大型儲煤筒倉的結構改進及清倉破拱設備的參數計算

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煤炭的儲存是生產環節中的重要一環，儲煤倉則是儲運環節中的重要建筑。目前煤礦上常用的儲煤建筑有大型球形儲煤倉、條形儲煤棚和圓柱形錐底筒倉。筆者分析了圓柱形錐底筒倉在實際應用中的缺點，提出了平底筒倉和清倉破拱設備，可實現綠色高效存儲。

1 圓柱形錐底筒倉

目前煤礦上常用的煤炭存儲建筑為圓柱形錐底筒倉，其內部結構如圖 1 所示。由圖 1 可知，該筒倉底部為倒錐體結構，落煤口處于錐體的最低處。需要卸載煤炭時打開落煤口處閘板卸煤裝車。該圓柱形錐底倉有以下缺點：由于只有錐體角度大于煤炭安息角，煤炭才能順利地從錐壁上滑落，這就意味著在錐壁與倉壁夾角一定的情況下，錐體的高度會隨著筒倉直徑的增加而增加，從而占用倉體容積。

目前，國內最大的圓柱形錐底筒倉容積為 4 萬m3，煤炭裝載率約為 70%。該類型筒倉不僅占地面積大，建造成本也高。

圖1 圓柱形錐底筒倉內部結構示意Fig.1 Structural sketch of interior of cylindrical cone-bottom silo

2 圓柱形平底筒倉

根據上述圓柱形錐底筒倉存在的不足，提出一種新型圓柱形平底筒倉，筒倉下部結構如圖 2 所示。

圖2 圓柱形平底筒倉下部結構示意Fig.2 Structural sketch of under part of cylindrical flat-bottom silo

根據圖 2 可知，該新型平底筒倉底部為平面，倉底布置若干條形落煤口，在底部倉壁周圍加了一圈環形保護檐，保護檐下面不會落煤，可以用于人工觀察、檢修以及存放機械設備等。需要卸煤的時候，打開落煤口下面的閘板，煤炭則在自身重力作用下從落煤口落下并裝車。

該平底倉也存在 2 個問題：(1) 因煤炭之間的摩擦力作用，很容易在落煤口處結拱，影響正常的卸煤，且結拱煤長期存在易發生自燃；(2) 當倉內煤炭卸完后，落煤口旁邊的煤以一定安息角靜置在落煤口附近，如圖 2 中虛線區域的煤炭，稱之為倉內死煤，這部分煤炭不清理掉也存在安全隱患。因此需要一套機械設備來破除煤炭結拱以及清空筒倉。

3 筒倉內清倉破拱設備

3.1 清倉破拱設備結構及工作原理

圖3 為清倉破拱設備在平底筒倉底部的安裝圖，該清倉破拱設備主要由 3 個部分組成：環形保護檐下面的設備驅動部分，落煤口上方的螺旋桿，筒倉中心處的中心回轉裝置。

圖3 清倉破拱設備倉內安裝示意Fig.3 Installation sketch of arch-breaking clearance equipment in silo

圖4 為清倉破拱設備的俯視圖。由圖 4 可知，該設備主要由自轉驅動電動機、螺旋桿、軸承座等組成的自轉機構，以及回轉驅動電動機、主動輪、從動輪、環形軌道等組成的回轉機構構成。其中自轉驅動電動機和回轉機構均安裝在筒倉內環形保護檐下，環形軌道繞筒倉布置一圈，用于車輪的行走。位于筒倉中心的中心回轉裝置不僅為螺旋桿提供支撐，同時也支持螺旋桿的自轉和回轉功能。

圖4 清倉破拱設備俯視圖Fig.4 Top view of arch-breaking clearance equipment

筒倉需要卸煤時，先開啟底部閘板，煤炭在自身重力下從落煤口卸煤，并在落煤口結拱。需要清倉時，啟動清倉破拱設備的自轉功能，自轉驅動電動機帶動螺旋桿旋轉，煤炭在螺旋推力作用下向筒倉中心運動進入落煤口，達到破拱和清空筒倉的目的。

螺旋桿需要清理筒倉整個圓面上的煤炭，這就要求螺旋桿能夠像時針一樣繞筒倉中心回轉起來。螺旋桿的回轉運動通過回轉驅動電動機來實現，回轉驅動電動機驅動主動輪、從動輪在環形軌道上作圓周運動，同時也帶動自轉電動機以及螺旋桿共同繞筒倉中心作圓周運動，以便對整個筒倉進行清理。

3.2 圓柱形平底筒倉及清倉破拱設備的優勢

相比圓柱形錐底筒倉，圓柱形平底筒倉及清倉破拱設備的優勢有以下幾個方面：

(1) 圓柱形平底筒倉去掉了底部錐體結構，解除了筒倉直徑的設計限制，筒倉的有效倉容提高，可以設計到 10 萬 m3以上，是錐底倉的幾倍甚至是幾十倍。此外，它的裝載率能達到 95% 以上，因此平底筒倉更適合大型煤炭存儲。

(2) 圓柱形平底筒倉建筑占地面積小，建造成本及建造難度低。

(3) 清倉破拱設備在大型平底筒倉內用于清空筒倉和破除結拱。除驅動部分外，清倉破損設備的其余部分幾乎全部由鋼板焊接或螺旋連接而成，具有結構簡單、操作方便、故障率低及制作安裝成本低等特點。

4 清倉破拱設備的設計及應用

已知圓柱形平底儲煤筒倉直徑 40 m、高度 40 m，清倉破拱設備輸送能力Q=600 t/h，煤炭密度ρ=0.8 t/m3，煤炭安息角φ=45°，對清倉破拱設備進行設計計算。

