仓料储存防拱及破拱技术综述
王顺喜（教授） 罗大龙 （中国农业大学）
摘要：原料的仓储及物料的连续供应是物料加工和物流业中非常重要的一个环节，当料仓内物料在料斗的出料口附近出现结拱现象时，物料无法正常卸出，导致料仓功能失效，使料仓因为结拱而出现生产停顿，甚至造成生产事故，影响生产安全、食品安全和企业经济效益。如何提高仓储防拱能力，降低仓储事故，已经成为当今料仓制造和生产中的重大热点问题。 关键字：仓储、流动、结拱、防拱、破拱
在料仓的设计中经常会涉及到料仓内物料结拱现象,当料仓内水分过高或当物料为不易流动的物料时，往往在料斗的出料口附近，容易出现起拱现象，从而严重影响物料的流动，导致仓料无法正常供应。为此本文将分别介绍料仓的设计要求、物料在料仓内的流动形式、结拱原因、防拱和破拱技术，以及相关专利。
一、料仓要求及物料流动
料仓不只是储放物料的容器，更重要的是要具备相关的工艺功能[1]。因此，料仓设计时应满足以下三方面的要求：能储存规定数量的仓料；有足够的强度来承受料仓内物料所产生的压力以及外届自然环境可能施加在料仓上的力；在从料仓卸料时，物料能够顺畅而均衡地从料仓出口流出，且出料速度均匀可控。
物料在料仓中的流动性，是料仓性能的一个重要指标。实际生产中有的料仓不能很好地排料，从而出现结拱现象，引起严重的堵塞，有的形成管斗(也叫鼠洞)，使得料仓中大部分料不能排除，大大降低料仓的储料功能，这种的现象出现从很大程度上讲是因为料仓内物料的流动性差所致。据目前归类总结，我们可以把料仓内物体的流动形式主要分为两种：整体流动和中心流动[2]。
（一）整体流动
所谓的整体流动就是指：卸料时所有物料均向卸料口流动，不存在“死区”，料位均匀下降，卸料流动稳定均匀。理想的料流形态应为整体流动，这样保证了物料以先进先出的顺序均匀卸出，而且具有卸料速率稳定，卸料密度均匀，仓料储存时间基本一致等优点。
（二）中心流动
中心流动即卸料开始时，只有位于库顶的物料处于运动状态，位于四周的物料向中心滑动、下降，形成中心通道，这样一来，只有中心部位的物料向卸料口流动，在该“流动区”以外的部分为流动“死区”。中心流动主要特点[1]：①先进后出的流动顺序。因为仓壁附近的物料可能静止不流动，所以先进仓的物料有可能后出来。②产生鼠洞。由于出现漏斗流，如果物料有足够的黏性，仓壁附近的物料就不会流出。③不均衡流动。漏斗流料仓中，四周的物料是靠超过物体本身的休止角而塌落下来的，所以卸料时是不均衡的，此外塌落料的冲击力会进一步压实料仓出料口的物料并使之结拱。④涌流。如果所储存的物料粒度很细，塌下来时会气化，使其流动性能变得和流体一样好，从而由料仓出口涌出。⑤分层。由于漏斗流料仓卸料时是中部和四周的物料不规则地交替流出，料仓加料时形成分层问题。
下图为整体流动、中心流动及结拱的示意图。
影响物料流动性因素主要有两点：物料性质[3]和料斗形状[1]。
1、物料性质是影响料仓流动性的最主要因素，具体有下列几个方面：稳定流动时物料与内壁的摩擦系数；物料与仓壁的静摩擦角；压实性，与料仓内储存物料的高度有关；透气性，如果物料颗粒很细时，物料透气性变差，物料在仓内形成负压，在料仓出口处形成结拱。
2、料斗形状的影响主要体现在料斗倾角、料斗大小和料斗形状三方面：料斗的倾角大，料流的速度较快，流动的形态主要是整体流，当料斗的倾角较小时，料仓流出的速度也较慢，尤其是靠近仓壁处速度可能为零，形成中心流动；料斗的出料口越小，料仓的流速也越小，并有可能结拱，料仓下部接近料斗处结拱也会越严重；料斗出口的形状也是影响物料流动性的一个因素，圆形的出口比长方形出口更容易结拱。
