履带式螺旋清仓机的研发

◎辛烁军，张 成，杨文生，张卓青，随 赛

（1.中粮工程科技（郑州）有限公司，河南 郑州 450053；

2.中央储备粮镇江直属库，江苏 镇江 212000）

履带式螺旋清仓机的研发

◎辛烁军1，张 成2，杨文生2，张卓青1，随 赛1

（1.中粮工程科技（郑州）有限公司，河南 郑州 450053；

2.中央储备粮镇江直属库，江苏 镇江 212000）

在分析我国浅圆仓现有清出仓技术装备的基础上，结合我国浅圆仓现有清出仓方式研发了浅圆仓的新型配套清仓装备—履带式螺旋清仓机。该设备采用履带式行走驱动装置，可有效解决驱动装置在薄粮层上行走出现打滑的问题，减少行走装置对粮食的破损。同时采用PLC变频控制系统，可实现履带式螺旋清仓机的自动化、无人化作业。经数次试验表明，该设备能有效完成浅圆仓余粮的清出仓作业，大幅提高粮食的清仓效率，清出仓作业产能可达300 t/h，具有良好的产业化应用前景。

浅圆仓；履带式；清仓机；效率；产业化

1　浅圆仓清出仓现状

浅圆仓占地少，投资低，机械化程度较高，是我国各类粮食储备库及粮油码头的主要仓型，已成为我国粮食流通中的关键节点。然浅圆仓自流出仓后余粮量大，如何提高浅圆仓余粮清理效率已成为影响我国粮食流通效率的一个关键问题。目前，我国粮食储运行业浅圆仓的主要出仓方式有人工操作铲车、移动式螺旋清仓机和固定式螺旋清仓机等。

1.1人工操作铲车

铲车清仓是目前国内浅圆仓清仓普遍采用的一种清仓作业方式，主要是依靠人工操作铲车进行浅圆仓余粮的清仓作业，如图1所示。铲车清仓具有单台设备可多仓机动应用，适应性强，作业灵活等优点。然此种作业方式机械化程度较低，不能实现清仓过程的自动化，效率不高。此外铲车清仓时，工人需在仓内操作铲车，仓内粉尘弥漫，工人工作环境恶劣；动力采用柴油动力，环境污染严重，且易污染粮食；铲车铲斗容易损坏仓内空气分配器及仓内地面，作业有死角，特别是靠近仓壁的余粮。此清仓作业方式人工成本较高，作业方式落后，工人工作环境差已不符合现代粮食物流发展的需要，亦不符合“以人为本”的现代生产工作理念，同时也存在一定安全隐患，正逐渐被淘汰。

图1　铲车清仓现场图

1.2移动式螺旋清仓机

移动式螺旋清仓机的作业方式，优点：单台设备可机动用于多仓，应用一般，一次投资成本低，设备利用率高，机械化程度较高；缺点：移动设备时对地面平整度要求高，设备需多次拼装、拆装，耗时长，需人工操作，产量相对较小，运行成本较高，属半机械化出仓，效率不高。由于浅圆仓门前均有防水台阶，设备移动困难，目前这种作业方式应用较少。

1.3固定式螺旋清仓机

固定式螺旋清仓机的作业方式，优点：产量大，运行成本低，基本实现浅圆仓的机械化、自动化出仓；缺点：一仓配一台设备，一次投资相对铲车和移动式螺旋清仓机稍高。目前此种作业方式市场需求较大。

通过对浅圆仓现有清仓作业方式的对比分析，固定式螺旋清仓机正逐渐成为浅圆仓清仓的主要作业方式。然而，市场上应用的固定式螺旋清仓机产品均存在一定技术问题，主要集中在：①行走驱动装置通用性差；②对仓内地面适应性差；③余粮厚度大，且难清理；④需要行走辅助设施，有时需改造仓内土建结构；⑤安装复杂，费时耗力；⑥成本相对较高；⑦大产量，适应大直径仓的产品少；⑧控制系统简单，不能完全实现出仓作业仓内无人化管理。

2　履带式螺旋清仓机的研发

中粮工程科技（郑州）有限公司立足于研发适应性强、通用性强、安装简单快捷、大产量的高效自动化清仓设备，研制浅圆仓出仓装置—履带式螺旋清仓机，以期实现浅圆仓散粮清出仓作业的机械化、自动化、高效化，优化和完善粮食物流供应链，提高粮食物流效率，降低粮食损耗，引领我国粮食储藏物流技术装备的快速发展，增强我国粮食物流现代化水平，提升粮食物流装备行业的市场竞争力，保障国家粮食安全。

2.1履带式螺旋清仓机的设计

履带式螺旋清仓机主要应用于浅圆仓粮食自流出仓后余粮的机械化、自动化清仓作业，主要有中心转动支撑机构、螺旋驱动装置、螺旋清仓机构、履带行走驱动装置和智能自动控制系统等组成。其设计方案如图2所示。

