摘要：为更好地提升垂直螺旋卸船机使用性能，对垂直螺旋卸船机机理展开了研究。结合垂直螺旋卸船机生产实际，分析了单质点理论、流体力学理论以及颗粒群理论，同时围绕理想状态与实际状态讨论其运行机理。在此基础上，探讨了垂直螺旋机构运行的关键技术，选取喂料装置安装技术与回转电缆敷设技术进行分析，其中喂料装置安装技术通过多窗口被迫喂料及优化装置结构提升运行效率；而回转电缆敷设技则基于当前回转电缆机构及电缆布置走向进行技术优化，落实电缆支架安装、电缆长度计算等流程，进而针对各环节提出具体的工艺方案，确保垂直螺旋卸船机可以在卸船工业中发挥出应有的作用。

　　关键词：垂直螺旋卸船机；运行机理；喂料装置；关键技术

　　Research on the Mechanism and Key Technology of Vertical Spiral Unloader

　　Kuai Qiuhe1，Wang Jiru2

　　(1.State Energy Group Taizhou Power Generation Co.,Ltd.,Taizhou,Jiangsu 225327,China;2.Hangzhou Huaxin Mechanical and Electrical Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,China)

　　Abstract:To improve the performance of vertical spiral ship unloader,the mechanism of vertical spiral ship unloader is studied.Based on the production practice of vertical spiral ship unloader,the single particle theory,fluid mechanics theory and particle group theory are analyzed,and the operation mechanism is discussed around ideal state and actual state.On this basis,the key technology of the vertical spiral mechanism operation is discussed,and the installation technology of the feeding device and the laying technology of the rotary cable are selected for analysis.The installation technology of the feeding device improves the operation efficiency through the multi-window forced feeding and the optimization of the device structure;For the laying technology of slewing cable,technical optimization is carried out based on the current slewing cable mechanism and cable layout direction,the cable support installation,cable length calculation and other processes are implemented,and then specific process schemes are put forward for each link to ensure that the vertical spiral ship unloader can play a due role in the ship unloading industry.

　　Key words:vertical spiral unloader;operation mechanism;feeding device;key technology

　　0引言

　　近年来，我国经济水平持续提升，船业运输也得到持续发展。作为其中最常见的设备之一，垂直螺旋卸船机状态是影响作业效率的关键所在。垂直螺旋卸船机属于连续式卸船机，在取料能力、机头动作、封闭输送等方面优势突出。为进一步发挥出其应用优势，有必要对其运行机理展开深入研究。我国的垂直螺旋卸船机以引进、吸收为主，在自主创新生产方面仍有待提升。因此，本文结合垂直螺旋卸船机实际运行情况，充分了解其理论基础，掌握理想状态下与实际情况之间的区别与联系，进而针对实际运行中可能出现的问题提出有效的解决措施。在掌握垂直螺旋卸船机运行机理的基础上，进一步对其运行关键技术加以分析，充分了解推动其运行的技术支撑，同时通过理论与试验相结合的方式探讨有关技术的具体应用途径，为后续垂直螺旋卸船机的研制与推广的基础。通过对垂直螺旋卸船机机理与关键技术的研究，有助于填补我国当前在螺旋卸船技术领域的空白，更好地将相关内容应用到散货卸船与装备生产中。此外，采用一系列关键技术对垂直螺旋卸船机项目进行设计优化，有助于提升其整体的高效性与环保性，尽可能降低单台机制造成本费用投入，为我国连续螺旋卸船机标准化设计积累宝贵经验。

　　1垂直螺旋卸船机运输机理研究

　　1.1理论基础

　　1.1.1单质点理论

　　单质点理论在垂直螺旋卸船机输送中的应用其核心在于将螺旋面上的物料视为单一质点，在明确临界转速定义的基础山对其运行与受力状态进行分析。在这一状态下，物料自身同螺旋分力、重力分力以及物料高速旋转产生的离心力、摩擦力等可以保证平衡，进而可以计算出垂直螺旋输送量及功率。单质点理论在实际应用中更适用于充填率低、螺旋转速较小的螺旋卸船机，其计算结果与实际情况相适应，因此也具有更高的参考价值[1]。而随着充填率与螺旋转速提高，单质点理论就会因对物料内部作用力及螺旋面压力等内容考虑的不全面而与实际受力状态不符，因此不能对相关理论进行有效应用。

　　1.1.2流体力学理论

　　由于单质点理论计算结果同物料在螺旋卸船机内实际的运行状态不符，因此在对高充填率垂直螺旋卸船机输送机理进行研究时更多采用的是流体力学理论。其核心思想在于将物料视为理想流体，进而将物料在垂直螺旋输送过程中的流动规律赋予理想流体特征，并得出相应的物料自由表面曲线方程。然而值得注意的是，理想流体的流动形态并不完全与实际的垂直螺旋输送过程相符，这主要是因为理想流体假设并没有考虑到物料之间的摩擦力，而实际在螺旋输送时，物料状态会受到内壁压力、螺旋叶面摩擦力等多种因素的影响，进而也限制了流体力学理论在实际垂直螺旋输送机理中的研究。