二、结拱原因及其类型
结拱的因素很多，其主要因素有三点：物料储存时间的过长，水分增加导致物料结块；物料与仓壁的黏着作用；料仓的结构造型，导致物料无法顺利流通，局部会因为压力过大而结拱。
（一）、存储时间的影响
在一般情况下存储时间越长,物料的压实性越强，同时由于密封性等原因使得内部湿度增加，导致仓料的流动性变差,也就越容易形成拱。因此，我们要在一定程度上降低仓料储存的时间，同时料仓储存量要合理，在生产调度中，合理掌握料库储量，并安排料库搭配使用，不致因物料存放时间过长，而造成压缩起拱，使物料无法卸出。
（二）、物料与仓壁的黏着性影响
由于物料与仓壁之间存在黏着性，致使物料粘附在料仓内壁，导致结拱。目前有采用超高分子量聚乙烯板(LHMWPE)作为料仓的衬里，利用其优异的机械性能，降低物料与料仓内表面间的阻力，从而起到防拱的作用。
（三）、料仓的结构对物料结拱的影响
料仓结构主要就是影响物料的流动性和压实性，这在前面已经介绍过。 料仓结拱的类型主要有四种：
一、压缩拱，即粉体因受到压力的作用，使固结强度增加而导致结拱；
二、楔形拱，颗粒状物相互啮合达到力平衡状态所形成的料拱；
三、粘结粘附拱，粘结性强的物料在含水、吸潮或静电作用下而增强了物料与仓壁的粘附力形成的料拱；
四、气压平衡拱，料仓回转卸料器因气密性差，导致空气泻入料仓，当上下气压达到平衡时所形成的料拱。
a.压缩拱
b.砌块拱
c.粘附固结拱
d.压力平衡拱
三、防拱与破拱措施
防拱和破拱有着本质上的区别，防拱目的就是防止结拱，宗旨是消除或削弱料拱线垂直面上的压应力，减小物料之间，物料与仓壁之间的摩擦力，以及改善物料的流动性。而破拱是在结拱后，研究如何进行破碎，主要是借助外力把已结的拱从力学角度进行破碎。破拱装置的破拱原理，主要是使仓壁振动而使物料运动，有的利用气力来破坏拱的形成,在使用时要注意使破拱装置的动作与卸料动作同时进行。破拱装置对破拱能起一定作用，但只能作辅助性措施。因此我个人认为研究防拱技术意义要大于破拱技术。
（一）防拱技术
1、改变料仓的内壁材料
改变料仓内壁的材料可有效防拱，因为料仓的内壁材料越光滑，与仓料的摩擦力就会越小，这样它们就会越容易流动，从而一定程度上抑制结拱。因此，我们要在满足强度的前提下，尽量选择摩擦因数较小的材料作为料仓的内壁。目前通常采用超高分子量聚乙烯板(LHMWPE)作为仓的衬里，利用其优异的机械性能，降低料与仓表面之间的滑动阻力，从而起到防拱的作用。作为种新型的工程材料，它具有以下性能：
1)表面活化能低，具有不粘结性能； 2)耐磨性好，抗冲击强度大； 3)摩擦系数很低，自润滑性能好；
4)耐腐蚀，耐低温，即使在时仍具有较高的抗冲击性。
2、改善料仓外形结构
目前常见的料仓外形结构有圆筒、方形和矩形，在卸料截面积相同条件下,形状不同的仓卸料能力也不同, 因为方形仓在交接处容易形成死角，而圆形的无此弊病，故圆形仓卸料能力最大,方形仓次之,矩形仓最小。
3、卸料口的改善
满足设计工艺和加工工艺要求的前提下，料斗的倾角尽量大，出料口尺寸也可以适当增大，另外料斗出口的形状最好设计为长方形，因为长方形的出口比圆形的出口更不容易结拱。或者从某个角度出发，改进卸料装置，这些都可以有效防止结拱。
4、锥形料斗的形状改变