图2　履带式螺旋清仓机设计示意图

2.1.1中心转动支撑机构

中心转动支撑机构主要由转动机构与支撑座等部件组成，采用回转轴承支承，承载力大，防倾覆力强，转动灵活，运行平稳。安装时，支撑座直接放置于浅圆仓中心出料口上，无须固定；转动机构通过回转轴承与支撑座螺栓联接。现有浅圆仓（筒仓）中心出料口无须改造即可安装使用。其整体结构如图3所示。

图3　中心转动支撑机构三维模型示意图

2.1.2螺旋清仓机构及螺旋驱动装置

螺旋清仓机构采用桁架结构与“Z”字型螺旋机壳相结合的方式进行设计。桁架结构既满足设备埋入粮食内部时，承受上方粮食压力与粮食自流出仓时粮食自流的冲击力，又可保证清仓过程中在履带行走装置驱动和粮食阻力综合作用下的刚度。螺旋驱动装置安装于螺旋清仓机构上，采用粉尘防爆电机，通过减速器、同步传送带等方式驱动螺旋轴运转，以达到螺旋输送粮食的目的。螺旋驱动装置与螺旋清仓机构一体化的设计如图4所示。

雷克萨斯旗下中型豪华轿跑车新RC于2018广州车展上市。新RC共推出RC 300锋尚版和RC 300 F SPORT版两款车型，厂家建议零售价分别为45.5万元和50.6万元。

图4　螺旋清仓机构与螺旋驱动装置图

2.1.3履带行走驱动装置

履带式螺旋清仓机在清仓过程中既要克服前方粮堆的巨大阻力，又要克服行走装置在薄粮层上行走抓地力不足、易打滑等问题。针对行走驱动装置的工况难点，项目组采用履带式行走驱动设计方案，如图5所示。履带式行走驱动方式的采用，将大幅增加行走驱动装置与粮面的接触面积，降低行走驱动装置对底部粮食的压力进而减少粮食的破损，同时接触面的增大也增加了履带与粮面的摩擦力，为清仓机的行走提供足够的动力支持，可有效解决清仓设备在大直径浅圆仓、大产量清仓中存在的行走打滑问题。

图5　履带行走驱动装置图

2.1.4 智能自动控制系统

智能自动控制系统采用PLC与变频器相结合的方式，增加人机交互功能，具有自动与遥控两种作业模式，可实现无缝切换。智能自动控制系统在低转速时采用变频器的矢量控制方式保证电机输出转矩，实现设备在重载状态下的启动；设备运行平稳后，通过自动模式实现浅圆仓余粮清仓的仓外自动控制、仓内自动清仓作业及仓内无人化管理。智能自动控制系统的组成如图6所示。

图6　智能自动控制系统原理图

2.2履带式螺旋清仓机的工作原理

履带式螺旋清仓机清仓工作过程，如图7所示。

图7　履带式螺旋清仓机工作原理示意图

中心转动支撑机构直接放置于浅圆仓中心出料口，相当于设备公转的中心固定点。顺次打开浅圆仓出料口，待仓内物料自流出仓结束后，即可进行清仓作业准备。开启履带式螺旋清仓机的智能自动控制系统，进行设备自检。自检无误后，选择自动模式，开启螺旋驱动电机，螺旋清仓机构启动，依靠螺旋的输送作用，将物料输送至浅圆仓中心出料口；待螺旋清仓机构前方物料减少至一定程度时，智能自动控制系统自动开启履带行走驱动装置，推动螺旋清仓机构前进；待螺旋清仓机构前方物料充满至一定程度时，智能自动控制系统自动停止履带行走驱动装置运行，螺旋清仓机构停止前进；整个过程，螺旋持续运转将物料输送至中心出料口，保证清仓作业连续性。智能自动控制系统反复启、停履带行走驱动装置，直至螺旋清仓机构绕仓中心出料口公转一周，完成整仓清仓作业。

3　履带式螺旋清仓机的试验研究

3.1样机空车试验

在加工基地和中储粮镇江直属库对样机分别进行了厂内与仓内空车试验，如图8、9所示。样机在加工基地空载累计运行150 h，单次连续运转最长30 h，期间样机螺旋叶片运转平顺、无卡阻等问题，行走机构正反转运行平稳，控制系统反应灵敏、动作准确；仓内空车试验期间，样机空车累计运行8 h，公转运转2周，样机运行平稳、可靠，各部件温升正常，预定功能可全部实现，具备了生产性试验条件。

图8　样机仓内空车试验图

图9　样机仓内空车试验图

3.2样机生产性试验研究

3.2.1样机第一期生产性试验

履带式螺旋清仓机样机在中储粮镇江直属库进行生产试验。期间共进行3次清仓试验，每次装仓2 000 t大豆，以测试样机负载启动和清仓过程中的清仓产量、电流等参数，验证控制系统反应灵敏度。

