机械化平房仓刮平机的研发

◎辛烁军，郭井涛，高 兰，随 赛

（中粮工程科技（郑州）有限公司，河南 郑州 450053）

机械化平房仓刮平机的研发

◎辛烁军，郭井涛，高 兰，随 赛

（中粮工程科技（郑州）有限公司，河南 郑州 450053）

在调研我国平房仓现有进、出仓技术装备的基础上，结合我国粮食物流现状研发了一种平房仓的新型配套装备—机械化平房仓刮平机。机械化平房仓刮平机的大型开放式刮板系统、悬挂升降系统、行走系统及电控系统的设计制造存在较多技术难题，通过对本装备各个技术难题的研究分析，提出了相应的解决方案，成功研制出集进出仓及平仓功能于一体的新型刮平机。经试验表明：该装备实现了平房仓散粮的机械化进出仓、平仓作业，大幅提高散粮的进出仓效率。机械化平房仓刮平机的推广应用将促进我国散粮仓储物流效率提高，具有巨大的经济效益和社会效益。

平房仓；机械化平房仓；刮平机；进出仓；平仓；仓储物流

1 平房仓概述

平房仓是我国粮食储备库中使用广泛、库容量大的一种仓型，其适应性强、建设周期短、建造成本低，在我国粮食储备中被广泛应用。平房仓散粮的进仓主要靠移动式皮带机和补仓机搭接作业，产量一般为5 0～1 0 0 t/h；进仓后还需补仓机补仓及人工平仓；出仓采用扒粮机和移动式皮带机搭接作业。具体情况如下：

1.1 移动式皮带机和装仓机搭接作业式进仓

如图1、2所示，运粮车辆开到平房仓外，由多台移动式皮带机及筛分设备搭接组成粮食输送线，人工将粮袋拆开或打开车辆卸粮口将粮食流进移动式皮带机，通过皮带输送，将粮食运至仓内;仓内粮食堆积到一定高度后，使用皮带机和补仓机将粮食从窗口输送进仓。进粮作业需要多台移动式皮带输送机同时工作，并且在进仓过程中需要移动仓内皮带机的位置，辅助人员较多，同时粮食在输送过程中抛洒较多，现场粉尘污染严重，雨雪天无法作业。

图1 平房仓粮食补仓(外)

图2 平房仓粮食入仓(内)

图3 入仓工艺流程

1.2 人工平整粮面

如图4所示，平房仓内装满粮食后，粮面高低不平，此时就需要人工平整粮面，作业空间内粉尘飘扬污染严重，严重影响着操作人员的身体健康。

图4 人工平整粮面

1.3 移动式皮带机和扒谷机搭接作业式出仓

出仓工艺流程见图5。如图6、7所示，人工控制扒谷机将粮食装载到仓内皮带机上，通过由多台移动式皮带机组成的粮食输送线，将粮食输送到停放在仓外的运粮车上。出仓作业需要多台移动式皮带输送机及扒谷机同时工作，辅助人员较多，同时粮食输送过程中抛洒较多，现场粉尘污染严重，雨雪天无法作业。

图5 出仓工艺流程

目前，国内平房仓的进、出仓及平仓作业存在的问题主要有:人工辅助工作量大、粮食抛洒较多;自动化水平低、作业效率不高;工作环境中，粉尘浓度大，环境恶劣;受天气状况影响较大。这些不利因素一定程度上制约了我国粮食仓储物流行业的发展，阻碍了我国粮食仓储物流企业的竞争力，威胁着国家的粮食安全。

2 机械化平房仓刮平机研发目标

针对国内粮食仓储现状，中粮工程科技（郑州）有限公司组织力量着力研发机械化平房仓的配套装备—机械化平房仓刮平机，以期实现平房仓散粮连续机械化进出仓及平仓作业，提高粮食物流效率，减少粮食流通损失，大幅改变平房仓半机械化作业现状，增强粮食物流现代化水平，改善工人工作环境，引领我国粮食储藏物流技术装备的快速发展，逐步形成智能、高效、品优的粮食储藏物流新格局，提升我国农产品物流的整体水平，促进农业产业的发展，确保粮食储藏物流环节品质和数量稳定，保障国家粮食安全。