　　1.1.3颗粒群理论

　　基于单质点理论与流体力学理论在实际应用中的局限性，又进一步将颗粒群理论引入到研究中。其核心在于将物料视为颗粒群，明确指出物料的分布特性会受到其垂直螺旋充填率及螺旋转速的影响，进而有效针对具体情况对不同的物料自由表面类型加以分析。相较于单质点理论，颗粒群理论最大的创新在于考虑到物料旋转产生的离心力以及与管壁之间的产生的侧压力，以及物料之间的摩擦力，有效区别于流体力学理论。物料自由表面形状的划分需要以螺旋转速和充填率为依据，对于不同的充填系数、螺距、螺旋旋转角速度等参数应建立与之相对应的自由表面曲线方程，从而对垂直螺旋卸船机的生产率及驱动功率等性能参数进行计算，为后续提供数据支持[2]。

　　1.2理想与实际分析

　　1.2.1理想状态机理分析

　　分析理想状态下垂直螺旋卸船机的机理，即忽略螺旋外径与管壁之间的间隙，分析在物料向上的离心力以及管壁摩擦力作用下，物料实现向上输送的过程。当垂直螺旋卸船机处于旋转状态时，物料在惯性作用下开始旋转并持续加速。在摩擦力作用下，处于槽壁的物料会与螺旋叶片之间产生相对运动，并不会向上移动[3]。通常情况下，将物料垂直向上运动的螺旋最低转速称为临界转速，只要在此临界转速以上，物料就可以保持向上运动的状态。针对理想情况下垂直螺旋卸船机的运行进行机理分析往往只能应用于一般性理解当中，若需要满足参数计算以及故障分析等功能需求则需要结合实际状态展开更加深入的机理分析。

　　1.2.2实际状态机理分析

　　(1)旋转物料自由表面形状方程

　　实际上，在垂直螺旋卸船机运行过程中，其物料会在运动过程中形成一定的凹面抛物面，结合旋转物料的受力情况可以得到旋转物料自由表面形状方程。

　　式中：μ1为物料摩擦系数；ω为螺旋转速，rad/s；g为重力加速度；g=9.8 m/s2；r为所选单元体距中心线距离，m；Rc为中心轴半径，m；Hc为物料在中心轴处堆积高度，m；C为常数项。

　　(2)间隙内物料单元的受力分析及方程建立

　　在角度间隙为dθ的基础上，对物料的运动轨迹进行研究，为保证其可以处于向上的运动状态，就需要对物料全部提升的最大间隙t进行计算，其公式为：

　　式中：μ为物料间的内摩擦因数；F内为物料内部产生的对单元物料的推动力，N；F外为管璧对单元物料产生的阻力，N；T为物料作用于单元体上的离心力，N；N为管壁对单元体的侧压力，N；φ为物料上升角度，(°)；ρ为物料密度，kg/m3；L为螺旋叶片之间距离，m。

　　1.3物料楔的形成

　　在垂直螺旋卸船机实际运行过程中，垂直螺旋会出现弯曲变形以及与管壁不同心的情况。这就会导致若外径与管壁之间的间隙较小，物料楔的运动就会受到整体高速旋转提升过程的影响，进而在内部空间中局部产生高压，造成物料堵塞的情况，并影响到后续输送机等处理[4]。

　　1.4物料的破碎作用

　　在通过垂直螺旋卸船机接卸物料的时候，应从其作业状态及非作业状态出发，受到间隙过小的影响易出现物料破碎的情况[5]。针对这样的问题，主要可以从以下几方面入手：一是通过计算明确最佳的间隙范围，保证物料均可以处于向上的运动状态，尽可能减少物料破碎的情况出现，对垂直螺旋卸船机生产力的提升也可以提供保障；二是在当前基础上提升螺旋与管璧安装精度，控制偏心量以避免物料楔的形成；三是针对具体的物料采用合适的制作材料，以便更好地完成作业任务[6]。

　　2垂直螺旋卸船机关键技术

　　2.1喂料装置安装技术

　　垂直螺旋卸船机喂料头结构的具体构成如图1所示[7]。

　　2.1.1多窗口被迫喂料

　　在垂直螺旋输送机内部安装相对旋转式取料装置可以有效提升其充填率，最高可达到90%，其输送能力也可以达到600 t/h以上。例如，在垂直提升高度为H=25 m，摩擦因数μ=0.4，密度ρ=0.85 t/m3，螺旋直径D=850 mm的情况下，喂料能力就可以达到1 500 t/h。为最大限度上提升喂料装置的运行效率，可以通过安装强迫式多窗口喂料装置的方式，通过提升喂料头喂料量来增加垂直螺旋输送机输送量。值得注意的是，在此过程中还应对垂直输送速度进行合理把控，避免出现喂料口堵料的情况，提升物料供给的均衡性[8]。

　　2.1.2结构与效率

　　为提升喂料装置的能力，可以采用圆柱形筒体装置，自上而下设置4个喂料窗口与螺旋叶片[9]。垂直螺旋卸船机喂料头结构的额定生产率在1 400~2 000 t/h左右，因此喂料装置的母线角度也会随着其上升方向而逐渐增加，通过这样的形式来增加对物料的挤压力，保证可以推动底层物料进入到喂料装置中，最大限度上提升垂直螺旋卸船机喂料效率，也便于相关人员对物料情况进行分析[10]。

