電力施工棄土制塊裝置設計

趙偉東，劉 通，譚國華，莊 毅，謝林興

（廣東電網能源發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510160）

本文主要是針對輸電線路鐵塔基礎施工棄土制塊裝置進行設計計算、模型建立、產品研制等。裝置主要用于鐵塔基礎施工棄土的環(huán)保處理，使之回收利用達到防止水土流失、保護環(huán)境的目的[1]。本裝置主要是針對輸電線塔基施工棄土的環(huán)保處理，將其壓制成規(guī)則土塊，具有一定強度[2]。采用已有的理論基礎和適當的結構布置，達到特定的使用功能及用途，使之能夠生產符合要求的產品。

1 可拆裝易轉運制塊裝置整體介紹

裝置主要由攪拌機構、輸送機構、PLC 控制壓坯機構三部分組成。其中攪拌機構和輸送機構由同一臺液壓站控制，柴油機為其提供動力。PLC 控制壓坯機構由一臺獨立的液壓站控制，柴油機為其提供動力，見圖1。

圖1 可拆裝易運轉制塊裝置

1.1 攪拌機構的組成

攪拌機構主要由攪拌桶、攪拌軸、攪拌桶支座、篩網及液壓馬達五部分組成。原料攪拌時會摻入一定比例的水和膠黏劑，為防止銹蝕，攪拌桶的材料選用不銹鋼。篩網能夠將不符合粒級要求的原料排除，保證了成品的合格率，也起到保護設備的作用。選用低速大扭矩液壓馬達，驅動力強，運行可靠。在保證安全和強度的前提下，機構整體重量不超過70kg，保證了在野外作業(yè)時方便人力搬運，見圖2。

圖2 攪拌機構

1.2 輸送機構的組成

輸送機構為典型的螺旋輸送機，傾斜角為45°，具有機構簡單輕便、易拆裝搬運、操作方便、維修容易等特點；主要由物料筒、螺旋軸、進料口、出料口、液壓馬達五部分組成。為了減輕整機重量，并且保證安全和強度，物料筒采用薄壁不銹鋼。整機組裝完成后質量不超過70kg，保證了在野外作業(yè)時方便人力搬用（見圖3）。

圖3 輸送機構

1.3 PLC 控制壓坯機構的組成

PLC 控制壓坯機構主要由定量料斗、物料盒、壓坯油缸、頂升出料油缸、模架、坯模具、成品臺及下支架八部分組成，拆裝簡便、定位可靠，且拆分后的各部分重量都不大于70kg，保證野外人力搬運方便?？刂葡到y(tǒng)電源由柴油機發(fā)電機提供，保證控制系統(tǒng)在野外穩(wěn)定供電。其中，定量料斗由一步進電機控制，由步進電機的角位移控制物料落料量，實現(xiàn)精準定量布料。物料盒將物料準確地添入模具，同時將壓制完成后的成品推送到成品臺。物料盒由絲杠驅動，伺服電機提供動力。

PLC 控制壓坯機構的工作過程為：定量料斗精準布料→送料盒送料入模具→壓制油缸壓制成形→頂升油缸頂出成品→送料盒將成品推到成品臺，此五個步驟為一個工作周期，成品臺下安裝有傳感器，在工人將成品搬離成品臺后自動進入下一工作周期。全過程由PLC 精準控制，過程參數可調（布料量、壓力、壓制時間、成品高度、成品時間），大大提升了設備的可靠性和生產效率、減少人力投入，中控臺集中控制，安全便捷，如圖4 所示。

圖4 PLC 控制壓坯機構

2 設備原始參數

通過對市場同類設備的分析研究以及對裝置使用條件等的分析得到裝置原始參數如表1。

表1 裝置原始參數

3 計算分析

3.1 壓制油缸設計計算

3.1.1 液壓缸性能參數計算

液壓缸的輸出力。單桿活塞式液壓缸的推力F1如下：

已知要求最大壓制力為1.9MPa，壓制截面尺寸為300×100（mm）則：

3.1.2 液壓缸主要幾何尺寸計算（1）液壓缸內徑D 的計算

根據載荷大小和選定的系統(tǒng)壓力計算液壓缸內徑D。

式中：D-液壓缸內徑（m）；F1-液壓缸推力（kN）；P-選定的系統(tǒng)工作壓力（MPa）25MPa。

（2）活塞桿直徑d 的計算

根據強度要求計算活塞桿直徑d。當活塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下，僅承受軸向載荷時，活塞桿直徑按簡單拉壓強度計算，此時：

