履帶式螺旋清倉機的研發(fā)

◎辛爍軍，張 成，楊文生，張卓青，隨 賽

（1.中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053；

2.中央儲備糧鎮(zhèn)江直屬庫，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

履帶式螺旋清倉機的研發(fā)

◎辛爍軍1，張 成2，楊文生2，張卓青1，隨 賽1

（1.中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053；

2.中央儲備糧鎮(zhèn)江直屬庫，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

在分析我國淺圓倉現(xiàn)有清出倉技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國淺圓倉現(xiàn)有清出倉方式研發(fā)了淺圓倉的新型配套清倉裝備—履帶式螺旋清倉機。該設(shè)備采用履帶式行走驅(qū)動裝置，可有效解決驅(qū)動裝置在薄糧層上行走出現(xiàn)打滑的問題，減少行走裝置對糧食的破損。同時采用PLC變頻控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)履帶式螺旋清倉機的自動化、無人化作業(yè)。經(jīng)數(shù)次試驗表明，該設(shè)備能有效完成淺圓倉余糧的清出倉作業(yè)，大幅提高糧食的清倉效率，清出倉作業(yè)產(chǎn)能可達300 t/h，具有良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

淺圓倉；履帶式；清倉機；效率；產(chǎn)業(yè)化

1　淺圓倉清出倉現(xiàn)狀

淺圓倉占地少，投資低，機械化程度較高，是我國各類糧食儲備庫及糧油碼頭的主要倉型，已成為我國糧食流通中的關(guān)鍵節(jié)點。然淺圓倉自流出倉后余糧量大，如何提高淺圓倉余糧清理效率已成為影響我國糧食流通效率的一個關(guān)鍵問題。目前，我國糧食儲運行業(yè)淺圓倉的主要出倉方式有人工操作鏟車、移動式螺旋清倉機和固定式螺旋清倉機等。

1.1人工操作鏟車

鏟車清倉是目前國內(nèi)淺圓倉清倉普遍采用的一種清倉作業(yè)方式，主要是依靠人工操作鏟車進行淺圓倉余糧的清倉作業(yè)，如圖1所示。鏟車清倉具有單臺設(shè)備可多倉機動應(yīng)用，適應(yīng)性強，作業(yè)靈活等優(yōu)點。然此種作業(yè)方式機械化程度較低，不能實現(xiàn)清倉過程的自動化，效率不高。此外鏟車清倉時，工人需在倉內(nèi)操作鏟車，倉內(nèi)粉塵彌漫，工人工作環(huán)境惡劣；動力采用柴油動力，環(huán)境污染嚴重，且易污染糧食；鏟車鏟斗容易損壞倉內(nèi)空氣分配器及倉內(nèi)地面，作業(yè)有死角，特別是靠近倉壁的余糧。此清倉作業(yè)方式人工成本較高，作業(yè)方式落后，工人工作環(huán)境差已不符合現(xiàn)代糧食物流發(fā)展的需要，亦不符合“以人為本”的現(xiàn)代生產(chǎn)工作理念，同時也存在一定安全隱患，正逐漸被淘汰。

圖1　鏟車清倉現(xiàn)場圖

1.2移動式螺旋清倉機

移動式螺旋清倉機的作業(yè)方式，優(yōu)點：單臺設(shè)備可機動用于多倉，應(yīng)用一般，一次投資成本低，設(shè)備利用率高，機械化程度較高；缺點：移動設(shè)備時對地面平整度要求高，設(shè)備需多次拼裝、拆裝，耗時長，需人工操作，產(chǎn)量相對較小，運行成本較高，屬半機械化出倉，效率不高。由于淺圓倉門前均有防水臺階，設(shè)備移動困難，目前這種作業(yè)方式應(yīng)用較少。

1.3固定式螺旋清倉機

固定式螺旋清倉機的作業(yè)方式，優(yōu)點：產(chǎn)量大，運行成本低，基本實現(xiàn)淺圓倉的機械化、自動化出倉；缺點：一倉配一臺設(shè)備，一次投資相對鏟車和移動式螺旋清倉機稍高。目前此種作業(yè)方式市場需求較大。

