絞吸式挖泥船加氣輸送機(jī)理及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法研究

提出一種新型清倉(cāng)破拱系統(tǒng)，可良好應(yīng)用在惡劣工況中。現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)以及載荷受力進(jìn)行說(shuō)明及分析。

0引言目前用于存儲(chǔ)散裝物料的筒倉(cāng)主要有以下 3 種結(jié)構(gòu)：

1 新型清倉(cāng)破拱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理圖

1 為倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)示意圖，圖 2 為新型清倉(cāng)破拱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，清倉(cāng)破拱系統(tǒng)主要由開式螺旋輸送機(jī)構(gòu)組成的自轉(zhuǎn)系統(tǒng)及銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的公轉(zhuǎn)系統(tǒng)構(gòu)成。 其中開式螺旋輸送機(jī)構(gòu)主要包括自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、回轉(zhuǎn)軸承、螺旋桿、軸承等；銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、銷軸環(huán)、行走輪、行走導(dǎo)軌等。 在銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上方筒倉(cāng)倉(cāng)壁設(shè)置一傘狀保護(hù)檐將銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遮住，保證物料不會(huì)將該機(jī)構(gòu)掩埋；螺旋輸送機(jī)自轉(zhuǎn)電機(jī)安置在筒倉(cāng)中心，下部通過回轉(zhuǎn)支撐連接在筒倉(cāng)底部，電機(jī)上方安置一傘形保護(hù)帽以保證物料不會(huì)落到電機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域；輸送機(jī)另一側(cè)支撐軸承與銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的銷軸環(huán)上部相連接。圖 12倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)示意圖1. 開式螺旋輸送機(jī)構(gòu)