图6 平房仓粮食出仓(外)

图7 平房仓粮食出仓(内)

机械化平房仓刮平机的主要性能参数:作业产能200 t／h，可连续作业，实现平房仓散粮进出仓及平仓作业机械化、高效化、管控一体化。

3 机械化平房仓刮平机研发流程

3.1 机械化平房仓刮平机结构型式的组成

机械化平房仓刮平机主要由开放式刮板系统、悬挂升降系统、刮板链驱动装置、行走系统和电控系统组成。其设计方案如图8所示。

图8 机械化平房仓刮平机设计方案示意图

机械化平房仓刮平机在平房仓中的应用工艺流程（见图9）:在平房仓的仓顶设有固定式多点卸料装仓设备，入仓粮食靠自溜及粮食的静止角堆积成形，再由刮平机进行平仓，装仓系数较高，仓容利用充分，装粮高度可达8～10 m，甚至更高。下设出粮地沟，部分物料可自溜出仓，剩余物料采用刮平机强制出仓。

3.1.1 大型开放式刮板系统

该系统采用轻型桁架结构，设计制造长度20 m开放式刮板系统。其整体结构如图10所示。

图10 大型开放式刮板系统立体模型示意图

图9 刮平机在机械化平房仓中的应用工艺图

A—针对设备长度长，既要保证设备刚度又要减轻设备重量。本文采用三维设计软件，对机架部分首先进行三维建模，然后利用ANSYS有限元分析软件进行多方位对比分析，对机架关键节点的受力情况进行计算分析，并请专业结构工程师利用PKPM专业结构设计软件优化机架的结构和选材，在保证刚度的情况下，尽量减轻设备重量。

B—针对设备机架直线度问题。本研究自制24 m长的大型平台，在平台上制作整体焊接胎具，制定合理的焊接方案，采用小的焊接电流减少焊接变形。焊接后直接在胎具上采取去应力措施，待设备尺寸稳定后再松开机架的固定压板。

C—为保证二根链条同步。在设计驱动装置时，二根链条采用一个电机-一台减速机驱动。电机与减速机刚性联接，减速机采用双输出轴的齿轮传动减速机，链轮通过键联接直接安装到减速机的输出轴上。这样由齿轮的精确传动与链轮和轴的刚性联接保证了二根链条的同步运行。其传动系统如图11所示。

D—刮平机刮板运行中链条由于自重作用，会自然悬垂，很难张紧，在刮板运行中由于链条的柔性，刮板会出现左右摆动，影响设备运行的平稳性。为此本文为刮板下部链条设计了C型导轨，为上部链条设计了L型导轨，并在导轨与链条的接触面设置耐磨衬板，可有效地支撑链条的重量，控制链条不下垂，并限制刮板链条左右摆动幅度，使刮板平稳运行。

E—刮平机刮板部分工作时始终处于悬吊状态，工作时需要升降运动和沿仓长度方向的纵向行走运动，设备从导轨到刮板下部高度是不能装粮的，所以设备的高度直接影响到平房仓的整体利用率，在设计时本文采用多方案对比，从中选用最优方案，以毫米级压缩刮板部分和悬挂行走部分的高度尺寸，以达到最低设备高度，提高仓房利用率。

3.1.2 悬挂升降系统

为保证刮平机升降平稳，同时兼顾其空载时快速升降-工作时平稳作业，不出现偏斜-不均衡升降等问题。经反复对比研究，本文采用如下设计方案:

