双曲线型卸料漏斗在圆筒煤仓中的应用

双曲线型卸料漏斗在圆筒煤仓中的应用摘要：本文主要介绍了双曲线漏斗的优点及设计中存在的一些问题，以及如何解决这些问题，并举例分析了采用分段设计法和组合式空间结构仓底可以更有效的减小漏斗高度，使双曲线漏斗得到广泛的推广及应用。关键词：圆筒煤仓双曲线型漏斗锥形漏斗截面积收缩率空间结构仓底中图分类号：Q959文献标识码：A文章编号：一、引言圆筒煤仓卸料漏斗型式，常见多为混凝土锥型漏斗，这种卸料漏斗角度受条件限制，而且生产过程中不通畅容易堵塞，需要配置专业的动力促流设备，如空气炮。若遇上煤质含水量大，粉煤量大，煤质粘结时，机械动力促流并不能完全解决堵塞问题。因此，我国出版的建筑结构设计手册中介绍了储煤仓单口卸料的双曲线旋转壳体漏斗结构型式是解决问题的方法之一。于是双曲线型卸料漏斗相继在圆筒煤仓的设计中得到应用，实践证明了双曲线漏斗不仅解决了不畅和堵塞问题，而且无需再使用机械动力促流设备，提高了经济效益。然而，双曲线型卸料漏斗设计也存在一些问题，所以并没有在工程中得到广泛的推广应用。二、双曲线卸料漏斗设计中的问题双曲线型卸料漏斗之所以可以解决卸料不通畅，堵塞问题，关键是其截面积收缩率是常量，是一种按负高斯曲率旋转而成的壳体结构，应用到单口卸料储煤圆筒仓设计中，可以将其设计成无需填料的壳体结构形式，但是在大直径多口卸料的仓中，设计一般是钢筋混凝土梁板带锥型漏斗的仓底结构不变，采用填料的方法，将一个一锥型漏斗填成双曲线型漏斗。这就需要大量的填料，因此大直径仓采用双曲线型卸料漏斗必须解决填料太多的设计问题。双曲线型漏斗高度高，无论圆筒仓是单口还是多口卸料，当采用双曲线型漏斗时与55度的锥型漏斗相比，将对筒仓的有效容积高度有较大的损失，这也是采用双曲线型卸料漏斗必须解决的设计问题。双曲线型漏斗计算高度的计算公式：（1）式中：漏斗上口的半径漏斗卸料口的半径漏斗上口的起始倾斜角度，即双曲线起始的曲线切线角，如图1所示。式中的取值，从双曲线型漏斗促流理论方面讲，与煤质的有效内摩擦角大小无关。以往的设计常取=550，来确定双曲线型漏斗的高度。三、双曲线卸料漏斗的设计1双曲线型漏斗的设计理论锥型卸料漏斗之所以不通畅，出现卸料堵塞，并不完全是由于锥型漏斗的倾角取的不够大，主要是锥型漏斗的截面积收缩率C不是一常量，而是变量，其截面积收缩C的表达式：（3）式中：沿圆锥型漏斗任一高度处的圆半径（见图3）见图2所示。由式（3）可知锥型漏斗截面收缩率C随其高度h的下降而急剧增大，至卸料漏斗时，C值最大。这就说明了为什么锥型漏斗卸料不通畅，发生卸料堵塞的根本原因。若使图2的角随漏斗半径而变化，而C值为常量时，即可以解决卸料不通畅，消除卸料堵塞。正是基于这一思路，就得出了建筑结构设计手册中介绍的双曲线型漏斗的结构型式。双曲线型漏斗的曲线方程为：（4）式中：高度处的曲率半径(m),（图3）双曲线型漏斗的截面积收缩率，为常量（l/m）,即：（5）高度处的切线角（度），由式（1）得到：（6）式（1）（3）（4）（5）的推导，参见文献3。2双曲线型漏斗高度h的设计由式（1）可知，当、确定后，双曲线型漏斗高度h，取决于双曲线的起始切线角。切线角的取值不是随意的；应大于筒仓储煤开始卸煤时的休止角。