2. 銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

1 23456 7 8 9 10 11 12

2 破拱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1. 倉(cāng)壁 2. 公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3. 驅(qū)動(dòng)齒輪 4. 銷軸環(huán) 5. 行走輪 6. 行走導(dǎo)軌 7. 出料口 8. 仐形保護(hù)帽 9 自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10. 回轉(zhuǎn)軸承11. 螺旋桿 12. 軸承 該清倉(cāng)破拱機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，先開啟自轉(zhuǎn)系統(tǒng)，自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，物料在螺旋推力作用下從螺旋處沿切線方向從倉(cāng)壁向中心運(yùn)動(dòng)，物料從筒倉(cāng)底部設(shè)置的出料口輸出， 進(jìn)料與出料方向在水平面呈 90°。 然后啟動(dòng)銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)安裝在銷軸環(huán)上的行走輪在行走軌道上滾動(dòng)。 軸承連接螺旋桿，底部與銷軸環(huán)相連。自轉(zhuǎn)系統(tǒng)與公轉(zhuǎn)系統(tǒng)相互配合工作，即可實(shí)現(xiàn)筒倉(cāng)清倉(cāng)破拱、輸出物料的作用。 運(yùn)行停止時(shí)先停止公轉(zhuǎn)系統(tǒng)，再停止自轉(zhuǎn)系統(tǒng)。新型清倉(cāng)破拱系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)2（1）銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為公轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)筒倉(cāng)粉塵大、無(wú)法良好潤(rùn)滑、重載荷低轉(zhuǎn)速的惡劣工況，如果遇到倉(cāng)儲(chǔ)空間大，物料料位高的工況，可安裝多個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)來(lái)增加輸出力矩。 有效地解決了第 3 種儲(chǔ)煤倉(cāng)內(nèi)清倉(cāng)破拱系統(tǒng)的局限性： 載荷較重時(shí)公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)打滑、空轉(zhuǎn)等問題；筒倉(cāng)容積較大，倉(cāng)內(nèi)物料料位較高或滿倉(cāng)時(shí)，物料壓實(shí)螺旋機(jī)導(dǎo)致螺旋機(jī)自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)困難等問題；物料堆放時(shí)間長(zhǎng)或物料含水量較大，物料黏連在一起時(shí)導(dǎo)致螺旋機(jī)公轉(zhuǎn)阻力較大等問題；（2）新型清倉(cāng)破拱系統(tǒng)配套的筒倉(cāng)其出料口設(shè)置在底部，筒倉(cāng)倉(cāng)壁為圓柱形，倉(cāng)壁下方傘狀保護(hù)檐將銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遮住，開式螺旋輸送機(jī)緊鄰出料口，筒倉(cāng)內(nèi)的物料是通過設(shè)在筒倉(cāng)屋頂中部的來(lái)煤帶式輸送機(jī)經(jīng)旋轉(zhuǎn)橋架、配煤帶式機(jī)及犁式卸料器將煤呈環(huán)狀均勻卸入煤倉(cāng)內(nèi)。 這種設(shè)計(jì)方式使得物料進(jìn)出形式為先進(jìn)先出式，在開式螺旋輸送機(jī)的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)帶動(dòng)下將物料均勻推送至各個(gè)出料口。 有效地避免了第 1 種筒倉(cāng)中物料長(zhǎng)期不流動(dòng)造成的板結(jié)、卸料困難等現(xiàn)象；避免了第 2 種筒倉(cāng)中錐形底占用容積較大以及對(duì)物料體積的局限性。 同時(shí)在土建以及機(jī)械造價(jià)方面都比上述 3 種筒倉(cāng)相對(duì)較低；（3）該新型清倉(cāng)破拱機(jī)構(gòu)配套電纜簡(jiǎn)單方便，自轉(zhuǎn)電機(jī)只是繞著圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，配套電纜轉(zhuǎn)動(dòng)幅度減小，安裝時(shí)的技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)性也大大減小。 而銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)只需在齒輪驅(qū)動(dòng)上的電機(jī)安裝電纜，齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在倉(cāng)壁一側(cè)，所以電纜線按固定式正常安裝即可。 有效避免出現(xiàn)第 3 種筒倉(cāng)清倉(cāng)破拱系統(tǒng)中自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其配套電纜作大半徑回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在的不便與安全隱患；（4）當(dāng)遇到物料凝結(jié)，起拱，輸送機(jī)公轉(zhuǎn)阻力較大時(shí)，可利用銷齒傳動(dòng)轉(zhuǎn)速可控的特點(diǎn)，先將輸送機(jī)自轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)，破除自轉(zhuǎn)范圍內(nèi)部分凝結(jié)起拱處，再進(jìn)行步進(jìn)式公轉(zhuǎn)，即公轉(zhuǎn)一定角度停止，自轉(zhuǎn)破除該凝結(jié)起拱處再繼續(xù)進(jìn)行公轉(zhuǎn)，直到所有凝結(jié)起拱處全部破除，既而正常運(yùn)行。

3 新型清倉(cāng)破拱系統(tǒng)受力分析

因該清倉(cāng)破拱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)并無(wú)相關(guān)制作安裝標(biāo)準(zhǔn)，其運(yùn)行時(shí)的受力分析需重新設(shè)計(jì)計(jì)算。 針對(duì)物料高處落下、滿倉(cāng)狀態(tài)下清倉(cāng)破拱系統(tǒng)深埋啟動(dòng)時(shí)受力問題進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算。3.1 物料高處落下對(duì)設(shè)備沖擊力物料高處落下對(duì)設(shè)備的沖擊力主要存在于螺旋輸送機(jī)受載荷部分的螺旋面和螺旋軸上，假設(shè)物料從倉(cāng)頂落下，下落高度為 H，物料密度為 ρ，物料體積為 V，螺旋面螺旋升角為 θ。根據(jù)動(dòng)能定理求出物料從高處落至接觸面未發(fā)生碰撞時(shí)的速度v0=ρ2gnH假設(shè)物料落至接觸面后與接觸面作用時(shí)間為Δt，根據(jù)沖量定理可求出物料對(duì)作用面的沖擊力式中v—作用過程中物料平均速度，m/s；m—物料的質(zhì)量，kg；vt—物料與接觸面作用完成后的速度，m/s；d—物料與接觸面作用時(shí)質(zhì)點(diǎn)的位移，mm。對(duì)螺旋面的沖力F′＝Fcos θ若已知物料與鋼板接觸面積 S，則可求出物料對(duì)鋼管以及螺旋面的壓強(qiáng) p=F/S。 該壓強(qiáng)可以作為螺旋機(jī)架選材時(shí)參考條件之一。3.2深埋啟動(dòng)時(shí)螺旋輸送機(jī)受力分析筒倉(cāng)內(nèi)的物料是通過設(shè)在筒倉(cāng)屋頂中部的來(lái)煤帶式輸送機(jī)經(jīng)旋轉(zhuǎn)橋架、配煤帶式機(jī)及犁式卸料器將煤呈環(huán)狀均勻卸入煤倉(cāng)內(nèi)，所以當(dāng)筒倉(cāng)內(nèi)物料料位較高時(shí)，其密度均勻，對(duì)倉(cāng)底螺旋機(jī)的載荷也均勻。 因物料只對(duì)螺旋桿有作用力，現(xiàn)對(duì)螺旋桿在靜止時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)分別作受力分析。