通過對淺圓倉現(xiàn)有清倉作業(yè)方式的對比分析，固定式螺旋清倉機正逐漸成為淺圓倉清倉的主要作業(yè)方式。然而，市場上應(yīng)用的固定式螺旋清倉機產(chǎn)品均存在一定技術(shù)問題，主要集中在：①行走驅(qū)動裝置通用性差；②對倉內(nèi)地面適應(yīng)性差；③余糧厚度大，且難清理；④需要行走輔助設(shè)施，有時需改造倉內(nèi)土建結(jié)構(gòu)；⑤安裝復(fù)雜，費時耗力；⑥成本相對較高；⑦大產(chǎn)量，適應(yīng)大直徑倉的產(chǎn)品少；⑧控制系統(tǒng)簡單，不能完全實現(xiàn)出倉作業(yè)倉內(nèi)無人化管理。

2　履帶式螺旋清倉機的研發(fā)

中糧工程科技（鄭州）有限公司立足于研發(fā)適應(yīng)性強、通用性強、安裝簡單快捷、大產(chǎn)量的高效自動化清倉設(shè)備，研制淺圓倉出倉裝置—履帶式螺旋清倉機，以期實現(xiàn)淺圓倉散糧清出倉作業(yè)的機械化、自動化、高效化，優(yōu)化和完善糧食物流供應(yīng)鏈，提高糧食物流效率，降低糧食損耗，引領(lǐng)我國糧食儲藏物流技術(shù)裝備的快速發(fā)展，增強我國糧食物流現(xiàn)代化水平，提升糧食物流裝備行業(yè)的市場競爭力，保障國家糧食安全。

2.1履帶式螺旋清倉機的設(shè)計

履帶式螺旋清倉機主要應(yīng)用于淺圓倉糧食自流出倉后余糧的機械化、自動化清倉作業(yè)，主要有中心轉(zhuǎn)動支撐機構(gòu)、螺旋驅(qū)動裝置、螺旋清倉機構(gòu)、履帶行走驅(qū)動裝置和智能自動控制系統(tǒng)等組成。其設(shè)計方案如圖2所示。

圖2　履帶式螺旋清倉機設(shè)計示意圖

2.1.1中心轉(zhuǎn)動支撐機構(gòu)

中心轉(zhuǎn)動支撐機構(gòu)主要由轉(zhuǎn)動機構(gòu)與支撐座等部件組成，采用回轉(zhuǎn)軸承支承，承載力大，防傾覆力強，轉(zhuǎn)動靈活，運行平穩(wěn)。安裝時，支撐座直接放置于淺圓倉中心出料口上，無須固定；轉(zhuǎn)動機構(gòu)通過回轉(zhuǎn)軸承與支撐座螺栓聯(lián)接?，F(xiàn)有淺圓倉（筒倉）中心出料口無須改造即可安裝使用。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　中心轉(zhuǎn)動支撐機構(gòu)三維模型示意圖

2.1.2螺旋清倉機構(gòu)及螺旋驅(qū)動裝置

螺旋清倉機構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)與“Z”字型螺旋機殼相結(jié)合的方式進行設(shè)計。桁架結(jié)構(gòu)既滿足設(shè)備埋入糧食內(nèi)部時，承受上方糧食壓力與糧食自流出倉時糧食自流的沖擊力，又可保證清倉過程中在履帶行走裝置驅(qū)動和糧食阻力綜合作用下的剛度。螺旋驅(qū)動裝置安裝于螺旋清倉機構(gòu)上，采用粉塵防爆電機，通過減速器、同步傳送帶等方式驅(qū)動螺旋軸運轉(zhuǎn)，以達到螺旋輸送糧食的目的。螺旋驅(qū)動裝置與螺旋清倉機構(gòu)一體化的設(shè)計如圖4所示。

雷克薩斯旗下中型豪華轎跑車新RC于2018廣州車展上市。新RC共推出RC 300鋒尚版和RC 300 F SPORT版兩款車型，廠家建議零售價分別為45.5萬元和50.6萬元。

圖4　螺旋清倉機構(gòu)與螺旋驅(qū)動裝置圖

2.1.3履帶行走驅(qū)動裝置

履帶式螺旋清倉機在清倉過程中既要克服前方糧堆的巨大阻力，又要克服行走裝置在薄糧層上行走抓地力不足、易打滑等問題。針對行走驅(qū)動裝置的工況難點，項目組采用履帶式行走驅(qū)動設(shè)計方案，如圖5所示。履帶式行走驅(qū)動方式的采用，將大幅增加行走驅(qū)動裝置與糧面的接觸面積，降低行走驅(qū)動裝置對底部糧食的壓力進而減少糧食的破損，同時接觸面的增大也增加了履帶與糧面的摩擦力，為清倉機的行走提供足夠的動力支持，可有效解決清倉設(shè)備在大直徑淺圓倉、大產(chǎn)量清倉中存在的行走打滑問題。