　　2.2回转电缆敷设技术

　　2.2.1当前技术应用情况

　　(1)回转电缆机构

　　当前螺旋卸船机的主要构成包括门架、转柱塔、水平臂架等，其中转柱塔是卸船机的主要结构，其内部安装有卸料系统溜筒装置[11]。筒体和转柱塔之间的驱动装置称为回转机构，保证可以在0.15 r/min状态下实现±110°回转。

　　(2)电缆布置走向

　　垂直螺旋卸船机的电缆布置主要由上部电缆和下部电缆组成，通过回转机构进行并延伸至垂直螺旋臂架驱动装置、喂料驱动装置等环节。当前，回转部分所敷设的电缆大约为60根，进而承担动力、控制、通信等功能[12]。其技术困难在于需要保证电缆连接合理的基础上实现回转，同时保证在不影响半自动电气控制系统的正常运行，避免法兰变形等情况的出现[13]。

　　2.2.2回转电缆敷设优化技术

　　(1)安装电缆支架

　　考虑到卸料系统的溜筒装置需要安装在中心回转轴线上，因此首先需要考虑到的是要基于其在中心线上的直径预留出一定的位置，避免电缆回转时对溜筒表面造成影响。其次，针对移动端电缆支架需要考虑到电缆向下的延展性，减少电缆受损的情况出现。再次，在门架筒体上安装电缆支架需要保证其角度与移动端电缆支架相同，避免出现绞头[14]。最后，安装高度控制在低于移动端电缆支架高度1 m左右，并且可以根据具体情况进行调节，确保满足电缆垂悬部分的最大拉伸需求(如图2所示)。

　　(2)电缆长度计算

　　计算垂悬电缆长度时，需要先安装完成移动以及固定端支架。考虑到其回转角度为±110°，因此其垂悬电缆长度应满足+110°以及–110°的回转位置，并将其作为电缆的最大拉伸距离[15]。值得注意的是，为避免电缆断裂，需要给垂悬电缆加上一定的安全系数，通常为理论长度的1.2倍。3结束语

　　综上所述，垂直螺旋卸船机在船业生产运输中发挥着十分关键的作用。本文针对垂直螺旋卸船机以单质点理论、流体力学理论以及颗粒群理论作为理论基础，通过对理想状态与实际运行状态的分析，对物料堵塞问题提出有效措施。指出垂直螺旋卸船机的运行涉及喂料装置安装技术以及回转电缆敷设技术等关键技术的实施，在相关技术的支持下可以促进垂直螺旋卸船机生产效率的提升。本文基于喂料头喂料原理对喂料窗口参数进行了创新计算，有效实现最高喂料效率的匹配，促进垂直螺旋卸船机运行效率的提升。

       [1]姚强.螺旋卸船机水平螺旋中物料运动仿真分析[J].港口装卸,2021(5):34-37.

　　[2]夏圣雨.螺旋卸船机垂直螺旋输送机中间支撑对比分析[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(19):127-131.

　　[3]刘龙,刘永生.基于EDEM对连续卸船机盘式给料装置的料流分析[J].起重运输机械,2020(4):80-82.

　　[4]董良太,邢萌,王新,等.螺旋卸船机门架输送机构改进[J].现代食品,2021(6):11-12.

　　[5]刘青,熊光宝,霍同乾.600 t/h移动式悬链斗卸船机结构设计及其稳定性分析[J].港口装卸,2022(1):10-12.

　　[6]朱笑雷.链斗式连续型卸船机智能化系统设计及应用[J].冶金自动化,2022,46(S1):268-270.

　　[7]康中利,陈勇博,陈淑雷,等.BMH螺旋卸船机垂直臂螺旋更换方法及维修工艺[J].现代食品,2021(14):18-20.

　　[8]黄志平,郭建军,王博强.分析卸船机智能化控制系统的构建[J].电子技术与软件工程,2021(19):105-106.

　　[9]王俊华,张起伟,叶阜.螺旋卸船机专利分布[J].起重运输机械,2019(21):77-81.

　　[10]陈文卫.卸船机加固改造案例分析[J].现代制造技术与装备,2022,58(5):125-127.

　　[11]杨勇.卸船机实时安全监控系统研究与设计[J].电子世界,2021(21):206-207.

　　[12]陈斌,杨森.煤码头卸船机料斗系统堵料落料改造建议[J].珠江水运,2021(19):11-12.

　　[13]袁锡康,周英强,傅鸣亮.螺旋卸船机整机搬运和吊装方案与实施[J].中国水泥,2020(3):107-112.

　　[14]吴建兵,杨凯.抓斗卸船机载荷分析[J].湖北第二师范学院学报,2021,38(2):49-52.

　　[15]宗翠荣,钱豪佳.大型卸船机跨越地面皮带机廊道整机滚装上岸技术[J].中国水运,2021(9):118-120.