（1）螺旋桿自轉(zhuǎn)或靜止時(shí)載荷分析在筒倉(cāng)料位高度一定的前提下，螺旋桿自轉(zhuǎn)或靜止時(shí)，受到的載荷均為螺旋桿接觸面范圍內(nèi)物料的重力G＝ρS1hgn式中 S1—螺旋機(jī)投影面的面積；h—物料料位高度。假設(shè)螺旋桿自轉(zhuǎn)或靜止時(shí)主要受到物料對(duì)螺旋桿的均布載荷 q、均布載荷作用長(zhǎng)度為 b，即 G=qb；電機(jī)側(cè)以及銷軸環(huán)對(duì)桿的支反力 FA、FB。設(shè)螺旋桿長(zhǎng)度為 l，載荷左端離 A 點(diǎn)電機(jī)側(cè)距離為 a，其受力分析如圖 3（a）所示。由圖 3（a）可以看出，筒倉(cāng)料位高度大于螺旋桿高度時(shí)，螺旋桿在煤堆中處于受力平衡狀態(tài)。 根據(jù) Y軸方向受力平衡及力矩平衡方程可分別求出支反力

FB= qb （a+ 1 b）l 2FA= qb （l-a- 1 b）l 2

對(duì)于 AM 段，其剪力、彎矩方程分別為

FS（x）= qb （l-a- 1 b）l 2

M（x）= qb （l-a- 1 b）xl 2（0≤x＜a）

FS（x）= qb （a＋ 1 b）

M（x）= qb （a＋ 1 b）x（0≤x＜l-a-b）

對(duì)于 MN 段，螺旋桿受到一均布載荷的作用，其剪力、彎矩方程分別為

FS（x）= qb （l-a- 1 b）－qx（0≤x≤b）

M（x）= qb （l-a- 1 b）x- 1 qx2- 1 qa2（a≤x≤a+b）

由剪力彎矩方程可以看出：AM 段、NB 段螺旋桿剪力 FS 為一固定值，在剪力圖（見圖 3（b））上表示為一條直線，彎矩 M 為一次方程，在圖 3（c）上表示為斜線；MN 段螺旋桿剪力 FS 為一次方程，剪力圖上表示為一條斜線，彎矩為二次方程，彎矩圖上表示為拋物線。圖 3 螺旋桿的受力、剪刀、彎矩圖由剪力、彎矩圖可以看出，在螺旋桿兩側(cè)其剪力最大，在均布載荷 MN 段必然存在剪力為 0 的點(diǎn)，即FS=0，此時(shí)，螺旋桿彎矩最大。 該彎矩稱為該螺旋桿的極彎矩值。

（2）螺旋桿公轉(zhuǎn)時(shí)載荷分析螺旋桿驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中齒輪驅(qū)

F= qb （a+ 1 b）+ M +f式中f—銷齒環(huán)行走的滾動(dòng)摩擦力；F-f—支撐軸承徑向載荷。螺旋桿接觸面徑向載荷力（包括電機(jī)、聯(lián)軸器和回轉(zhuǎn)支撐）