圖5　履帶行走驅(qū)動裝置圖

2.1.4 智能自動控制系統(tǒng)

智能自動控制系統(tǒng)采用PLC與變頻器相結(jié)合的方式，增加人機交互功能，具有自動與遙控兩種作業(yè)模式，可實現(xiàn)無縫切換。智能自動控制系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速時采用變頻器的矢量控制方式保證電機輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)設(shè)備在重載狀態(tài)下的啟動；設(shè)備運行平穩(wěn)后，通過自動模式實現(xiàn)淺圓倉余糧清倉的倉外自動控制、倉內(nèi)自動清倉作業(yè)及倉內(nèi)無人化管理。智能自動控制系統(tǒng)的組成如圖6所示。

圖6　智能自動控制系統(tǒng)原理圖

2.2履帶式螺旋清倉機的工作原理

履帶式螺旋清倉機清倉工作過程，如圖7所示。

圖7　履帶式螺旋清倉機工作原理示意圖

中心轉(zhuǎn)動支撐機構(gòu)直接放置于淺圓倉中心出料口，相當于設(shè)備公轉(zhuǎn)的中心固定點。順次打開淺圓倉出料口，待倉內(nèi)物料自流出倉結(jié)束后，即可進行清倉作業(yè)準備。開啟履帶式螺旋清倉機的智能自動控制系統(tǒng)，進行設(shè)備自檢。自檢無誤后，選擇自動模式，開啟螺旋驅(qū)動電機，螺旋清倉機構(gòu)啟動，依靠螺旋的輸送作用，將物料輸送至淺圓倉中心出料口；待螺旋清倉機構(gòu)前方物料減少至一定程度時，智能自動控制系統(tǒng)自動開啟履帶行走驅(qū)動裝置，推動螺旋清倉機構(gòu)前進；待螺旋清倉機構(gòu)前方物料充滿至一定程度時，智能自動控制系統(tǒng)自動停止履帶行走驅(qū)動裝置運行，螺旋清倉機構(gòu)停止前進；整個過程，螺旋持續(xù)運轉(zhuǎn)將物料輸送至中心出料口，保證清倉作業(yè)連續(xù)性。智能自動控制系統(tǒng)反復(fù)啟、停履帶行走驅(qū)動裝置，直至螺旋清倉機構(gòu)繞倉中心出料口公轉(zhuǎn)一周，完成整倉清倉作業(yè)。

3　履帶式螺旋清倉機的試驗研究

3.1樣機空車試驗

在加工基地和中儲糧鎮(zhèn)江直屬庫對樣機分別進行了廠內(nèi)與倉內(nèi)空車試驗，如圖8、9所示。樣機在加工基地空載累計運行150 h，單次連續(xù)運轉(zhuǎn)最長30 h，期間樣機螺旋葉片運轉(zhuǎn)平順、無卡阻等問題，行走機構(gòu)正反轉(zhuǎn)運行平穩(wěn)，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、動作準確；倉內(nèi)空車試驗期間，樣機空車累計運行8 h，公轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)2周，樣機運行平穩(wěn)、可靠，各部件溫升正常，預(yù)定功能可全部實現(xiàn)，具備了生產(chǎn)性試驗條件。

圖8　樣機倉內(nèi)空車試驗圖

圖9　樣機倉內(nèi)空車試驗圖

3.2樣機生產(chǎn)性試驗研究

3.2.1樣機第一期生產(chǎn)性試驗

履帶式螺旋清倉機樣機在中儲糧鎮(zhèn)江直屬庫進行生產(chǎn)試驗。期間共進行3次清倉試驗，每次裝倉2 000 t大豆，以測試樣機負載啟動和清倉過程中的清倉產(chǎn)量、電流等參數(shù)，驗證控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏度。