改善锥形卸料都的形状可以有效减小仓料与仓壁的压力，从而减小它们之间的摩擦力。该方法也可以成为表面改形法，从仓斗各部位截面收缩率的角度分析，仓斗的纵截面曲线形状对煤的流动状态有一定的影响。对于平壁料仓，其倾角一般固定，越是接近出口截面的收缩率越大，应力越集巾，因此越容易起拱。而双曲线料仓壁为等截面收缩率，其壁而的变化呈指数曲线的轨迹，壁面倾角是变化的，越接近出口倾角越大，煤在下落流动的过程中阻力基本不变，从而可形成均匀的连续流，不易起拱。实践证明，采用双曲线料仓可以有效的防止起拱。另外还有一种造型称为鼻形仓，它是一个特殊形状的料仓，它的仓壁凸出像“鼻子”，它能将物料的压力分散，而使“鼻子”下面的出料口物料成松散状态。在鼻尖下面的仓壁承受压力较大，必须加厚否则会发生破裂。
5、增加内部辅助装置
对于一些储料较大的料仓，通常在料斗的中下部加改流体，它的作用就是改善料斗内粉体的流动形态，减轻物料对料仓出口处的压力。改流体可以是水平的挡板、垂直的挡板或倾斜的挡板。由于水平的挡板上方会形成一个物料堆，时间长容易变质结块，为了防止这种情况发生，将挡板做成一个圆锥形，这就是常说的减压锥。减压锥下部会形成一个环形空间，可以减少物料的压力。垂直和倾斜的挡板可以消除部分物料间的横向压力，物料被分成几股料流，它们间的摩擦力和剪切力减小。嵌入体的安装与固定方法可以用钢丝绳吊在煤仓上部的横梁上或用三脚架固定在漏斗斜壁上。该法仅适用于浅仓。保证仓底足够的倾斜角适当地加大仓底的倾斜角，有利于料仓顺利出料。但若仓底太陡，粘性的出口偏侧配置的料仓，由于其出口偏侧配置至少利用了一侧直壁，这样就至少减少了由一侧所产生的结拱力，从而减少了结拱的可能性，使出口物料比较松散，有利于排出。如容量较大的料仓可设2个或2个以上出口。
（二）破拱技术
1、人工破拱法
人工破拱法,一般情况下是在料仓放料口的斜壁上预留若干个孔,一旦料仓起拱,即用工具插入仓内捅动,使料拱陷落。该方法最为原始，具有设计简单,费用低优点,但破拱效果差，而且人工疏通费时费力劳动强度大，影响生产时度，易污染环境，不能实现自动破拱，并且在疏通物料后，可能会有大量的物料下冲，存在很大的安全问题。
2、振动破拱
振动法破拱有两种基本形式，即振动仓壁和直接振动仓内的物料。振动仓壁就是将振动器安装在料仓锥体部分的仓壁上，对仓壁进行振动，达到防拱破拱及清仓的目的。例如：气动活塞振动器是用锤头振打仓壁的外表面；电磁振动器与其类似，两者均垂直于仓壁产生振动；偏心旋转振动器结构较为复杂，它是将高速旋转的偏心块产生的惯性力传递给仓壁使之产生振动，与其他类型振动器相比，其振幅小、频率高。直接振动仓内物料是指搅动仓料使其有较好的流动性，或给结拱的仓料某一方向上的力使拱破碎。例如：振动卸料器不但能够通过振动防拱破拱，而且在一定范围内可以通过改变工作参数来调节物料卸出量。需要注意的是，采用机械振动法破拱出仓时，振动器最好与料仓闸门或给料机连锁起来，使振动器只在闸门打开时才工作。如果振动器在闸门关闭时工作，料仓下部的物料可能会因受振而变得更加密实，使出仓更困难。 (1)、气动活塞振动破拱
气动活塞振动器是用压缩空气推动活塞（锤头）振打仓壁。其工作原理是振动器内有一个活塞，活塞内部有导气孔，当压缩空气进入后，由活塞导气至一端产生推力，推动气缸往另一端，如此利用活塞导气孔与本体位置的变化，使活塞在本体内产生往复运动，透过本体而传递振动力。活塞运行时会在两端各有一定的空间存在压缩空气。所以活塞不会直接撞击本体。该形式结构简单、使用方便、价格低廉，但产生的振击力有限，而且由于不断振击器壁，也将损害料仓，进而影响料仓的使用寿命。 （2）、电磁振动破拱
