淺圓倉全液壓智能螺旋清倉機優(yōu)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(xù)增加的發(fā)展趨勢,許多港口企業(yè)新建淺圓倉,增加港口存儲能力。為了加快筒倉周轉(zhuǎn)效率,最直接的方式是縮短清倉機作業(yè)時間,而清倉機作為淺圓倉清倉主力設備,提升其生產(chǎn)效率、實現(xiàn)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(yè)時會產(chǎn)生大量粉塵,根據(jù)強制國家標準GB17440-2008《糧食加工、儲運系統(tǒng)粉塵防爆安全規(guī)程》的防爆分區(qū)規(guī)定,筒倉內(nèi)部為20區(qū),是粉塵防爆最高級別[1]。目前還沒有電機獲得20區(qū)粉塵防爆認證,而行業(yè)內(nèi)普遍使用的電動清倉機,電機安裝在筒倉內(nèi)部,在清倉作業(yè)時存在一定的安全隱患。

筒倉在存儲大豆時,板結(jié)一直是出倉作業(yè)的難點。大豆含有較高的脂肪和蛋白質(zhì),當筒倉內(nèi)溫度過高(>25℃)時,脂肪會發(fā)生氧化,釋放出熱量和水分,并造成大豆軟化[2]。溫度持續(xù)升高會加劇氧化作用。由于筒倉內(nèi)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(huán)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(jié)。板結(jié)形成后,糧食失去自流性,出倉作業(yè)時,糧堆會出現(xiàn)反復坍塌,而行業(yè)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(zhuǎn)。

為解決以上問題,開發(fā)淺圓倉全液壓智能螺旋清倉機。該產(chǎn)品采用全液壓驅(qū)動形式,液壓泵站安裝在筒倉及廊道外,筒倉內(nèi)無電氣元件,可解決20區(qū)粉塵防爆問題;采用恒功率控制技術,可自動調(diào)節(jié)螺旋的轉(zhuǎn)速和扭矩值,非板結(jié)工況螺旋處于高轉(zhuǎn)速低扭矩工作點,板結(jié)工況螺旋處于低轉(zhuǎn)速高扭矩工作點,同時可滿足板結(jié)和無板結(jié)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(yè),清倉時不需要人員進倉輔助作業(yè),可實現(xiàn)人機分離。

2 系統(tǒng)組成

全液壓智能螺旋清倉機系統(tǒng)包括定心回轉(zhuǎn)裝置、機頭傳動裝置、公轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、結(jié)構(gòu)支撐裝置、螺旋輸送裝置、公轉(zhuǎn)軌道、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓出管組件等(見圖1)。

1.定心回轉(zhuǎn)裝置 2.機頭傳動裝置 3.螺旋驅(qū)動裝置 4.液壓出管組件 5.液壓系統(tǒng) 6.結(jié)構(gòu)支撐裝置 7.公轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置 8.公轉(zhuǎn)軌道圖1 全液壓驅(qū)動式智能螺旋清倉機結(jié)構(gòu)組成

定心回轉(zhuǎn)裝置固定在筒倉中心落料口,保證清倉機在清倉時旋轉(zhuǎn)中心不會發(fā)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(qū)動的支撐,將驅(qū)動螺旋的反作用力傳遞給定心回轉(zhuǎn)裝置。

公轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置,為公轉(zhuǎn)運動提供動力,保證清倉機機體平穩(wěn)做圓周運動。

結(jié)構(gòu)支撐裝置均布在螺旋驅(qū)動裝置料槽上,在筒倉滿倉時,支撐機體結(jié)構(gòu),減小機體結(jié)構(gòu)應力。

公轉(zhuǎn)軌道是公轉(zhuǎn)機構(gòu)運行基準,軌道板需精鑄后再機加工,保證公轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置鏈輪在運行時不會出現(xiàn)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(tǒng)包括泵站電機、液壓泵、電液比例多路閥、螺旋驅(qū)動馬達、公轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達、液壓過濾器、散熱器等。螺旋驅(qū)動馬達安裝在機頭傳動裝置,用于驅(qū)動螺旋軸旋轉(zhuǎn),使物料輸送至中心落料口;公轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達安裝于公轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置上,推動機體做圓周運動。

電控系統(tǒng)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(qū)粉塵防爆要求,系統(tǒng)控制算法由電控系統(tǒng)完成。液壓泵站及電控系統(tǒng)布置在皮帶機廊道外側(cè),筒倉內(nèi)所有控制均采用液控方式,無電氣元件。

3 技術參數(shù)及特點

3.1 技術參數(shù)

為更好地匹配筒倉現(xiàn)有輸送系統(tǒng),對產(chǎn)品的技術參數(shù)進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的技術參數(shù)見表1。

表1 技術參數(shù)

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(yè)時,物料主要由倉壁側(cè)物料最高、阻力最大側(cè)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(nèi)部物料產(chǎn)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(chǎn)生的正壓力,降低螺旋阻力。利用DEMSlab和Adams軟件耦合對優(yōu)化后的設計進行仿真。

首先,由Solidworks建立螺旋機構(gòu)模型(見圖2);其次,利用DEMSlab軟件內(nèi)部模塊對大豆建模,設置大豆參數(shù);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(qū)動扭矩曲線。

圖2 螺旋機構(gòu)建模

從圖3仿真計算結(jié)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(qū)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(jié)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(zhuǎn)速,增大扭矩。但是電機驅(qū)動無法實現(xiàn)此控制方式,電機工作在額定轉(zhuǎn)速以下,是恒扭矩控制,最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速降低并不能提升電機輸出扭矩;額定轉(zhuǎn)速以上,雖然可以實現(xiàn)恒功率控制,但在高速段,輸出轉(zhuǎn)矩始終小于額定轉(zhuǎn)矩,對破板結(jié)沒有幫助。

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

圖4 液壓系統(tǒng)恒功率曲線

根據(jù)圖3仿真結(jié)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(qū)動馬達采用變排量控制方式。在破板結(jié)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(tài)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(guī)設計,未充分考慮筒倉現(xiàn)場復雜的使用環(huán)境。優(yōu)化后,泵站采用全包圍設計,可防雨、防墜物,并對液壓系統(tǒng)所有元件進行保護;油管接口整齊布置在泵站一側(cè),方便液壓油管整體布置。

4 結(jié)語

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