李 祥

張家港港務(wù)集團(tuán)有限公司港盛分公司

1 引言

某碼頭因原有裝卸工藝比較落后，計(jì)劃在碼頭及陸域堆場(chǎng)之間增設(shè)固定帶式輸送機(jī)及斗輪堆取料作業(yè)線，以實(shí)現(xiàn)散貨卸船和場(chǎng)地出庫(kù)流程化改造。根據(jù)改造方案，碼頭新增8臺(tái)固定式高架漏斗，高架漏斗、流程固定皮帶機(jī)設(shè)置在碼頭軌道內(nèi)側(cè)，每臺(tái)高架漏斗均可向碼頭上2路平行皮帶機(jī)獨(dú)立供料，為此設(shè)計(jì)雙工位供料方案，并實(shí)現(xiàn)供料流量遠(yuǎn)程集中控制。

2 雙工位供料方案

從市場(chǎng)調(diào)研可知，單臺(tái)高架漏斗向2條固定皮帶機(jī)供料主要有移動(dòng)式開閉漏斗、分叉組合漏斗、旋轉(zhuǎn)漏斗、旋轉(zhuǎn)給料4種可行性方案。

其中，移動(dòng)式開閉漏斗和分叉組合漏斗需要碼頭有足夠的凈空和寬度；旋轉(zhuǎn)漏斗采用回轉(zhuǎn)支承或滾道支撐斗體旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體造價(jià)高；旋轉(zhuǎn)給料通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝的給料裝置實(shí)現(xiàn)出料方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)給料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，選定為本方案的供料方式；同時(shí)考慮到抓斗卸料時(shí)對(duì)給料裝置產(chǎn)生較大沖擊，放棄了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝曲柄送料機(jī)構(gòu)或鏈板式給料器，最終采用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝振動(dòng)給料器做為漏斗雙工位卸料方案。

3 旋轉(zhuǎn)給料裝置設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)給料器是連接漏斗卸料口和皮帶輸送機(jī)的裝置，既要確保與下游2路皮帶機(jī)流程切換流暢，又要與供料能力匹配，同時(shí)與漏斗卸料口能做到無(wú)縫對(duì)接。設(shè)計(jì)內(nèi)容包含：漏斗出料口通徑、旋轉(zhuǎn)振動(dòng)給料器設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)4個(gè)部分。

3.1 漏斗卸料口通徑

高架漏斗卸料口通徑越大，抓斗卸料時(shí)對(duì)給料裝置的沖擊就越大，卸料口通徑偏小會(huì)造成物料在漏斗內(nèi)堆積、出料能力不足。為了準(zhǔn)確、快速確定出料口通徑尺寸，對(duì)在用的漏斗卸料口通徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常用的直通漏斗卸料口普遍較大(面積在2 m2以上)，礦粉作業(yè)的開閉漏斗面積為1.2 m2，煤炭作業(yè)漏斗或B1400皮帶機(jī)溜筒均在1 m2以下。為有效確保漏斗出料能力，此次設(shè)計(jì)的漏斗卸料口面積不低于1.2 m2。旋轉(zhuǎn)給料器在漏斗卸料口±90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，給料器轉(zhuǎn)動(dòng)中與漏斗卸料口無(wú)干涉且無(wú)縫對(duì)接，結(jié)合碼頭皮帶機(jī)中心距和漏斗斗體尺寸，初步將漏斗卸料口設(shè)計(jì)為?1 500 mm(面積1.77 m2)。

3.2 振動(dòng)給料器設(shè)計(jì)

改造流程為開普船專用碼頭配套，裝卸設(shè)備均為40 t多用途門座起重機(jī)、最大生產(chǎn)率在550 t/h以內(nèi)。為確保旋轉(zhuǎn)給料器生產(chǎn)力與門座起重機(jī)匹配，給料器按額定生產(chǎn)率650 t/h(最大生產(chǎn)率750 t/h)設(shè)計(jì)。

振動(dòng)給料器設(shè)計(jì)采用反推法進(jìn)行。查閱設(shè)計(jì)資料，給料器生產(chǎn)率計(jì)算需要用到表1中的的幾個(gè)計(jì)算公式[1-3]。