电磁振动器是用产生的电磁力作为动力。衔铁和锤头连成一体，激磁线圈通电后，衔铁被吸向铁芯，锤头即振打仓壁。断电后，锤头靠重力或弹簧复位。与气动活塞振动器作用类似，两者均垂直于仓壁产生振动，仓壁的受力情况较好，但也同样存在振击力和噪声问题。
电磁振动器示意图 气控偏心转动振动器示意图 （3）、偏心转动振动破拱
电动控制偏心转动振动器是利用装在电动机双出轴上的偏心块随电机轴的旋转产生的离心力而振击仓壁。这种振动器由于振击力大并可调，破拱效果较好，但产生的噪声较大。气动控制的偏心转动振动器是利用钢球在环形轨道内的高速运动来产生振击力。该类振动器主要缺点就是振动力对仓料结构有一定的影响，有可能将仓壁振裂；对于坚韧度大的仓料，效果不明显；振动板磨损及锈蚀现象严重，更换起来比较麻烦。该法可应用于小容量锥形漏斗浅仓。 (4)放炮振动法
对于蓬堵位置距地面较高的堵塞常采用放炮振动法。在放炮前必须按安全规程要求，进行瓦斯检查。该方法的缺点是安全性差，准备工作时间长，而且时有发生崩坏漏斗或破坏仓体现象存在诸多不安全凼素。 （5）搅拌破拱
在贮仓的内部设置一带有螺旋叶片的轴，由电机减速机带动旋转。通过带有螺旋叶片的轴的旋转，将物料落到出料口。
3、流态化破拱
在贮仓的锥部内置多孔板，多孔板可以是金属、塑料、陶瓷、多层金属编制网、毡等材料，其尺寸和数量可根据实际情况选择。其工作原理是在物料排出时通气，使物料在出料口附近流态化以减少物料与仓内壁的摩擦作用，在排料时向贮仓内通气对减少颗粒间的作用力和颗粒对仓内壁的影响是非常有效的，可使物料更顺畅的流动。但是对不同的物料，需设定不同的压缩空气压力和送气量。如果控制不好，有可能会使物料过分流态化，其结果就是造成物料从贮仓出料口成不可控制的溢泻。
4、空气破拱 （1）、脉冲空气破拱
在贮仓的锥部外壁上呈环状布置一排或几排喷嘴，压缩空气经电磁阀、过滤喷嘴进入仓内，然后改变方向，沿仓壁扩散，从而清扫仓壁，使结拱物料塌落。如果设置合理，破拱效果较好。否则，由于气量分配原因，有可能使得某些喷嘴不起作用，达不到破拱的效果。
脉冲空气破拱装置示意图 （2）、空气清堵器破拱
空气清堵器破拱是利用贮存在贮气包中的气体突然喷出直接冲入物料的起拱部位，这种突然爆发所产生的气流冲击力，克服了物料的静摩擦，使贮仓内的物料恢复流动。
a b c a— 空气清堵器处于非工作状态；b—空气清堵器处于充气状态； c—空气清堵器处于喷射破拱状态
空气清堵器破拱示意图
（3）、弹性气包破拱
该破拱原理是将弹性气包安装在料仓内壁上容易起拱的部位，间歇性地对气包充气，使气包膨胀(成为半球形或矩形)，从而对物料施加推力，使料拱塌落。但这种推挤的方法有可能会将物料压实，反而形成更坚实的料拱。 （4）、空气炮破拱法
空气炮破拱主要是利用压缩空气突然释放产生的气流对物料形成冲击与振动，使物料疏松下落。工作过程：打开控制阀向破拱器储气罐充气，充气至气源压力后，停止充气，破拱器瞬间放气，经接管、喷嘴喷向煤拱完成一次破拱过程。重复以上过程直至破拱。该装置利用压缩空气瞬间释放对煤拱产生爆破切割，其破拱效果取决于气流量、工作压力、喷嘴直径及气流阻力，正常工作气压为。其优点是清堵效果好，自动化程度高，维修工作量少，不仅降低了工人的劳动强度，确保了生产安全，还给企、肥带来了无形的经济效益。但对于一些严重的堵仓事故，该法的效果并不明显。空气炮在安装初期的效果尚可，但随着仓内堆积层的形成，气动破拱的效果越来越差，最后的结果常常是失去破拱效力。采用雷管爆破消除堵塞，安全性太差，且会影响生产的连续性。空气炮破拱装置是南京煤矿设计研究院设计开发的专利技术，现已广泛应用于各行业的储料仓、料斗、管道中，该破拱结构简单，运行费用低且安装方便，系统组成。 （5）、脉动风力破拱法