图11 传动系统结构示意图

在刮板系统的机架中部固定一台双出绳单滚筒双速电动葫芦，在刮板机架的二端设置动滑轮，在行走系统上设置定滑轮，电动葫芦滚筒的转动带动二根钢丝绳同步运行，钢丝绳绕过动滑轮和定滑轮固定在刮平机机架上。单滚筒的电动葫芦保证了钢丝绳运行的同步性，进而保证了刮平机二端同步升降。电动葫芦固定在刮平机的中部，既可避开行走系统，又能降低设备高度。电动葫芦采用快慢双速度模式，快速是慢速的10倍，这样既可实现设备空载调整时快速升降，又能保证在刮平机工作时平稳慢速升降。如图12所示。

3.1.3 行走系统

行走系统拟采用两套如图13所示结构，分别悬吊刮板的两端，带动刮板系统沿仓纵向移动。

3.1.4 电控系统

A—针对平房仓内作业时粉尘浓度较高，极易产生粉尘爆炸等隐患，本装备的所有电器元件和控制箱均采用粉尘防爆元件，动力和控制信号均采用电缆传输。

B—刮平机配备仓外遥控装置，装备所有动作均可利用遥控器在仓外实现控制;装备另设现场控制箱，可在检修-调试时操作设备。

3.2 机械化平房仓刮平机的工作原理

3.2.1 工作原理

开放式刮板系统实现粮食输送功能;悬挂升降系统实现开放式刮板系统升降功能;行走系统实现整台设备的水平位置变化功能;电控系统实现整台设备的动力及控制功能。

3.2.2 进仓工作流程

进仓时，粮食通过仓顶纵向布置的皮带机或刮板机定点卸入仓内，通过刮板旋转运动将定点卸料的粮食从仓的一边输送到另一边，随着粮面的增高逐步提升刮板高度，当该点粮食达到装粮线后，移动刮板机，调整进料输送装置的出料口位置，逐步把仓房装满，实现装仓后上粮面平整-沿仓长度方向均匀。

3.2.3 出仓工作流程

出仓时，粮食先通过布置在仓底一侧的输送设备自流，自流完后，启动刮平机，通过刮板旋转把粮食逐层从仓内远离出料口的地方输送到出料口，通过输送设备可进行倒仓或直接装车作业。利用刮平机和配套的输送设备可实现平房仓进出仓的机械化-自动化-仓内无人化作业，提高生产效率，减少劳动力支出。

3.3 机械化平房仓刮平机的设计创新点

1）开放式刮板系统采用减速器同轴双链条刮板驱动系统，保证了两链条运行的同步性和受力均匀性，同时进一步保证了刮板机构的平稳运行。

图12 升降系统示意图

图13 行走系统示意图

2）为有效支撑链条滚子的重量，控制链条不下垂，本文为刮平机上部链条设计了C型导轨，并为下部链条设计了L型导轨，可有效限制刮板链条左右摆动的幅度，使刮板平稳运行。同时在导轨与链条之间设置耐磨衬板，减少运行过程中链条与导轨的磨损。

3）机械化平房仓刮平机刮板采用Z字型设计，在保证其机械强度的前提下实现刮板正反双向输送粮食的功能。

4 机械化平房仓刮平机样机试制及试验

4.1 样机试制

机械化平房仓刮平机包括开放式刮板系统-驱动装置-悬挂升降系统-行走系统及机架等，加工制造样机如图14所示。

图14 机械化平房仓刮平机样机

4.2 空载试验

样机加工-制造完成后，在试验平台上对其进行空载试验，机械化平房仓刮平机的试验平台三维模型如图15所示。空载实验的实物图如图16所示，经试验升降系统运行正常，满足快速-慢速升降功能;行走系统运行平稳，两端行走同步性满足设计要求，行走轮无打滑;刮板系统运行平稳，双链条运行同步性满足设计要求;刮板系统正反向运行平稳，运行中链条无脱链，链条左右摆动幅度满足设计要求;试运行各测量点温升都在许可范围之内。升降系统-行走系统遥控操作灵敏可靠。经空载试验表明，机械化平房仓刮平机运行平稳-可靠，温升正常，预定功能可全部实现。

