罐式煅燒爐排料機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能仿真與研究

李 猛， 劉 明

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

罐式煅燒爐排料機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能仿真與研究

李 猛， 劉 明

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

敘述了排料機(jī)構(gòu)的基本原理，建立了改進(jìn)前后的方案A和方案B的三維模型，運(yùn)用SolidWorks運(yùn)動(dòng)算例的多體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算出減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、棘輪轉(zhuǎn)速和偏心輪接觸應(yīng)力，綜合比較后得到方案A和方案B的動(dòng)態(tài)性能接近。方案B的結(jié)構(gòu)形式能降低約30%的驅(qū)動(dòng)功率，降低能耗，同時(shí)也提高了電機(jī)的使用壽命。

罐式煅燒爐；排料機(jī)構(gòu)；方案比選；多體動(dòng)力學(xué)仿真

0 引 言

石油焦需要經(jīng)過(guò)煅燒才能用于碳素制品中，煅燒后的石油焦的質(zhì)量直接關(guān)系到碳素制品的質(zhì)量?，F(xiàn)在常用的煅燒設(shè)備主要就是回轉(zhuǎn)窯和罐式煅燒爐，其中罐式煅燒爐的優(yōu)點(diǎn)是煅后焦真密度高，燒損小[1]。因此，近年來(lái)罐式煅燒爐在鋁行業(yè)有再度興起的趨勢(shì)。排料機(jī)構(gòu)作為罐式煅燒爐底部排料的關(guān)鍵部位，影響著整個(gè)罐式煅燒爐的正常工作，排料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能降耗都有影響。常見(jiàn)罐式煅燒爐有20罐、24罐、32罐、36罐、40罐、52罐、56罐……，還有繼續(xù)增加的趨勢(shì)?，F(xiàn)有的罐式爐結(jié)構(gòu)，罐數(shù)增加意味著排料機(jī)構(gòu)電機(jī)功率要加大。如果能夠在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低電機(jī)功率，可對(duì)企業(yè)的節(jié)能降耗起到重要的作用。目前對(duì)罐式煅燒爐的研究主要集中在連續(xù)自動(dòng)排料控制系統(tǒng)[2，3]和煅燒后石油焦質(zhì)量因素的分析上[4，5]，而對(duì)排料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能分析及傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面很少有相關(guān)研究。

1 排料機(jī)構(gòu)原理

排料機(jī)構(gòu)是罐式煅燒爐最底下的關(guān)鍵設(shè)備，且是最復(fù)雜的設(shè)備。通過(guò)調(diào)節(jié)排料量的大小來(lái)控制物料在罐式煅燒爐里煅燒的時(shí)間。排料機(jī)構(gòu)是集偏心輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、棘輪間歇機(jī)構(gòu)、給料機(jī)構(gòu)、料斗等的復(fù)雜組合，見(jiàn)圖1。排料機(jī)構(gòu)采用兩臺(tái)變頻電機(jī)兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。偏心輪、拉桿及水平拉板構(gòu)成無(wú)偏心的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給棘輪棘爪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。棘輪機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)星型給料器運(yùn)轉(zhuǎn)，形成了間歇式排料。根據(jù)工藝流程的需要，通過(guò)調(diào)整變頻器的頻率來(lái)調(diào)整排料的頻率。排料機(jī)構(gòu)的星形給料機(jī)構(gòu)的上部與罐式爐的下部法蘭緊密相連使其連接處不能漏風(fēng)，下部有料斗，料斗下部有輸送機(jī)，輸送機(jī)將物料帶到料倉(cāng)中。

1:偏心輪；2:拉桿；3:給料器；4:棘輪棘爪；5:料斗

2 排料機(jī)構(gòu)三維模型

該文以32罐為例建立排料機(jī)構(gòu)三維模型，兩種方案進(jìn)行比較。方案A為現(xiàn)有工程中普遍在用設(shè)備，見(jiàn)圖2、圖3；方案B為改進(jìn)后的設(shè)備，見(jiàn)圖4、圖5。

方案A：1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)16罐排料，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0°～-180°時(shí)16罐同時(shí)排料，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°～360°時(shí)空行程，見(jiàn)圖2。圖3為相鄰兩罐局部放大圖。

圖2 方案A模型圖

圖3 方案A局部視圖

方案B：1臺(tái)電機(jī)也是驅(qū)動(dòng)16罐排料，但是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0°～180°時(shí)間隔的8罐同時(shí)排料，180°～360°剩余的8罐同時(shí)排料，見(jiàn)圖4。圖5為相鄰兩罐局部放大圖，圖中相鄰的兩罐是間隔式的排料。但是從宏觀上看，在整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈(對(duì)于拉桿也即是往復(fù)1次)是連續(xù)排料的，此過(guò)程稱為往復(fù)均衡連續(xù)排料。