此外，为验证样机重载、负载启动能力，第一次与第二次清仓试验样机均不在仓内正常工作停靠位置启动。正常工作停靠位置：仓底出料口排布直径方向。当设备在正常工作停靠位置启动时，粮食已完成自流出仓，螺旋机构已露出粮面，螺旋启动阻力小；非正常工作停靠位置：仓内其余直径方向。当设备在非正常工作停靠位置启动时，粮食虽已完成自流出仓，但螺旋机构仍在粮堆内部掩埋，螺旋叶片充满粮食，螺旋启动阻力大。通过第一次与第二次清仓试验，样机在重载工况（样机的螺旋机构全部埋入粮食内部且粮堆高度大于1.5 m）下启动，电机启动电流过大，螺旋基本上不能转动；样机在负载工况（样机的螺旋机构全部埋入粮食内部且粮堆高度小于1.5 m）下启动，电机通过变频器低速负载模式启动，启动电流基本正常，但启动后工作电流超过额定电流25%，不利于螺旋驱动电机的运行。

第三次清仓试验样机停放于仓内正常工作停靠位置。粮食自流出仓完成后，通过变频器低速负载模式启动螺旋驱动电机，螺旋运转正常，启动电流正常；当螺旋叶片内部粮食减少至设定值时，通过控制系统，变频器自动跳转至高速正常负载模式，螺旋叶片转动正常，螺旋驱动电机工作电流满足额定电流要求。生产试验过程如图10、11、12所示。

图10　样机清仓试验自流出仓后设备露出图（中心出料口）

图11　样机清仓试验过程图

图12　样机清仓试验效果图

通过3次清仓试验，样机基本满足设计要求，平均出仓产量在250 t/h以上，产量最大可达300 t/h；控制系统自动控制模式反应灵敏，动作准确，无须人工干预设备运行，但样机存在行走机构易掉链、履带行走装置机架强度不足等问题。

3.2.2样机第二期生产性试验

针对样机行走机构易掉链、履带行走装置机架强度不足等问题进行修改完善后，在中储粮镇江直属库对样机进行第二期生产性试验，此次试验装仓量为1万t大豆（满仓）。履带式螺旋清仓机样机在仓内正常工作停靠位置启动。粮食自流出仓完成后，通过变频器低速负载模式启动螺旋驱动电机，螺旋叶片运转正常，驱动电机工作电流在额定电流范围内，符合要求。样机清仓试验过程如图13、14所示。

图13　样机满仓试验过程图

图14　样机满仓试验清仓过程图

履带式螺旋清仓机样机的清仓效果如图15所示，样机清仓效果明显，余粮较少，大幅降低了工人的劳动强度，达到了预期要求。

图15　样机满仓试验清仓效果图

整个生产试验过程中，履带式螺旋清仓机运行平稳，清仓作业连续性高，控制系统反应灵敏、动作准确，作业产能可达300 t/h，实现了浅圆仓余粮清仓作业的机械化、自动化、高效化。

4　小结

履带式螺旋清仓机的成功研发，实现了浅圆仓散粮的高效快捷连续出仓作业，作业产能可达300 t/h；同时可实现设备的仓外控制，仓内高效、稳定、自动化及无人化清出仓作业。

设备研发中采用的先进设计理念及众多创新性设计保证了成果与国内外类似产品相比明显处于技术领先地位，其具有以下特点：①设备安装简单，仓内无需任何改造，无须其他配套辅助设施（如轨道、钢板等），通用性强，适用于所有平底圆仓（适应仓直径可达35 m）；②采用ADAMS、EDEM、ANSYS、Inventor等软件对该研发设备进行三维仿真试验模拟，并对其关键点进行受力计算分析，以优化其结构性能；③采用履带式行走驱动装置，确保行走驱动力及爬坡能力，且能适应仓内地面不平整情况，属国内首创；④智能自动控制系统采用PLC与变频器相结合的方式，增加人机交互功能，具有自动与遥控两种作业模式，可实现无缝切换，实现了设备的负载启动及履带行走装置的智能启停控制，同时达到节能减排的目的。

履带式螺旋清仓机服务对象明确，定位于粮食储运行业，属于提高粮食流通效率的关键设备，符合国家的政策方向，市场容量巨大，具有良好的产业化前景。该设备的研发应用可大幅提高物流节点清出仓效率，提高储粮安全，可显著带动粮食物流主通道的顺畅运行，并在粮食物流技术及装备现代化、智能化、高效化、低碳化发展方面起到重要促进作用，有利于增强粮食物流供给能力，减少粮食损耗，带动农业增产，保障国家粮食安全。

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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

本文受到财政部2013年公益性行业科研专项基金资助（编号：201313010），项目名称：“北粮南运”关键物流装备研究开发。

辛烁军（1980-），男，工程师；主要研究方向为粮食仓储物流技术及装备研发（主研筒仓进出仓及房式仓进出仓技术和装备）。

张成（1973-），男，研究员级高工程师；主要研究方向为粮油储藏及加工。