图15 机械化平房仓刮平机试验平台三维模型

图16 机械化平房仓刮平机空载试验实物图

4.3 负载试验

机械化平房仓刮平机的各项性能经空载试验验证后，对其进行负载循环试验研究，如图17所示。

图17 刮平机负载循环试验图

样机负载循环试验过程中，设备运行平稳，各主要部件温升正常。进粮平仓后样机平仓性能也达到预期，粮面平整度较高（见图18）。

经试验，设备性能稳定，运行平稳;可有效完成平房仓的粮食进出仓-平仓机械化作业，大幅提高粮食的进出仓效率，进粮平仓后粮面平整度较好，具备进出仓作业产能200t／h，为国内领先水平。

图18 试验仓刮平机平仓作业前后粮面图

此外，还对刮平机进行了满载和重载试验，重点检测了刮平机电机电流和刮平机端部距挡粮板的距离变化情况;刮平机的满载试验如图19所示。

图19 刮平机满载试验图

重载试验即调整刮平机刮板埋入粮面的深度，使粮面达到刮平机桁架钢管底面。此情况下的位移偏移量稍大，但仍满足使用要求，如图20所示。

图20 刮平机重载试验图

5 总结

随着我国粮食储备流通行业的发展-劳动力成本的逐步提高-“以人为本”理念深入人心，平房仓机械化程度的提高成为顺应时代发展要求-降低物流成本的必然选择。而机械化平房仓刮平机作为新型机械化平房仓的配套装备，随着新型机械化平房仓的推广应用，也必将具有良好的应用前景。

1）经济效益方面:本装备定位于新建粮食仓库，目的是提高进出仓作业效率和单仓容量，符合国家政策方向，具有良好的市场需求和产业化前景。

2）技术效益方面:通过全方位-一体化的研究-设计，机械化平房仓刮平机将大幅提高粮食进出仓效率，降低工人的劳动强度，改善工人工作环境，减少粮食损失。机械化平房仓刮平机的出现填补了国内平房仓自动化进出仓领域的的空白，打破了国外设备的垄断。

3）社会效益方面:机械化平房仓刮平机可实现平房仓粮食安全高效智能化进出仓-平仓作业，大幅提高物流节点进出仓效率-提高储粮安全，技术应用具有广阔市场，能够明显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-为现代农业发展提供支撑。

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Research and Develop ment of the Scraping Equipment for the Mech an ized Flat Warehouse

Xin Shuojun, Guo Jingtao, Gao Lan, Sui Sai
（COFCO Engineering & Technology (Zhengzhou) CO.,Ltd, Henan Zhengzhou 450053, China）

A new type of accessory equipment for the flat warehouse—the scraping equipment for the mechanized flat warehouse was developed on the basis of the investigation of the loading & unloading technical equipment in the warehouse of our country combined with the status of China’s grain logistics industry. There were many technical difficulties in the design and manufacture of large open scraper system, suspension system, walking system and electric control system of the device, which was successfully developed with putting forward the corresponding appropriate solutions. Several experiments on the scraping equipment showed that the equipment can effectively complete the loading & unloading and the unwinding operation, and greatly improve the efficiency of grain storage of the mechanized flat warehouse. The popularization and application of the product can promote the efficiency of storage logistics of our country with a very considerable economic and social benefit.

Flat warehouse; Mechanized flat warehouse; Scraping equipment; Loading & unloading operation; Unwinding operation; Storage logistics

S379

本文受到科技部2013年公益性行业科研专项基金资助，“北粮南运”关键物流装备研究开发（编号：201313010）; 受到国家高技术研究发展计划（863计划）基金资助，项目名称：粮食储藏与物流技术及其配套装备研究（编号：2012AA101705）。

辛烁军（1980-），男，工程师；主要研究方向：粮食仓储物流技术及装备研发（主研筒仓进出仓及房式仓技术和装备）；高兰（1975-），女，高级工程师，主要研究方向：粮食物流技术研究与开发。