3 排料機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能仿真

由于相鄰兩罐排料方式改變，驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸也發(fā)生改變，因此應(yīng)對(duì)兩種方案的傳動(dòng)性能進(jìn)行比較?？紤]到排料機(jī)構(gòu)排料罐數(shù)較多，系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)也考慮到每一罐排料的相同性，因此，簡(jiǎn)化計(jì)算，取單罐排料作為分析對(duì)象，簡(jiǎn)化后的運(yùn)動(dòng)模型見(jiàn)圖6、圖7。

圖4 方案B 模型圖

圖5 方案B局部視圖

圖6 方案A單罐運(yùn)動(dòng)仿真模型

圖7 方案B單罐運(yùn)動(dòng)仿真模型

進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真后得到減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖、棘輪轉(zhuǎn)速圖和偏心輪接觸應(yīng)力，分別見(jiàn)圖8、圖9、圖10。從圖中可知兩種方案的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和接觸力受力相差不大，僅有圖8中A方案數(shù)值偏大點(diǎn)，但是均值差別不大。由此可見(jiàn)新方案(方案B)可行。

最后按照?qǐng)D3、圖5局部視圖建立一組模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真后得到方案A和方案B的減速機(jī)扭矩圖和方案比較表，見(jiàn)圖11和表1。結(jié)合圖11和表1中可知，方案A的最大扭矩和最小扭矩之間波動(dòng)較大，然而方案B的波動(dòng)較小。因此，兩方案中相應(yīng)構(gòu)件的疲勞壽命，方案B最長(zhǎng)。雖然兩方案的扭矩平均值接近，但是電機(jī)的選擇應(yīng)考慮最大負(fù)載扭矩，方案A的電機(jī)最大扭矩遠(yuǎn)大于方案B。方案B相對(duì)于方案A最大扭矩下降比為0.69，即意味著電機(jī)的功率下降了0.69。

圖8 減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖

圖9 棘輪轉(zhuǎn)速圖

圖10 偏心輪接觸應(yīng)力

圖11 一組罐式爐排料時(shí)減速機(jī)的力矩圖

表1 方案比較表

4 結(jié) 語(yǔ)

1)對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析后得到棘輪轉(zhuǎn)速圖和偏心輪接觸應(yīng)力圖。圖中棘輪的轉(zhuǎn)速差別不大，意味著這兩種方案排料速度是接近的；偏心輪接觸應(yīng)力接近意味著隨著傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的更改，并沒(méi)有使得偏心輪的受力變得更加惡劣。

2)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，在保證了棘輪轉(zhuǎn)速和偏心輪接觸基本不變的情況下，將電機(jī)功率下降到原來(lái)的69.6%，起到節(jié)能降耗的作用。

3)采用這種爐間間隔排料的方式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是使得爐溫不會(huì)突降，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定有一定的保障。

[1] 王敏，毛斌.罐式爐煅燒生產(chǎn)中常見(jiàn)問(wèn)題的分析與研究[J].輕金屬，2015(2)：34-36.

[2] 劉冬梅，祝存.自動(dòng)化控制在罐式煅燒爐原料及上排料的應(yīng)用[J].碳素 2010(2)：47-49.

[3] 邢光.碳素煅燒爐連續(xù)排料自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].世界儀表與自動(dòng)化， 2004(2)：40-41.

[4] 張志，孫毅，周善紅.提高罐式煅燒爐產(chǎn)品質(zhì)量的方法淺析[J].碳素技術(shù)，2011(6)：60-62.

[5] 李浩，王曉敏，楊凱長(zhǎng).罐式煅燒爐煅后焦質(zhì)量的影響因素及改進(jìn)措施[J].輕金屬，2011(3)：43-46.

[6] 周曉，馬秋成，張躍春，等.大功率自動(dòng)同步離合器棘輪棘爪碰撞過(guò)程仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，34(6)：836-839.

[7] 冀相安，馬永明，桂文彬，等.一種同步離合器棘輪棘爪機(jī)構(gòu)棘合過(guò)程的仿真分析[J].船舶工程，2005，27(4)：41-44.

Simulation and Study on Transmission Performance of Discharging System of Tank Calciner

LI Meng, LIU Ming

(Guiyang Aluminum Magnesium Design and Research Institute Co. Ltd., Guiyang 550081,China)

The basic principle of the discharging system was described. Three-dimensional models of plan A and B were established before and after improvement. Reducer output torque, a ratchet wheel speed and eccentric wheel contact force were calculated based on multi-body dynamics analysis of SolidWorks motion simulation. After a comprehensive comparison it showed that the dynamic performance of the plan A is close to that of plan B. The structural style of plant B achieved about 30 percent reduction in driving power and energy consumption , and the service life of the motor was improved.

tank calciner；discharging system；scheme comparison; multi-body dynamics simulation

2016-01-04.

李猛(1974-)，男，貴州人，高級(jí)工程師.主要研究方向：冶金機(jī)械設(shè)計(jì).

TF806.1

B

1004-2660(2016)01-0051-06