立筒倉的研究及虛擬設(shè)計

（江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，江西南昌330044）

立筒倉是用來存儲、輸送及處理各類散裝物料的基本設(shè)備，隨著社會的發(fā)展，大規(guī)模的生產(chǎn)業(yè)需要大規(guī)模的立筒倉，因此立筒倉的合理研究設(shè)計和應(yīng)用對企業(yè)安全連續(xù)生產(chǎn)、改善勞動強(qiáng)度起著極為重要的作用。設(shè)計立筒倉應(yīng)滿足存儲物料的容量、具有足夠的強(qiáng)度、卸料順暢等功能，而立筒倉形式可以分為波紋板拼裝式立筒倉和螺旋卷邊式立筒倉兩種[1-2]。根據(jù)客戶武漢溫氏提供容量及要求，本文研究的螺旋卷邊式立筒倉，主要是因為它結(jié)構(gòu)簡單，可現(xiàn)場施工及施工周期短，施工工藝過程中采用螺旋提升式安裝等優(yōu)點。

1 立筒倉的組成及工藝過程

立筒倉主要由倉頂、倉壁、倉底及支撐結(jié)構(gòu)等組成，根據(jù)武漢溫氏的需求及結(jié)合江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所實際設(shè)計情況對立筒倉進(jìn)行分析并設(shè)計立筒倉的外形尺寸為?10 m×H17 m施工方案如圖1，施工過程中采用2、2.5、3 mm厚，寬495 mm的鍍鋅卷板經(jīng)過成型機(jī)和卷邊機(jī)絞邊后組成立筒倉側(cè)壁并形成連續(xù)環(huán)繞（30～40 mm）的螺旋凸條，這些螺旋凸條在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)立筒倉的強(qiáng)度，卷板的成型外形如圖2所示，設(shè)計這種形狀是因為在成型加工過程中可保證密封性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并用6.3#、8#、10#、12#槽鋼按照一定順序進(jìn)行側(cè)壁環(huán)向的加固和支撐，鍍鋅卷板與槽鋼之間的聯(lián)接是通過人工焊接完成。施工過程中我們采用先進(jìn)的成型機(jī)和卷邊機(jī)相互組合對鍍鋅鋼板進(jìn)行絞邊成型組成螺旋形立筒倉，成型機(jī)及卷邊機(jī)如圖3所示，而立筒倉的特點是物料從上部進(jìn)入，下部卸料，加上螺旋卷邊式立筒倉的特性及裝載物料時承受壓力的情況來確定鍍鋅鋼板厚度及槽鋼的型號。

圖1 立筒倉施工方案

圖2 卷板成型截面尺寸

2 立筒倉的荷載分析

圖3 成型機(jī)和卷邊機(jī)施工過程

立筒倉所受的荷載主要有永久載荷和可變載荷，永久載荷包括立筒倉結(jié)構(gòu)自重和固定設(shè)備重量，可變載荷有儲料荷載、風(fēng)荷載及雪荷載等[1]，而設(shè)計過程中需要考慮作用于底部和筒倉側(cè)壁的壓力，加上一般單位及企業(yè)設(shè)計立筒倉受力分析一般是借助經(jīng)驗，這樣會導(dǎo)致材料的浪費或立筒倉出現(xiàn)負(fù)面影響而破壞結(jié)構(gòu)性能。當(dāng)物料連續(xù)進(jìn)入時，立筒倉的底部受到的力逐漸增大，而側(cè)壁受力由下向上成線性遞減，因此在設(shè)計時根據(jù)立筒倉受力情況選擇不同型號的卷邊鍍鋅鋼板和槽鋼進(jìn)行組合，組成立筒倉的側(cè)壁，而立筒倉在物料加入時，物料加入的重力公式為（1），隨著物料的加入側(cè)壁受到的壓力越來越大，槽鋼和卷邊鍍鋅鋼板的受力可以看成是線性壓力，而卷邊鍍鋅鋼板厚度t與立筒倉直徑D相比（3∶10 000），槽鋼主要是加勁作用，因此立筒倉看成是薄壁結(jié)構(gòu)，既立筒倉受到的內(nèi)力有薄壁內(nèi)力和彎曲內(nèi)力，它們的受力如圖4所示，Pn表示承受的壓力，Pf為流動時產(chǎn)生的摩擦力，PG為物料的重力，其公式表示成（1）式所示。