该法在风力破拱法基础上，在喷嘴前增加一个快速开闭器，使压缩空气产生脉动性的冲击与震动，从而提高了破拱的效果。该系统由压风机、风包、总风管、支风管、三通操纵阀（或电磁阀）、快速开闭器、喷嘴等组成。该方法在冶金、煤炭等行业广泛应用。
5、水力破拱法
使用一种形如灭火器的特制喷嘴，当仓内成拱堵塞时，将喷嘴插入预留孔内，利用水压破拱。此法效果十分明显，多用于码头。优点：操作简单，费用低。缺点：增加仓料的水分，影响仓料质量，给洗选带来一定难度，不宜推广使用。
6、抖动内衬破拱
在贮仓的锥部内置一整体光滑材料作内衬，内衬与物料直接接触，利用压缩空气或气缸抖动内衬达到破拱的目的。该形式尤其适用于贮仓尺寸小、某些物料黏性大的场合。由于抖动幅度有限，对于尺寸较大的贮仓，破拱效果较差。
四、典型破拱装置
（一）、LUFTATM料仓破拱器
来自瑞典LUFTATM料仓破拱器用于将干散的粉料从存储料斗、粉仓或其他形式的粉料存储容器中快速、有效地卸载。LUFTATM 料仓破拱器通过充气和高频振动，实现了大多数粉料的均匀流动，解决了粉体在流动中出现的架桥、雍塞、鼠洞和压实的现象。LUFTATM 料仓破拱器的工作原理：被紧贴安装在各种粉仓的内壁上，特殊材质的胶垫具有极好的弹性，耐磨性和抗疲劳性。当空气被导入仓内，会沿着仓壁流动，以减少仓内物料和仓壁的摩擦，同时胶垫会由于空气的导入产生剧烈的高频振动，彻底破坏物料产生的堆积或悬挂。料仓破拱器的运行不受物料或管道内所含水份的影响，对于一些容易吸潮的物料有着其他助流装置所无法比拟的使用效果。流化器的内置的密封装置能彻底防止粉料进入管道内，确保了流化器能够长时间免维护运行。
（二）、仓壁装设振击器 仓壁装设振击器是用机械式、电磁式或气动式的振击器来振击仓壁，破坏物料起拱的平衡条件，使物料不起拱或使已起拱的物料坍落并协助物料下滑。由于不断振击仓壁，也将损坏料仓，影响料仓的使用寿命。
（三）、气力助流器
气力助流器是在接近卸料口的仓壁上设置压缩空气喷嘴 ，利用其喷射动能破坏料拱，清除滞留于仓内的物料。采用此法时，因使物料中的含气量增大，在装车时往往不瞻一次性装请，使得车容积利用率降低。同肘装卸时扬尘较大，增加了收尘功率。因此防拱装置的完善和创新对企业提高经济效益至关重要。
（四）、空气炮
在煤矿仓储中空气炮的应用较普遍。空气炮是利用工作压力为0 .4～0 .8 MP a的压缩空气作为能源(空气炮的气源压力按 0.6 MPa考虑，在实际使用中由于气源压 力的不同，其冲击力有很大差异，应根据际情况适当增减数量)，将其贮存在储能器里，采用突然喷出的压缩空气的强烈气流，以超过音速的速度直接冲人贮存散装物料仓内某一部位瞬间在小范围内形成巨大的冲击力，释放出大量能量。这种突然释放的压缩空气膨胀冲击波克服物料间的阻力，释能的部位又选择在料仓内易于发生滞流或堵塞的部位，使料仓中压实的或冻结的物料重新恢复流动，从而达到防堵和清堵助流的作用。空气炮必需依靠专门的压力容器厂家生产，而且逐必须取得劳动部门批准才能生产使用。
空气炮 气动破拱器
（五）、库底高教散装机