表1 給料器生產(chǎn)率計(jì)算

表中的電機(jī)轉(zhuǎn)速n、激振角α、物料密度ρ3個(gè)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)基本可以確定，振動(dòng)電機(jī)激振力F可以從振動(dòng)電機(jī)廠家索取，料層厚度h、參振質(zhì)量m、給料器寬度B需要結(jié)合漏斗料流控制方式才能確定。

3.2.1 漏斗料流控制方式

常用的卸料口料流控制方式有滑動(dòng)平板閘門、開閉斗和升降閘板3種(見(jiàn)圖1)。3種料流控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，滑動(dòng)平板閘門結(jié)構(gòu)閘板易卡滯、磨損，閘板下部導(dǎo)輪易在抓斗卸料沖擊下脫落；開閉斗結(jié)構(gòu)抓斗卸料沖擊大，開閉斗要有較大承載，與旋轉(zhuǎn)式給料器對(duì)接部位易揚(yáng)塵；閘板式結(jié)構(gòu)出料口在斗體側(cè)面，要滿足雙工位工況需要安裝2塊閘板。因此常用的3種樣式均無(wú)法滿足實(shí)際工況需求。

圖1 常用的料流控制方式

料流控制裝置既要保證抓斗高空卸料不被砸壞，又要確保流量可以控制，同時(shí)還要兼顧與旋轉(zhuǎn)給料器有良好的密封性，以物料的自然堆積角為設(shè)計(jì)依據(jù)，研發(fā)了一種新型翻板式放料裝置(見(jiàn)圖2)。物料從漏斗出料口下落后沿給料器下滑，下滑中物料受到放料擋板的阻攔、逐漸堆積，給料器內(nèi)物料呈自然堆積狀態(tài)，給料器出口放料擋板輕微翻動(dòng)即可控制物料流動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)為提高生產(chǎn)率和通過(guò)性能，給料器的安裝傾角設(shè)置為20°。給料器罩殼將漏斗卸料口與給料器完全密封，罩殼加強(qiáng)筋提高罩殼強(qiáng)度，在擋料板轉(zhuǎn)動(dòng)軸與加強(qiáng)筋之間形成空腔方便斗門關(guān)閉時(shí)物料臨時(shí)存儲(chǔ)。

1.2.堆積角 3.轉(zhuǎn)動(dòng)臂 4.可拆卸擋板 5.料流控制擋板 6.圓形轉(zhuǎn)接口 7.可拆卸罩殼 8.罩殼加強(qiáng)筋

3.2.2 給料器基本參數(shù)

給料器料流控制裝置確定后，利用離散元仿真軟件對(duì)漏斗裝載過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，最終確定了給料器內(nèi)物料參振質(zhì)量m、抓斗卸料時(shí)物料對(duì)給料器的最大沖擊力(見(jiàn)圖3)。而后依據(jù)表1的設(shè)計(jì)公式，以最大生產(chǎn)率750 t/h為目標(biāo)，反復(fù)優(yōu)化給料器寬度B、激振力F，最后形成給料器基本參數(shù)如下：

圖3 抓斗卸料仿真分析

振動(dòng)頻率ω=100.48 Hz,(n=960 r/min)；實(shí)際最大振幅λ=3.02 mm,(m=3 445 kg、F=105 000 N);物料最大速度V=0.189 m/s,(α=0.523 rad)；最大生產(chǎn)率Q=735.6 t/h(ρ=2 t/m3、h=300 mm)。

3.2.3 給料器固定

給料器固定方式有彈簧懸掛式和底座支撐式2種，彈簧懸掛式由花籃螺栓+彈簧緩沖器組成，花籃螺栓和緩沖器組合后整體較長(zhǎng)，懸掛掛點(diǎn)高度要求較高；底座支撐式由彈簧座+彈簧組成，結(jié)構(gòu)比較緊湊，為確保支撐點(diǎn)的穩(wěn)定，通常1個(gè)支撐點(diǎn)會(huì)加裝多只彈簧。本方案給料器支撐采用旋轉(zhuǎn)式彈簧支撐座，彈簧支座與轉(zhuǎn)軸用哈弗蓋板固定，每個(gè)支撐座設(shè)置2只彈簧，2只彈簧受力不均時(shí)支座轉(zhuǎn)動(dòng)使給料器保持平衡狀態(tài)，給料器的4個(gè)支承座使其整體保持平衡(見(jiàn)圖4)。在給料器受力方面，抓斗卸料對(duì)給料器產(chǎn)生的沖擊力T，使給料器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，給料器轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與4只彈簧支承力產(chǎn)生的扭矩平衡。