圖4 立筒倉的受力分析

式中：PG——物料重力；

R——立筒倉半徑；

h——物料的高度。

重力是由物體自身受地球引力而產(chǎn)生的，而側(cè)壓力是物料在重力作用下相互擠壓所致，物料對立筒倉任一高度截面的作用力可分為垂直立筒倉倉壁的水平壓力、立筒倉倉壁表面上的豎向摩擦力及立筒倉倉頂?shù)牡蹴攭毫Γ鶕?jù)Janssen理論知它們在立筒倉深度h處靜壓時的水平壓力和豎向摩擦力的計算公式[6-9]如下：

式中：γ——物料的重力密度；

ρ——筒倉水平截面的水力半徑；

μ——物料對倉壁的摩擦系數(shù)；

μ——側(cè)壓力系數(shù)。

物料在卸載過程中除了考慮這幾種力之外還需要考慮卸料時的動載荷及季節(jié)性風(fēng)速的影響。

3 立筒倉結(jié)構(gòu)的虛擬設(shè)計

虛擬設(shè)計是科技發(fā)展產(chǎn)生的設(shè)計手段，是借助于電腦及設(shè)計軟件在電腦上完成，不用生產(chǎn)實際產(chǎn)品就可以把產(chǎn)品的性能及結(jié)構(gòu)外形表現(xiàn)出來，可節(jié)省產(chǎn)品試驗的費用。把虛擬設(shè)計應(yīng)用在立筒倉上，主要是把立筒倉的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能表現(xiàn)出來，提高設(shè)計水平及產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)計過程中要對立筒倉結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)立筒倉結(jié)構(gòu)及組成，運用三維軟件對立筒倉主要零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，具體如圖5所示。

圖5 立筒倉部件設(shè)計及裝配安裝

把設(shè)計好的零部件模型通過裝配體，按照配合要求及約束條件組裝各部件將其按從上到下的順序裝配起來如圖5所示，在裝配體中還可以對設(shè)計的零部件進(jìn)行干涉檢查，保證零部件之間無干擾和重疊現(xiàn)象以便在設(shè)計過程中可以對模型進(jìn)行修改，直到設(shè)計效果達(dá)到最佳。

4 結(jié)論

本文是根據(jù)武漢溫氏客戶儲存物料的需求，在確保容積和物料流暢及安全的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程規(guī)模選擇材料、確定結(jié)構(gòu)模式及制造工藝，在同等條件下采用虛擬設(shè)計，使得立筒倉設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，減少開發(fā)產(chǎn)品周期和成本，整個過程連續(xù)有序，發(fā)揮立筒倉的最佳性能，同時也使得立筒倉向系列化、通用化方向發(fā)展，逐步成為糧食飼料工業(yè)中可直接選用定型配套設(shè)備。

[1]劉大同，張寶魁，等.立筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計中的貯料壓力計算分析[J].河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報，2010（1）：13-15.

[2]溫永民，李杰.散立筒倉的設(shè)計[J].起重運輸機(jī)械，2009（5）：26-28.

[3]莊建橋，龐聲海.飼料廠配立筒倉設(shè)計方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005,36（11）：95-97.

[4]陳長冰.影響立筒倉流型因素綜合分析[J].中國農(nóng)機(jī)化，2006（1）：58-60.

[5]李青松，孫雄星.大豆鋼板倉的應(yīng)用及工藝設(shè)計[J].中國油脂，2010,35（6）：55-59.

[6]常雙君.大直徑圓筒倉結(jié)構(gòu)邊緣受力效應(yīng)分析[J].中北大學(xué)學(xué)報，2010,31（2）：200-204.

[7]左青，葉春生，嚴(yán)云修.豆粕儲存?zhèn)}及附屬設(shè)施[J].中國油脂，2010,25（6）：59-62.

[8]王春維，龐美榮.鋼板倉的類型及工藝流程設(shè)計[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1999（4）：36-39.

[9]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，糧食鋼板筒倉設(shè)計規(guī)范（GB50322—2001）,北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2001.