此外，為驗證樣機重載、負載啟動能力，第一次與第二次清倉試驗樣機均不在倉內(nèi)正常工作?？课恢脝?。正常工作停靠位置：倉底出料口排布直徑方向。當設(shè)備在正常工作?？课恢脝訒r，糧食已完成自流出倉，螺旋機構(gòu)已露出糧面，螺旋啟動阻力?。环钦９ぷ魍？课恢茫簜}內(nèi)其余直徑方向。當設(shè)備在非正常工作?？课恢脝訒r，糧食雖已完成自流出倉，但螺旋機構(gòu)仍在糧堆內(nèi)部掩埋，螺旋葉片充滿糧食，螺旋啟動阻力大。通過第一次與第二次清倉試驗，樣機在重載工況（樣機的螺旋機構(gòu)全部埋入糧食內(nèi)部且糧堆高度大于1.5 m）下啟動，電機啟動電流過大，螺旋基本上不能轉(zhuǎn)動；樣機在負載工況（樣機的螺旋機構(gòu)全部埋入糧食內(nèi)部且糧堆高度小于1.5 m）下啟動，電機通過變頻器低速負載模式啟動，啟動電流基本正常，但啟動后工作電流超過額定電流25%，不利于螺旋驅(qū)動電機的運行。

第三次清倉試驗樣機停放于倉內(nèi)正常工作?？课恢谩＜Z食自流出倉完成后，通過變頻器低速負載模式啟動螺旋驅(qū)動電機，螺旋運轉(zhuǎn)正常，啟動電流正常；當螺旋葉片內(nèi)部糧食減少至設(shè)定值時，通過控制系統(tǒng)，變頻器自動跳轉(zhuǎn)至高速正常負載模式，螺旋葉片轉(zhuǎn)動正常，螺旋驅(qū)動電機工作電流滿足額定電流要求。生產(chǎn)試驗過程如圖10、11、12所示。

圖10　樣機清倉試驗自流出倉后設(shè)備露出圖（中心出料口）

圖11　樣機清倉試驗過程圖

圖12　樣機清倉試驗效果圖

通過3次清倉試驗，樣機基本滿足設(shè)計要求，平均出倉產(chǎn)量在250 t/h以上，產(chǎn)量最大可達300 t/h；控制系統(tǒng)自動控制模式反應(yīng)靈敏，動作準確，無須人工干預(yù)設(shè)備運行，但樣機存在行走機構(gòu)易掉鏈、履帶行走裝置機架強度不足等問題。

3.2.2樣機第二期生產(chǎn)性試驗

針對樣機行走機構(gòu)易掉鏈、履帶行走裝置機架強度不足等問題進行修改完善后，在中儲糧鎮(zhèn)江直屬庫對樣機進行第二期生產(chǎn)性試驗，此次試驗裝倉量為1萬t大豆（滿倉）。履帶式螺旋清倉機樣機在倉內(nèi)正常工作停靠位置啟動。糧食自流出倉完成后，通過變頻器低速負載模式啟動螺旋驅(qū)動電機，螺旋葉片運轉(zhuǎn)正常，驅(qū)動電機工作電流在額定電流范圍內(nèi)，符合要求。樣機清倉試驗過程如圖13、14所示。

圖13　樣機滿倉試驗過程圖

圖14　樣機滿倉試驗清倉過程圖

履帶式螺旋清倉機樣機的清倉效果如圖15所示，樣機清倉效果明顯，余糧較少，大幅降低了工人的勞動強度，達到了預(yù)期要求。

圖15　樣機滿倉試驗清倉效果圖

整個生產(chǎn)試驗過程中，履帶式螺旋清倉機運行平穩(wěn)，清倉作業(yè)連續(xù)性高，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、動作準確，作業(yè)產(chǎn)能可達300 t/h，實現(xiàn)了淺圓倉余糧清倉作業(yè)的機械化、自動化、高效化。

4　小結(jié)

履帶式螺旋清倉機的成功研發(fā)，實現(xiàn)了淺圓倉散糧的高效快捷連續(xù)出倉作業(yè)，作業(yè)產(chǎn)能可達300 t/h；同時可實現(xiàn)設(shè)備的倉外控制，倉內(nèi)高效、穩(wěn)定、自動化及無人化清出倉作業(yè)。

