淺圓倉全液壓智能螺旋清倉機優化設計

賈志平 費海波 張奕泓

1 交通運輸部水運科學研究院 2 廈門海隆碼頭有限公司

1 引言

為適應我國糧食進口量持續增加的發展趨勢,許多港口企業新建淺圓倉,增加港口存儲能力。為了加快筒倉周轉效率,最直接的方式是縮短清倉機作業時間,而清倉機作為淺圓倉清倉主力設備,提升其生產效率、實現自主清倉、杜絕安全事故成為重要課題。

淺圓倉是密閉空間,在進出倉作業時會產生大量粉塵,根據強制國家標準GB17440-2008《糧食加工、儲運系統粉塵防爆安全規程》的防爆分區規定,筒倉內部為20區,是粉塵防爆最高級別[1]。目前還沒有電機獲得20區粉塵防爆認證,而行業內普遍使用的電動清倉機,電機安裝在筒倉內部,在清倉作業時存在一定的安全隱患。

筒倉在存儲大豆時,板結一直是出倉作業的難點。大豆含有較高的脂肪和蛋白質,當筒倉內溫度過高(>25℃)時,脂肪會發生氧化,釋放出熱量和水分,并造成大豆軟化[2]。溫度持續升高會加劇氧化作用。由于筒倉內豆粒間隙小、壓力大、通風困難,筒倉比熱傳導強,加之沿海港口在夏秋季處于高溫、高濕的環境,造成軟化后的豆粒在高溫、高壓、高濕和軟化酶的共同作用下,進一步互相擠壓粘連導致板結。板結形成后,糧食失去自流性,出倉作業時,糧堆會出現反復坍塌,而行業廣泛使用的電動清倉機普遍存在扭矩不足的問題,會被坍塌的大量糧食堵塞停止運轉。

為解決以上問題,開發淺圓倉全液壓智能螺旋清倉機。該產品采用全液壓驅動形式,液壓泵站安裝在筒倉及廊道外,筒倉內無電氣元件,可解決20區粉塵防爆問題;采用恒功率控制技術,可自動調節螺旋的轉速和扭矩值,非板結工況螺旋處于高轉速低扭矩工作點,板結工況螺旋處于低轉速高扭矩工作點,同時可滿足板結和無板結2種工況,具有很好的適應性;具有自動清倉功能,可自主完成清倉作業,清倉時不需要人員進倉輔助作業,可實現人機分離。

2 系統組成

全液壓智能螺旋清倉機系統包括定心回轉裝置、機頭傳動裝置、公轉驅動裝置、結構支撐裝置、螺旋輸送裝置、公轉軌道、液壓系統、電控系統、液壓出管組件等(見圖1)。

1.定心回轉裝置 2.機頭傳動裝置 3.螺旋驅動裝置 4.液壓出管組件 5.液壓系統 6.結構支撐裝置 7.公轉驅動裝置 8.公轉軌道圖1 全液壓驅動式智能螺旋清倉機結構組成

定心回轉裝置固定在筒倉中心落料口,保證清倉機在清倉時旋轉中心不會發生變化,并將清倉機機體的受力傳遞給筒倉底部土建基礎。

機頭傳動裝置提供螺旋驅動的支撐,將驅動螺旋的反作用力傳遞給定心回轉裝置。

公轉驅動裝置,為公轉運動提供動力,保證清倉機機體平穩做圓周運動。

結構支撐裝置均布在螺旋驅動裝置料槽上,在筒倉滿倉時,支撐機體結構,減小機體結構應力。

公轉軌道是公轉機構運行基準,軌道板需精鑄后再機加工,保證公轉驅動裝置鏈輪在運行時不會出現打滑情況。液壓出管組件用于保護液壓管路不會被落料磨損。

液壓系統包括泵站電機、液壓泵、電液比例多路閥、螺旋驅動馬達、公轉驅動馬達、液壓過濾器、散熱器等。螺旋驅動馬達安裝在機頭傳動裝置,用于驅動螺旋軸旋轉,使物料輸送至中心落料口;公轉驅動馬達安裝于公轉驅動裝置上,推動機體做圓周運動。