式中：[σ]-活塞桿材料的許用應力（MPa），當活塞桿為碳鋼時[σ]=100～120MPa。

（3）液壓缸行程確定

液壓缸行程根據機構運動要求而定，但為了簡化工藝和降低成本，應選取表23.6-33～35 中給出的標準系列值[3]。

3.1.3 液壓缸結構參數計算

（1）缸壁厚度的計算

式中：d0-液壓缸油口直徑（m）；D-液壓缸內徑（m）；v-液壓缸最大輸出速度（m/min）6.58m/min；v0-油口流速（m/s）取5m/s。

3.2 輸送機構設計計算

3.2.1 輸送機構輸送量確定

根據裝置原始參數成品尺寸和效率可以得到1h 的沙土用量為：

Q1=Vρ/t=3×1.5×1.65×1.65/20=0.613kg/s=2.2t/h。

考慮輸送機構輸送量大于系統(tǒng)沙土用量，選取裕量為1.6 則：

輸送機構輸送量Q=1.6，Q1=3.5t/h。

式中：V-壓制成品所需的沙土體積（L）；ρ-沙土密度（kg/dm3）；t-壓制一塊成品所需時間（s）；Q1-輸送量（t/h）。

3.2.2 輸送機構輸送能力Q 驗算

Q=47D2ntφρC=47×0.152×100×0.12×0.25×1.65×0.67=3.5t/h。

與計算出的系統(tǒng)所需輸送量相等。

3.2.3 輸送機構所需功率計算

根據糧食部門在使用中的實際測量，實際軸功率比理論計算功率大3～4 倍，所以P=4×0.096=0.39kW。

式中：P0-螺旋軸功率（kW）；P-輸入功率（kW）；L-輸送筒長度（m）；H-輸送筒傾斜放置時與地面垂直高度（m）；K-功率備用系數，取1；η-總機械效率，取0.9。

3.3 主要結構設計計算

3.3.1 模架工作情況介紹

模架是由型材焊接組裝形成的框架結構，模架底部安裝有成型模具，上部安裝有壓制油缸，下部裝有頂升油缸。工作過程為，在模具中裝入原料后由模架上方的壓制油缸壓制成型，再由下方的頂升油缸將成品推出。模架、模具、頂升油缸等組成形成部件，為了轉運方便，單個部件重量不得大于70kg。為了盡可能降低部件重量，模架焊接型材選擇低合金鋼作為主要材料，低合金鋼與普通碳鋼相比具有更高的強度，在受到相同工作壓力時型材壁厚度更薄，重量較輕。模架工作示意圖如圖5 所示。

圖5 模架工作示意圖

3.3.2 模架受力分析

通過模架工作示意圖可以看出，只有在油缸工作時模架才會受力。頂升油缸初步設計壓力為20000N，而壓制油缸的設計壓力為60000N，顯然在壓制油缸工作時模架受力最大，我們只需要對在壓制油缸工作時的模架進行受力分析即可得出模架強度是否達到要求，以及模架是否能夠穩(wěn)定工作，不對系統(tǒng)產生不可預測的其他影響[4]。模架受力簡圖如圖6 所示。

圖6 模架受力圖

3.3.3 建模仿真

根據已知結構參數建立模型，對模架強度、剛性、安全系數等進行校核。校核結果分別如圖7 所示。

圖7 校核結果

通過以上分析可以看出在系統(tǒng)要求的最大力情況下，模架的強度、剛性都滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求，并且最薄弱環(huán)節(jié)的最小安全系數為2.4，完全滿足系統(tǒng)正常運行的需求。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 控制系統(tǒng)簡介

初步設置攪拌機構和輸送機構為半自動控制，由人通過啟停按鈕控制兩機構的工作與停止。對于PLC 控制壓坯機構則采取手動和自動兩套控制方式，在連續(xù)工作時完全為自動控制進行，設有人機交互界面，方便針對不同情況進行參數修改。

4.2 PLC 控制壓坯機構控制流程

自動控制過程為，通過自動控制開始，自檢各控制點信號正常，開始落料送料，進行壓制產出成品完成一個循環(huán)。

5 制造調試

根據已有設計計算建立仿真模型，模擬仿真后將模型轉化為加工工程圖，然后進行制造、組裝、調試。調試完成后進行真實工作環(huán)境模擬，模擬過程裝置運行平穩(wěn)，模擬結束時得到的成品外觀、規(guī)格、質量基本符合要求，模擬效果較好?，F(xiàn)場模擬展示如圖8、圖9 所示。

圖8 裝置整體展示

圖9 成品展示

6 結論

通過大量查找資料、市場同類裝置調研、設計計算、建模仿真、生產模擬后可以得出以下結論：

（1）制造一種針對電力施工棄土壓塊的回收裝置是能夠實現(xiàn)的。

（2）壓塊裝置能夠做到可拆分、易轉運，并且可以保證拆分后的部件重量不大于70kg。

（3）實際生產模擬后產生的成品在外觀、規(guī)格、質量等方面都符合要求。

（4）壓制成品的原料以沙土為主，無任何對人體以及環(huán)境有害的成分[5]。棄土壓制成塊可以防止水土流失，對環(huán)境保護有積極意義[6]。