新型螺旋式卸船机

王细平 罗世兵

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

螺旋输送由于其全封闭的特点，可有效避免散料在运输过程中产生撒料和粉尘，因而得到广泛使用。随着各国对环保的重视，螺旋机需求呈增长趋势，国内外用户需求较迫切。本文提出一种新研发的螺旋卸船机，采用水平螺旋输送与输送带输送的新型组合方案，降低了过去长距离臂架水平螺旋的安装难度，且可更大程度地适应各类煤炭作业需求，提高了设备的生产效率，增强了设备的环保效能。

1 螺旋卸船机使用情况

我国从20 世纪80 年代初开始对螺旋卸船机进行研究，但研究大多为小型螺旋机，高效大型螺旋机未取得突破。

近年来我国大型高效螺旋卸船机研发取得一定突破，生产能力可达到2 000 t/h 以上，作业船型可达10万DWT 及以上。到目前为止，国产1 500t/h 及以上的螺旋卸船机成功应用的不到10 台，在满足适应各种作业物料特性的处理作业工况方面，大型高效螺旋卸船机在国内仍处于技术发展期。随着我国大宗散货运输的发展，需要大运量高效率的环保型螺旋卸船机以适应散料处理的需求。

2 螺旋卸船机的形式及构造

港口用螺旋卸船机根据整机形式主要分为固定式及移动式2 种（见图1），适用于不同的码头装卸工艺系统。螺旋卸船机主要由喂料装置、垂直螺旋、水平输送装置以及其他辅助设备组成。通过俯仰、钟摆等运动满足低水位满舱作业、高水位空舱出舱工况。垂直螺旋取料、输送，可钟摆动；水平输送装置可俯仰和回转；配置有平衡配重、大车行走机构，能满足用户高效环保作业要求。

根据不同物料输送特性，水平输送装置可采用全螺旋输送，也可采用水平螺旋与带式输送的组合形式。

3 新型螺旋式卸船机的设计要点及特点

3.1 新型螺旋卸式船机设计要点

本文所述的螺旋卸船机包含了高效率喂料装置、垂直螺旋提升装置以及新型组合式水平输送装置，与传统水平螺旋输送不同，新型组合水平输送为水平螺旋输送与输送带输送的组合方案，如图2 所示。

图2 组合型水平输送系统

1）总体设计

针对大运量卸船作业需求，总体设计应满足可俯仰、钟摆、回转等多自由度联合动作作业，且满足低水位满舱作业，高水位空舱出舱的需要。根据作业需要，俯仰角度下俯17°，钟摆角度±300°，回转作业角度±115°。配置了多窗口喂料装置，提高了喂料效率；采用了不等距配置中间支承，解决了长距离螺旋输送的刚度与共振问题；应用输送带输送与水平螺旋输送的组合方式，完成了螺旋卸船机作业物料更大范围的适应性。项目的总体设计可满足生产率1 500 t/h，作业船型达到10 万DWT。

2）水平螺旋输送机

水平螺旋输送装置主要包含了螺旋体、螺旋外管、竖直吊杆支承以及驱动装置。为满足喂料能力为1 500～2 200 t/h 的输送量，通过计算优化配置螺旋直径、螺距以及输送转速的关系，满足大运量水平螺旋输送效果。根据额定生产率，针对水平螺旋输送理论计算，选择螺旋体直径1 250 mm，螺旋体选择双头螺旋叶片作为主要输送载体。螺旋输送管道采用全耐磨材质，取消内壁衬垫装置，提高了螺旋管输送寿命、减少了安装工艺与工期。为了降低长距离螺旋体侧向动刚度，在距离不等的螺旋体中间增加了竖直吊杆支承结构，以保证螺旋体的动刚度。

3）垂直螺旋提升装置

在垂直螺旋输送中，螺旋叶片螺旋线的头数、螺距、直径、转速等结构和参数是影响螺旋输送能力的关键。为了满足输送大运量的卸船效率（生产率1 500 t/h），项目研制了大直径（Ф850 mm）双头螺旋线垂直输送装置；为了降低长距离输送产生的共振问题，螺旋体分段不等距布置；在螺旋体分段处，采用无轴承螺旋线中间支撑的结构形式，增加了长距离、高速旋转的螺旋体动刚度。垂直螺旋输送驱动采用了变频控制技术，通过调整电动机运行频率，以达满足可变的高效率卸船生产率。为达到长寿命使用周期，本项目采用一体式全耐磨输送外管装置。

