)數(shù)等諸多參數(shù)，推導(dǎo)出喂料頭喂料量公式。設(shè)喂料頭每轉(zhuǎn)一圈的喂料體積為 V1，則 V1=S·π·De。每分鐘理論喂料體積為V2=V1·NF·nb，實(shí)際工況下，由于各種工作原因，螺旋卸船機(jī)喂料頭的喂料量不會(huì)使得系統(tǒng)充填率達(dá)到100%，喂料量推導(dǎo)公式為

式中：ρ為物料的堆積密度，S為喂料窗口面積，De為喂料口旋轉(zhuǎn)直徑，NF喂料頭轉(zhuǎn)速，nb為喂料進(jìn)口個(gè)數(shù)，ηFe為填充系數(shù)。

由式（1）可知，喂料頭結(jié)構(gòu)參數(shù)都確定后，喂料量也基本確定，但喂料量的大小不一定會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增大而成正比增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定程度后繼續(xù)增大，反而適得其反，這是由于螺旋葉片高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的離心力和氣流阻礙物料進(jìn)入喂料口。

2.2 結(jié)構(gòu)、效率、耗能

為提高喂料能力，研制一種新型喂料裝置，裝置包括自上而下延伸的圓柱形筒體，筒體周壁的底端開(kāi)設(shè)有窗口；螺旋葉片從窗口的側(cè)面延伸至窗口的上方，喂料窗口和螺旋葉片的數(shù)量均為4個(gè)，沿筒體的周向，4個(gè)螺旋葉片的位置與4個(gè)窗口的位置一一對(duì)應(yīng)。螺旋卸船機(jī)的額定生產(chǎn)率為1 400 ～2 000 t/h。喂料裝置中沿螺旋葉片的上升方向，螺旋葉片的母線角度逐漸增加，螺旋葉片呈朝向窗口內(nèi)扣的形狀，可增加對(duì)物料的擠壓力，在清倉(cāng)階段，有利于將底層物料壓入喂料裝置，提高清倉(cāng)效率。

喂料頭相對(duì)于螺旋反向旋轉(zhuǎn)，其原因有：1）利用傾斜的螺旋葉片強(qiáng)迫將料送往垂直螺旋輸送機(jī)中，起著強(qiáng)制喂料的作用；2）可阻止物料因垂直螺旋高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而被拋出，提高垂直螺旋輸送的填充系數(shù)；3）破碎并攪拌物料表面形成的板結(jié)，使其易于進(jìn)入輸送機(jī)內(nèi)部。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)，可推導(dǎo)喂料裝置所需驅(qū)動(dòng)功率為

式中：De為喂料口旋轉(zhuǎn)直徑，NF為喂料頭轉(zhuǎn)速，F(xiàn)為挖掘力，b為窗口高度，d為窗口寬度，e為挖掘系數(shù)，nb為喂料進(jìn)口個(gè)數(shù)。

2.3 環(huán)保性能，作業(yè)效率

螺旋輸送機(jī)是機(jī)械輸送中的一種無(wú)牽引構(gòu)件的輸送機(jī)械，無(wú)需回程分支，斷面尺寸小，其外形為封閉的圓筒狀，結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)范圍廣，其頭部配置有反轉(zhuǎn)取料螺旋，具有松料和取料的功能，能夠自動(dòng)掘進(jìn)取料，可以很好地滿足卸船的需要。與同樣生產(chǎn)效率的其他各種機(jī)械式卸船機(jī)相比，螺旋卸船機(jī)的自重最輕，其卸料過(guò)程是全封閉的，不發(fā)生泄漏，不揚(yáng)起灰塵，同時(shí)噪聲小。螺旋卸船機(jī)可以經(jīng)常處于滿載狀態(tài)，不會(huì)造成壓船而延誤船舶離港，提高碼頭泊位的利用率，創(chuàng)造較高經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)的3個(gè)窗口以及3個(gè)反壓式螺旋線葉片的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)為4個(gè)窗口以及4條反壓式螺旋線葉片，以滿足高效喂料需求。喂料裝置由筒體、破碎錘、反壓式螺旋線葉片以及喂料窗口組成。

為了滿足喂料的高效率，喂料窗口優(yōu)化了傳統(tǒng)3窗口喂料方式，采用4個(gè)喂料窗口，增加了喂料窗口數(shù)量，降低了喂料高度，以提高喂料效率。

通過(guò)電氣變頻調(diào)控喂料頭轉(zhuǎn)速,研究高效螺旋喂料頭喂料原理，確定螺旋喂料頭喂料窗口參數(shù)，匹配出最高喂料效率，獲得較高的喂料能力。