4.1 清倉破拱設備中螺旋直徑、螺距、螺旋軸轉速的設計計算

清倉破拱設備通過螺旋桿自轉與回轉對倉內煤炭進行輸送，因此可將清倉破拱設備看做開式螺旋輸送機。計算時相關參數可參照《運輸機械設計選用手冊》[1]第十五章《螺旋輸送機》計算公式進行計算。

4.1.1 螺旋直徑

螺旋直徑

式中：N為煤炭特性系數；ψ為填充系數；M為傾角系數。

其中，輸送能力Q根據煤礦自身的輸送量決定；煤炭特性系數N、填充系數ψ以及傾角系數M可根據礦井自身產出煤炭的參數，對照《運輸機械設計選用手冊》第十五章《螺旋輸送機》表 15-1 常用物料的填充、特性、綜合系數，以及表 15-2 傾角系數表進行取值。螺旋直徑D的計算結果需要圓整。

假設筒倉內煤為無磨琢性或半磨琢性小塊煤，根據表 15-1 以及表 15-2，取填充系數ψ=0.30，特性系數N=0.053 7，輸送機布置傾斜角為 0°，傾角系數M=1.0，可求出該螺旋直徑

圓整后取螺旋直徑D=1.3 m。

4.1.2 螺距

螺距的大小對煤炭的輸送過程產生直接影響。對于螺距的計算可采用經驗公式

對于水平布置、輸送流動性好和磨琢性小的煤炭，可取S=D；對于傾斜布置、輸送流動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 螺旋軸轉速

在滿足輸送能力的條件下，螺旋軸轉速不宜過高，以免煤炭所受切向力較大而降低輸送量，以及縮短螺旋桿的使用壽命；因此，螺旋軸的轉速不能超過限值。螺旋軸轉速限值

式中：A為表示煤炭綜合系數。

根據礦井實際產出煤炭的參數，對照《運輸機械設計選用手冊》第十五章《螺旋輸送機》表 15-1，取A=40，則

因螺旋輸送設備螺旋軸直徑較大，螺旋軸轉速在滿足輸送能力的條件下不宜過高，以免煤炭受過大的切向力而被拋起。在輸送能力滿足要求的前提下，選擇較低轉速，取n=25 r/min。

4.1.4 校核填充系數

用螺旋直徑D及螺旋軸轉速n圓整后的數值對填充系數進行驗算。根據

求出的填充系數ψ，對照表 15-1，若在推薦數值范圍內，說明圓整值D及n適當；若ψ值高于表 15-1 中數值上限，則應加大螺旋直徑；若ψ值低于表 15-1中數值下限，則應降低螺旋軸轉速。

將上述數據代入上式，得

查表 15-1 可知道填充系數ψ的取值范圍為 0.25～0.35，計算結果滿足要求。

4.2 滿倉狀態下煤炭壓實清倉破拱設備后的壓力計算

滿倉后煤炭對螺旋桿有垂直方向的壓力。根據GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設計規范》中煤炭對倉底的靜壓力計算公式，可得出煤炭作用在螺旋桿上的壓力Fy。

滿倉狀態下螺旋桿的垂直方向壓力

其中

式中：σ y為螺旋桿垂直方向單位面積上的靜壓力；Ay為螺旋桿垂直方向的投影面積；g為重力加速度；l為螺旋桿長度，約等于筒倉的半徑，即l=20 m；R為螺旋桿的水力半徑；K為側壓系數；f為側壓力系數；C為螺旋輸送設備受力投影面周長。

代入數值后得到

螺旋桿垂直方向靜壓力

根據螺旋桿在倉內所受載荷等數據，結合筒倉根據實際情況計算出自轉、公轉電動機的功率，進行選型，繼而完成開式螺旋輸送設備的結構設計。

4.3 清倉破拱設備的維護

清倉破拱設備中需要維護的部分是驅動部分的自轉、回轉電動機以及中心回轉裝置中的回轉軸承和滑動軸承。電動機的維護較為簡單，其位于環形保護檐下，而環形保護檐作為一個獨立的儲物空間與倉外是相通，工作人員可定期進入保護檐內對電動機進行維修保養。自轉軸承與回轉支承等部件需要定期注油、檢修等人工操作。中心回轉裝置位于筒倉中心，中心柱是由鋼板卷制而成的筒體，可在筒體內部焊接爬梯，并在筒體一處開檢修孔，操作工可由中心柱底部進入并到達檢修孔，實現軸承注油等操作。

4.4 關于圓柱形平底筒倉的設計概述

圓柱形平底筒倉外部為一圓柱體結構，內部為一圓柱體儲物空間用于存儲煤炭，倉底為平底，倉底上方有一個環形保護檐，保護檐和倉壁為一體式設計。倉壁、環形保護檐以及倉底均為鋼筋混凝土結構；倉體底部均勻布置若干條通長的條形落煤口，落煤口的寬度應大于螺旋桿的螺距。

圓柱形平底筒倉的相關參數及設計，可根據國家標準 GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設計規范》的相關內容進行設計計算。

5 結語

圓柱形平底筒倉以及倉內清倉破拱設備均為首次提出，在國內尚無應用，相關結構已申請并獲得國家專利。大型平底筒倉及開式螺旋輸送設備的運用在未來礦井建設中不僅可以實現煤炭的綠色高效存儲，而且在煤炭儲運環節中可大大提高煤炭的物流質量，在相關行業中極具推廣價值。另外，文中給出的清倉破拱設備的參數計算，可為不同直徑和不同出煤能力的平底筒倉中清倉破拱設備的設計提供參考。