F ′=pb- pb （a+ 1 b）- M

回轉(zhuǎn)支撐的摩擦阻力距

M＝ μD0 （NG+NM+NH）

式中μ—回轉(zhuǎn)支撐裝置滾動(dòng)體與滾動(dòng)軌道之間的摩擦系數(shù)；D0—回轉(zhuǎn)支撐裝置軌道中心的直徑，m；NG—軸向載荷，其數(shù)值等于垂直方向上電機(jī)側(cè)的支反力 FA，N；NM—傾斜力矩，垂直方向受力平衡，所以力矩為 0；NH—徑向載荷， 其數(shù)值等于水平方向電機(jī)側(cè)壓力 F ′，N。銷齒環(huán)行走的滾動(dòng)摩擦力f=μ1FB式中 μ1—行走輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；FB—垂直方向支撐軸承側(cè)的支反力，N。由上述數(shù)據(jù)可作出水平方向上均布載荷 q 下的剪力彎矩方程及剪力彎矩圖。對(duì)于 AM 段，其剪力、彎矩方程分別為圓周運(yùn)動(dòng)，可看做螺旋桿在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中處于受力平衡狀態(tài)，假設(shè)螺旋桿 A、B 點(diǎn)固定，其受力分析如圖 4（a）所示。經(jīng)過推導(dǎo)可求得驅(qū)動(dòng)齒輪傳遞的驅(qū)動(dòng)力對(duì)于 MN 段，螺旋桿受到一均布載荷的作用，其剪力、彎矩方程分別為

FS（x）=pb- pb （a+ 1 b）- M －qx （0≤x≤b）l 2

M（x）=［pb- pb （a+ 1 b）- M ］x+M- 1 px2- 1 pal 2 l 2 2（a≤x≤a+b）對(duì)應(yīng)剪力、彎矩圖如圖 4（b）、圖 4（c）所示。由圖 4 可以看出，在螺旋桿兩側(cè)其剪力最大，在均布載荷 MN 段必然存在剪力為 0 的點(diǎn)，即 FS=0，如圖上虛線位置，此時(shí)，螺旋桿彎矩最大，該彎矩稱為該螺旋桿的極彎矩值。 螺旋桿在選擇時(shí)應(yīng)滿足螺旋 面、螺旋軸的剪力彎矩要求，聯(lián)軸器、電機(jī)、支撐軸承的徑向載荷要求；回轉(zhuǎn)軸承的徑向、軸向載荷要求等，因考慮螺旋桿靜止時(shí)受的垂直方向的力、公轉(zhuǎn)時(shí)受到水平方向力的合力，該合力、合彎矩等，均可由平行四邊形法則求出。

4、結(jié)語(yǔ)

本文提出一種新型筒倉(cāng)內(nèi)清倉(cāng)破拱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由開式螺旋輸送機(jī)構(gòu)組成的自轉(zhuǎn)系統(tǒng)及銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的公轉(zhuǎn)系統(tǒng)兩部分組成。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，銷齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)開式螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，開式螺旋輸送機(jī)構(gòu)自轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋桿進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，2 種運(yùn)動(dòng)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)筒倉(cāng)清倉(cāng)破拱任務(wù)。該系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)了煤倉(cāng)粉塵大、無(wú)法良好潤(rùn)滑、重載荷低轉(zhuǎn)速等工況的特點(diǎn)，可以運(yùn)用在筒倉(cāng)直徑大，倉(cāng)內(nèi)料位高，筒倉(cāng)環(huán)境惡劣等工作環(huán)境，有效地解決了市面上筒倉(cāng)運(yùn)作時(shí)的種種問題。 將現(xiàn)場(chǎng)所需數(shù)據(jù)代入理論計(jì)算參考相關(guān)文獻(xiàn)可以計(jì)算出實(shí)際運(yùn)用載荷，可選出相關(guān)配件型號(hào)等。該系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外尚數(shù)首例，在相關(guān)行業(yè)極具推廣價(jià)值。

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