4）多窗口喂料装置

本文所述螺旋式卸船机是一种以强迫式喂料装置取料，经过垂直螺旋装置提升，臂架输送带或螺旋输送机对物料进行输送的系统。喂料装置由筒体、破碎锤、反压式螺旋线叶片以及喂料窗口组成。强迫式喂料装置满足喂料能力大于1 500 t/h 的输送量，通过优化计算配置了Ф950 ～Ф1 000 mm 喂料筒径，喂料装置通过破碎锤松散物料，在圆周方向配置数量不等的破碎装置。在喂料下方设置沿圆周方向反螺旋叶片，螺旋母线的长度由116 mm 递增至600 mm，母线角度从90°递减为0°，形成下压式反螺旋片状，对物料进行强制性喂料，以达取料输送能力。

新型螺旋多窗口喂料装置满足大运量高效率的卸船需求，在传统3 个窗口以及3 个反压式螺旋线叶片的基础上优化设计，改进为4 个窗口以及4 条反压式螺旋线叶片，以满足高效喂料需求。

5）水平带式输送机

在螺旋式卸船机的臂架输送系统采用了带式输送的方式，其主要目的是解决螺旋卸船机的物料适应性问题。

水平带式输送机设计选型以及计算参照DTII 型设计手册，包含了输送带、托辊、滚筒、清扫器以及罩壳等。输送带驱动方式采用变频软启动进行电动机控制，可有效实现堵料满载启动。带式输送机带宽1 600 mm，带速为2.95 m/s，作业最大角度为-17°，额定输送能力为1 500 t/h，最大可达1 800 t/h。

3.2 新型螺旋卸船机的特点

相比于水平输送采用全螺旋的输送系统，新组合型的水平输送系统降低了以往长距离臂架水平螺旋的安装难度，且可更大程度地适应各类煤炭作业需求，提高了设备的生产效率，增强了设备的环保效能，具有如下特点

1）提高了物料的适应性 螺旋卸船机作业处理的散货物料包含粮食、化肥、水泥、煤炭等。近年来全国新建码头数量和港口吞吐量持续稳定增长，煤炭的泊位数和吞吐量都较高（煤码头吞吐量占所有干散货吞吐量的比例为30%），然而相对其他散料，煤炭物料特性相差很大，不同含水量导致煤炭的堆积角以及黏性不同，从而影响生产率。

由于水平螺旋输送的机理，针对黏性煤炭作业中，水平螺旋体在高速旋转工况下存在少量的物料粘贴在螺旋叶片上，对螺旋体动平衡量发生变化，螺旋体产生一定的抖动，影响整机性能的稳定性的问题。采用组合型输送带，由短距离水平螺旋过渡到输送带输送，可有效解决黏煤的适应性。

2）降低水平安装难的问题 在螺旋卸船机中，若采用全水平螺旋输送，特别是作业船型达5 万DWT 及以上的散货船，水平输送长度可达25 m 以上；在受力工况下，由于臂架系统的下挠、多节螺旋的装配累计误差等，对于长距离输送的水平螺旋，其径向刚度的跳动是整个螺旋体平稳运行的关键。

本文叙述的组合型水平输送装置由1 节短距离水平螺旋过渡，长距离输送功能由带式输送机完成，这种方式可以有效地、最大限度地满足水平臂架钢结构的实际刚度需求，更合理地优化臂架结构的设计，减轻结构自重，从而优化了整体的倾覆力矩，提高了整机的稳定性。

3）提高了设备检修的便捷性 针对煤炭作业的适应性问题，由于煤炭中含有一定量的异物，在水平段输送过程中存在异物卡堵螺旋体的可能性，导致螺旋体无法运转，虽然全螺旋水平输送考虑了这一点，采用了剖分式输送管道以及处理窗口等措施，但是一旦发生卡死存在很大的检修难度。新结构采用了输送带输送，不存在异物卡堵问题，如遇非正常情况能够做到快捷检修处理。

4）增强了设备的环保效能 水平输送段采用了相对成熟的输送带输送技术，采用环保性封闭廊道输送，可在节能方面减少输送功率。相同长度的水平输送情况下，采用输送带输送的消耗功率仅为水平螺旋输送的30%及以下。

5）由于带式输送对物料特性的要求，相对煤炭而言，最大作业角度为13°～17°，而全螺旋水平输送最大作业角度可以达20°，故组合输送带输送需要增加垂直提升高度满足作业范围。

6）在作业中输送带返程带料引起物料积压在臂架结构上，应采用一种清扫装置或者增加了人工清扫的工作量。

7）为确保螺旋卸船机全封闭输送的环保工况以及输送带输送雨天作业，增加输送带输送的封闭防雨罩。

4 案例分析

示例项目额定生产能力为1 500 t/h，最大生产率为1 800 t/h，作业船型为10 万DWT，作业物料为煤炭。为了满足作业工况需要，项目垂直提升高度25 m，水平输送采用了螺旋与带式输送组合，螺旋输送6 m，输送带接料输送长度22 m，共计28 m 的水平输送距离。