针对我国仓储形式多为锥形底仓，以及现在仓储存在的问题，最新开发设计出一种库底高教散装机。样机经生产试用已获成功并投人生产。根据物料的平面对称流动优于轴线对称流动的理论，在立筒库料仓的卸料口上方设计了一个锥斗，锥斗通过立柱固定在立筒库内的锥壁上。这样可以把仓壁和锥斗之间的环行料口看成为一个对面对称的条形卸料口，变轴线对称流动为平面对称流动，从而改善了料仓内物料的流动条件。增设锥斗后，在锥斗的下方有一个空间，可以获得较大的积极流动带，这对卸料有良好的作用。此时，作用于卸料口的松散物料重量，只是处于卸料口与锥斗之间的鄢块体积的重量，其压力与整个料仓物料高度无关。实践也证明，增设了锥斗后，在料仓内能够造成整体流动，并有利于消除散状物料的搭拱现象。锥斗的大小及相对于料仓卸料口位置是很重要的参数。合理地确定锥斗的大小和位置就可以避免锥斗与料仓之间的物料起拱，并能获得一个最佳的积极流动带。这一研究对料仓防拱提供了新思路。
李保新等人指出除上述装置外利用机械辅助方法改善仓内物料的流动状况，也是一种非常有效的方法。它不仅可以用于新建料仓，而且也适用于旧料仓的改造。目前，实际生产中运用的方法很多，都可以使仓内物料的流动状况不同程度的得到改善，例如在仓斗内易发生堵塞的位置增设一个圆形伞状嵌入体,嵌入体可采用耐磨金属材料制作,以及采用中间螺旋溜槽和外螺旋溜槽式料仓达到破拱的目的。
（六）、一种粉体物料防结拱搅拌装置
本实用新型涉及一种粉体物料防结拱搅拌装置，其特征在于：它包括一径向贯穿粉体物料仓底部的转动轴，在所述粉体物料仓外的所述转动轴两端各设置有一油封，所述油封的外侧通过螺栓连接一固件，所述固件通过轴承与所述转动轴连接；所述转动轴的一端通过平键轴向连接一蜗轮减速机，所述蜗轮减速机连接一电动机的输出端；在所述粉体物料仓内的所述转动轴上通过螺母紧固后径向连接有三根或三根以上破拱拨杆。本实用新型不仅可以解决或避免煤粉仓内出现的结团、粘料、架桥、鼠洞、挂壁和断料等问题，还可以有效防止煤粉仓内的煤粉外泄。本实用新型可以广泛应用于中小型工业煤粉锅炉的储供粉系统或其它储供粉系统中。
综述
随着机械工业的迅猛发展，物料仓储防拱理论和技术研究日益活跃，比如饲料仓储防拱理论和技术在市场经济中就非常突出，研究和开发仓储防拱新理论和新技术就非常迫切，市场前景十分光明。食品安全问题一直牵动着中国乃至世界人民的心，食品加工过程的规范性越来越被关注，饲料的防板结以及饲料的连续供应是保障食品安全的前提。关于仓储物料堵仓问题，一直是一项世界性研究课题，许多科技工作者曾为此付出长期不懈的努力，创造出各种适合物料流动的仓体结构形式和辅助措施，使仓储物料流动状况得到极大的改善，但到目前为止还不能说这一“顽症”已彻底根除，还需要我们进一步的研究和努力。
参考文献：
【1】 玻璃厂原料系统的料仓，靳文兵、齐志刚、孙泽波，秦皇岛玻璃工业研究设计 【2】 料仓内物料的结拱原理及破拱设计，周波、史宏，湖南省机械研究所
【3】 粉体物料流动性仿真分析，张西良、张建、万学功、杨伟玲，江苏大学机械工程院 【4】 仓储物料结拱及消除措施，黄丙申、初旭宏，佳木斯大学机械工程学院
【5】 粉煤仓放料中存在的问题及解决方法，宋献文，河南神火新创股份有限公司焦电厂 【6】 粉体物料流动性方针分析，张西良、张建等，农业机械学报
【7】 能破拱、不堵塞、流量可调的颗粒粉体料仓，刘志平、刘凯，硫磷设计与粉体工程 【8】 煤矿设计实践中常用的几种破拱方法，罗文、王仲民，南京煤炭设计研究院 【9】 煤仓结拱现象的原因分析和解决方法，肖林京、李振华、肖洪彬，山东科技大学机械电子工程学院