設(shè)備研發(fā)中采用的先進設(shè)計理念及眾多創(chuàng)新性設(shè)計保證了成果與國內(nèi)外類似產(chǎn)品相比明顯處于技術(shù)領(lǐng)先地位，其具有以下特點：①設(shè)備安裝簡單，倉內(nèi)無需任何改造，無須其他配套輔助設(shè)施（如軌道、鋼板等），通用性強，適用于所有平底圓倉（適應(yīng)倉直徑可達35 m）；②采用ADAMS、EDEM、ANSYS、Inventor等軟件對該研發(fā)設(shè)備進行三維仿真試驗?zāi)M，并對其關(guān)鍵點進行受力計算分析，以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能；③采用履帶式行走驅(qū)動裝置，確保行走驅(qū)動力及爬坡能力，且能適應(yīng)倉內(nèi)地面不平整情況，屬國內(nèi)首創(chuàng)；④智能自動控制系統(tǒng)采用PLC與變頻器相結(jié)合的方式，增加人機交互功能，具有自動與遙控兩種作業(yè)模式，可實現(xiàn)無縫切換，實現(xiàn)了設(shè)備的負載啟動及履帶行走裝置的智能啟?？刂?，同時達到節(jié)能減排的目的。

履帶式螺旋清倉機服務(wù)對象明確，定位于糧食儲運行業(yè)，屬于提高糧食流通效率的關(guān)鍵設(shè)備，符合國家的政策方向，市場容量巨大，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。該設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用可大幅提高物流節(jié)點清出倉效率，提高儲糧安全，可顯著帶動糧食物流主通道的順暢運行，并在糧食物流技術(shù)及裝備現(xiàn)代化、智能化、高效化、低碳化發(fā)展方面起到重要促進作用，有利于增強糧食物流供給能力，減少糧食損耗，帶動農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，保障國家糧食安全。

[1]白雪峰.一種新型的埋式螺旋清倉機[J].糧食流通技術(shù)，2006，12（6）：11-13.

[2]姜永順，譚華業(yè)，康 凱.幾種淺圓倉清倉設(shè)備的比較[J].糧油食品科技，2005，15（4）：15-17.

[3]柴文福，王永昌，閭維健.淺圓倉清倉作業(yè)機械的選擇[J].糧食與食品工業(yè)，2003，4（4）：44-47.

[4]王榮清.CQC系列移動式螺旋清倉機的研制[J].糧油食品科技，2004，14（2）：19-20.

[5]王 蓉.清倉機在淺圓倉的應(yīng)用[J].糧食流通技術(shù)，2004，10（1）：10-11.

[6]孫傳民，王 勇，劉勇獻.淺圓倉出糧技術(shù)初探[J].糧食流通技術(shù)，2001，7（3）：10-13.

Research and Development of the Crawler-type Sweeping Auger

Xin Shuojun1， Zhang Cheng2， Yang Wensheng2， Zhang Zhuoqing1， Sui Sai1
（1.COFCO Engineering & Technology （Zhengzhou） Co. Ltd， Zhengzhou 450053， China；
2.Zhenjiang Grain Storage， State Grain Reserves Corp， Zhenjiang 212000， China）

A new type of clearance equipment that the crawler-type sweeping auger of the squat silo was developed on the basis of the unloading technical equipment of our country combined with the existing sweeping & uploading methods for the squat silo. The crawler-type sweeping auger can effectively solve the problem of slipping on the thin grain layer and reduce the damage of the grain by using the crawler type walking device. Furthermore， using the PLC frequency control system can realize the automatic operation of the sweeping auger in the squat silo. Several tests on the product showed that it can effectively complete the uploading & sweeping operation of the surplus grain in the squat silo， and greatly improve the efficiency of the clearance with the unloading capacity up to 300 t/h. The crawler-type sweeping auger has a good prospect of the practical applications of industrialization.

Squat silo； Crawler-type； Sweeping auger； Efficiency； Industrialization

TD40

10.16736/j.cnki.cn41-1434/ts.2016.06.029

本文受到財政部2013年公益性行業(yè)科研專項基金資助（編號：201313010），項目名稱：“北糧南運”關(guān)鍵物流裝備研究開發(fā)。

辛爍軍（1980-），男，工程師；主要研究方向為糧食倉儲物流技術(shù)及裝備研發(fā)（主研筒倉進出倉及房式倉進出倉技術(shù)和裝備）。

張成（1973-），男，研究員級高工程師；主要研究方向為糧油儲藏及加工。