4.1 喂料装置

为了提高喂料效率，采用新型多窗口喂料装置，自上而下延伸圆柱形筒体，筒体周壁的底端开设有窗口；螺旋叶片设置在筒体的周壁上，从窗口的侧面延伸至窗口的上方。沿螺旋叶片的上升方向，螺旋叶片的母线与螺旋叶片的轴线之间的夹角逐渐增加。窗口和螺旋叶片的数量均为4 个，沿筒体的周向，4 个螺旋叶片的位置与4 个窗口的位置一一对应。4 窗口喂料均匀布置在筒壁一周，使得螺旋取料时，保证了至少2 个窗口在取料。在每个窗口上面布置渐变母线、渐变法线角度，强迫喂料，实现了大运量、高效率喂料（见图3）。

图3 4 窗口喂料装置

螺旋卸船机的额定生产率为1 500 t/h。对于喂料装置，沿螺旋叶片的上升方向，螺旋叶片的母线角度逐渐增加。通过该设置，螺旋叶片呈朝向窗口内扣的形状，可增加对物料的挤压力，在清仓阶段，有利于将底层物料压入喂料装置，提高清仓效率。

4.2 垂直螺旋提升装置

针对生产率1 500 t/h 的作业需求，对螺旋管径、螺距、转速等关系进行了理论研究，为了降低长距离输送产生的共振问题，采用螺旋体分段不等距布置；在螺旋体分段处应用无轴承螺旋线中间支撑的结构形式，增加了长距离、高速旋转的螺旋体动刚度。垂直螺旋输送驱动采用了变频控制技术，通过调整电动机运行频率，达到满足可变的高效率卸船生产率。为达到使用寿命周期更长的目的，采用一体式全耐磨输送外管装置。垂直螺旋直径φ为850 mm，采用双头螺旋叶片布置，通过变频驱动实时调整产能，优化格参数的匹配实现了大产能要求，形成了LX850 系列的垂直螺旋提升装置。

4.3 水平螺旋输送系统设计选型

项目过渡短距离输送段采用水平螺旋形式，螺旋输送直径φ为1 250 mm，输送过度长度6 m，最大输送能力为1800 t/h。

1）螺旋输送能力计算

螺旋输送能力的计算为

式中：Im为生产率，D为螺旋直径，C为螺旋倾角系数，n为螺旋主轴转速，S为螺旋螺距，φ为物料填充系数，ρ为物料的堆积密度。

根据式（1）计算，本项目选用LX1250 系列水平螺旋输送系统，输送能力达到设计要求。

2）螺旋输送功率计算

螺旋输送功率的计算为

式中：P为螺旋机输送功率，PH为物料运行时所需功率，PN为空转运行时所需功率，Pst为倾斜输送物料所需功率，Im为生产率，L为输送机长度，σ为物料阻力系数，H为提升高度，D为螺旋直径。

4.4 带式输送系统选型

本项目长距离输送段采用输送带输送形式，最大输送能力为1 800 t/h。

1）带式输送机输送能力计算

带式输送机断面如图4 所示，带式输送机输送能力为

图4 输送带断面图

式中：Qps为带式输送机输送能力，A为物料截面面积，A1为上部槽形面积，A2为下部梯形面积，Lt为中间托辊长度，b为输送带可用宽度(当B≤2 m，b=0.9B-0.05 m；当B＞2 m，b=B-0.25 m)，λ为托辊槽角，θs为物料运行堆积角，B为输送带宽度，Vp为输送带速度，K为倾斜系数，Ψfr为填充率，r为物料密度。

根据式（3）计算可得，选用B=1.6 m 输送带输送系统，输送能力达到设计要求。

2）运行功率计算

式中：Pm为输送带运行功率，η为带式输送机效率，F为驱动滚筒圆周力，FH为主要运行阻力，Fst为倾斜阻力，FbA为加速惯性阻力，Ff为导料槽阻力，F1为滚筒缠绕阻力，Ft为滚筒轴承阻力，FS1为主要附加阻力，FS2为附加特种阻力。

通过对比计算可知，在全长28 m，最大输送能力1 800 t/h、倾斜角度17°的相同情况下，采用全螺旋结构形式，理论计算功率为274 kW，采用一节短距离水平螺旋加长距离输送带输送形式，理论计算功率为130 kW，可节省功率为144 kW，极大地降低了水平输送段的运行功率。

5 结语

本文从作业物种的适应性、设备安装的便利性以及维保的成本方面等进行了详细分析，应用短距离水平螺旋加带式输送机代替全螺旋水平输送将极大地提高螺旋卸船机在作业时的灵活性、通用性、节能性，具有很大的实用价值，可产生良好的经济效益。