一般煤的休止角为40o50o，因此取值为45o由式（1）和式（5）可知（7）通常漏斗上口半径是给定的，由式（5）可知，若使h变小则应加大C值，也就是说要起始角尽量小，一般应稍大于相应煤种的安息角为宜，在确定后，改变上口半径是改变C值的途径，因此，漏斗适当分段，逐步减小的取值，得到较大C值，可以达到减小h的目的，此外，适当加大漏斗口的半径亦能减小漏斗高度，达到减小有效容积高度损失的目的。按以上所述进行设计，并不能十分有效地减小筒仓有效容积高度的损失。且一般漏斗的上口及下口直径和设备有关，不能随意更改，所以设计考虑采用分段设计法，则将极大地减小筒仓有效容积高度的损失。3双曲线型漏斗曲线设计的分段设计所谓分段设计，是按双曲线型漏斗设计原理将其曲线分上、下2段成形，上段取较小的C值，下段曲线取较大的C值，上段的高度小于下段高度的1/3。这并不违反双曲线型漏斗设计原理，只不过是修改了双曲线型漏斗的设计原则，即将双曲线型漏斗同一C值设计原则，修改为按两C值设计。也就是说，是用两个不同C值的双曲线型漏斗，连接成为一个双曲线型漏斗。显然连接处的曲线存在一个不甚明显的拐点，为使曲线是一条光滑的曲线，设计制图作一些调整是可以的。假设某工程的漏斗的上口半径=3.30m，下口半径=0.60m，上段曲线最小曲率半径=2.20m，上下2段曲线起始切线角=48o，如图5。由式（1）算得上、下2段曲线高度、分别为：h2=3.30tg48oln(3.3/2.2)=1.486(m)h1=2.20tg48oln(2.2/0.60)=3.175(m)漏斗高度：h=h1+h2=4.661m由式（5）算得双曲线型漏斗上、下2段的截面积收缩率C2、C1分别为：C2=（1/1.486）ln(3.3/2.2)=0.273(l/m)C1=（1/3.175）ln(2.2/0.6)=0.409(l/m)由式（4）算得双曲线漏斗上、下两端各小分段的曲率半径。对于上段：对于下段：按上述方法可依次算得m，m，m，至此可得出分段的双曲线型漏斗，见图5。分析比较：（1）本工程按分段设计，漏斗高度h=4.661m。（2）若不按分段设计，漏斗高度h为：h=3.30tg48oln(3.3/0.6)=6.248(m)C=（1/6.248）ln(3.3/0.6)=0.273(l/m)（3）若不按分段设计，且取=55o，则h=8.034，C=0.212（l/m）。（4）若按锥型漏斗设计，且取=55o，则漏斗高度h=3.856m。（5）按分段设计双曲线型漏斗，当=48o时，与锥型漏斗相比，对筒仓的有效容积高度的损失=4.661-3.856=0.805m。若设=0.65m，则双曲线型漏斗高度h=h1+h2=2.979+1.486=4.465m，有效容积高度损失得到进一步减小，仅为0.609m。4仓底结构的设计仓底结构可以采用倒锥壳、圆筒壳、正交折板梁组成的组合式空间结构仓底，具有结构合理，受力性能良好等优点，其仓底支撑系统为筒仓壁作为连续支撑。仓底结构看似复杂，而设计计算很简单，实际施工表明施工难度也不大。组合式空间结构仓底的正交折板梁自然形成了类似于锥型漏斗的结构形式。用于双曲线型漏斗，填料很少。四、结束通过上述表明，设计考虑采用双曲线型曲线设计的分段法和组合式空间结构仓底，既解决卸料不通畅，堵塞问题，又减小了仓有效容积的损失及漏斗所需的成型填料，充分说明双曲线型漏斗仍不失为一种值得推广应用的卸煤漏斗型式。参考文献建筑结构设计手册.中国建筑工业出版社.1970.6.钢筋混凝土筒仓设计规范（GB500772003）.黄金华，李湖生等.曲线型漏斗的分析与设计.选煤设计研究院,，1989.9