電控系統包括PLC控制器、功率放大模塊、顯示屏及其他低壓元器件,可滿足20區粉塵防爆要求,系統控制算法由電控系統完成。液壓泵站及電控系統布置在皮帶機廊道外側,筒倉內所有控制均采用液控方式,無電氣元件。

3 技術參數及特點

3.1 技術參數

為更好地匹配筒倉現有輸送系統,對產品的技術參數進行了優化,優化后的技術參數見表1。

表1 技術參數

3.2 技術特點

3.2.1 降低螺旋阻力設計

原樣機采用定螺距設計,所有螺旋螺距相同。在清倉作業時,物料主要由倉壁側物料最高、阻力最大側輸送至中心落料口,螺旋在前端和中段無法進料。由于物料重力作用,對螺旋內部物料產生擠壓,增大物料對螺旋片的摩擦力,使得螺旋阻力增大。為解決此問題,螺旋改為變螺距方式,將螺距分為4段,從中心落料口到筒倉壁螺距依次為400 mm、320 mm、225 mm、150 mm。螺旋分段后,使得螺旋每一段都留有空間進料,可減小因物料重力產生的正壓力,降低螺旋阻力。利用DEMSlab和Adams軟件耦合對優化后的設計進行仿真。

首先,由Solidworks建立螺旋機構模型(見圖2);其次,利用DEMSlab軟件內部模塊對大豆建模,設置大豆參數;在螺旋被1.2 m高度大豆覆蓋的情況下,利用DEMSlab和Adams軟件耦合仿真,得出螺旋驅動扭矩曲線。

圖2 螺旋機構建模

從圖3仿真計算結果曲線中,可以看出:初始時刻物料幾乎遮蓋住整段螺旋輸送機,此時需要約7 300 Nm驅動扭矩使設備運行;隨著物料高度降低,運行5 s后,扭矩約3 700 Nm;10 s后,扭矩降低到3 300 Nm。

圖3 仿真計算結果曲線

3.2.2 雙恒功率設計

全液壓清倉機采用恒功率控制方式。理論上,降低轉速,增大扭矩。但是電機驅動無法實現此控制方式,電機工作在額定轉速以下,是恒扭矩控制,最大轉矩為額定轉矩,轉速降低并不能提升電機輸出扭矩;額定轉速以上,雖然可以實現恒功率控制,但在高速段,輸出轉矩始終小于額定轉矩,對破板結沒有幫助。

為在低轉速下也能實現恒功率控制,首臺樣機采用電液控制方式,電液系統可根據螺旋負載大小,自動尋找恒功率曲線上的最優工作點(見圖4)。當負載增加時,可自動減小轉速,在驅動功率不變的情況下,提升螺旋驅動力,增強破板結能力;當負載減小時,再自動增大轉速,降低輸出扭矩。此功能在現場取得了很好的效果。

圖4 液壓系統恒功率曲線

根據圖3仿真結果曲線,螺旋啟動力矩至少需要7 300 Nm,樣機受液壓元件額定壓力影響,最大扭矩只能達到6 900 Nm。為了解決此問題,螺旋驅動馬達采用變排量控制方式。在破板結工況下,馬達增大排量,重新建立恒功率曲線,馬達在相同額定壓力下,具有更大的輸出扭矩,最大輸出扭矩可達10 000 Nm,大于仿真得出的最大阻力矩,保證螺旋在1.2 m高度大豆覆蓋下可靜態啟動。

3.2.3 泵站設計更合理

原智能螺旋清倉機的泵站采用常規設計,未充分考慮筒倉現場復雜的使用環境。優化后,泵站采用全包圍設計,可防雨、防墜物,并對液壓系統所有元件進行保護;油管接口整齊布置在泵站一側,方便液壓油管整體布置。

4 結語

全液壓智能螺旋清倉機可有效降低企業長期運營成本和人力成本,實現安全、綠色、智能、高效、可靠的清倉作業,進一步提升糧食儲運系統的周轉效率和儲運能力,對推動筒倉裝卸技術及裝備產業升級有著積極的促進作用,具有良好的社會效益和經濟效益。