圖4 給料器彈簧支座及受力

3.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)支承裝置和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置組成。旋轉(zhuǎn)支承裝置常用的是回轉(zhuǎn)支承，主要承載給料器及平臺(tái)重量和物料施加的軸向力Fa、傾翻力矩M和徑向力Fr[4]。據(jù)仿真測(cè)算抓斗卸料時(shí)對(duì)給料器的沖擊載荷為114 535.8N，靜載載荷為62 994.7 N，考慮到港口裝卸作業(yè)通常為24 h工作制、抓斗卸料較頻繁，回轉(zhuǎn)支承選按最大沖擊載荷工況進(jìn)行，靜載安全系數(shù)fs按1.75計(jì)算(最大安全系數(shù))。求得45°承載時(shí)軸向力Fa=517 170.3 N；60°承載時(shí)Fa=599 419.8 N。

考慮到抓斗高空卸料、給料器振動(dòng)對(duì)回轉(zhuǎn)支承壽命影響較大，選型時(shí)回轉(zhuǎn)支承的滾道中心距應(yīng)大于漏斗卸料口直徑(1 500 mm)，有效保證抓斗卸料沖擊載荷在回轉(zhuǎn)支承中心?；剞D(zhuǎn)支承從滾道中心距為1 600 mm的單排4點(diǎn)接觸球式支承開始選取，由于回轉(zhuǎn)支承名義直徑大于卸料口直徑，選型后按軸向力核算即可。對(duì)照回轉(zhuǎn)支承選型手冊(cè)，選定型號(hào)為011.45.1600.001，許可軸向力在110×104N以上，計(jì)算的軸向力為599 419.8 N，遠(yuǎn)低于最小許可載荷,該型號(hào)軸承滿足使用要求。

該型號(hào)旋轉(zhuǎn)支承模數(shù)為m=14、齒數(shù)Z=127、調(diào)質(zhì)處理的齒輪圓周力為219 kN，根據(jù)圓周力計(jì)算公式和齒輪扭矩計(jì)算公式可推算回轉(zhuǎn)支承最大驅(qū)動(dòng)功率。旋轉(zhuǎn)給料器主要作業(yè)貨種為礦粉，礦粉粘性差異大、設(shè)計(jì)時(shí)暫未考慮帶載回轉(zhuǎn)工況?；剞D(zhuǎn)時(shí)要克服的阻力為回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部摩擦力，且作業(yè)中流程切換頻度不高，選定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)功率3 kW、減速箱速比141.83、驅(qū)動(dòng)開式齒輪m=14、Z=21。

為確保旋轉(zhuǎn)給料器在給料器振動(dòng)電機(jī)開啟、抓斗卸料時(shí)不會(huì)自轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加裝了一套插銷式的錨定裝置。

3.4 液壓控制系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)給料裝置主要有給料器擋板開閉和回轉(zhuǎn)自動(dòng)錨定2套機(jī)構(gòu)，均采用液壓油缸伸縮實(shí)現(xiàn)翻板旋轉(zhuǎn)和錨定升降操作。為方便液壓控制系統(tǒng)壓力調(diào)整，整套系統(tǒng)選用獨(dú)立的液壓站作為動(dòng)力源，壓力通過(guò)液壓站上的調(diào)壓閥實(shí)現(xiàn)，油缸換向操作采用電控閥控制。

4 遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)給料裝置采用遠(yuǎn)程集中控制，控制系統(tǒng)以生產(chǎn)指揮中心為核心，借助光纖以太網(wǎng)通訊，將給料系統(tǒng)、固定皮帶機(jī)、視頻監(jiān)控和照明控制融為一體，主要包含以下內(nèi)容。

(1)現(xiàn)場(chǎng)采用西門子S7-200 PLC控制，旋轉(zhuǎn)、漏斗斗門、錨定限位采用24 V安全電壓，液壓站電磁閥采用220 V交流控制。

(2)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用變頻驅(qū)動(dòng)，可就地及遠(yuǎn)程雙向旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)±180°，旋轉(zhuǎn)到指定工位后自動(dòng)停止，出料口視頻監(jiān)控和流程連鎖自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

(3)每臺(tái)高架漏斗設(shè)置獨(dú)立的光纖交換機(jī)和路由器，漏斗之間采用串接方式通訊，首、尾漏斗分別設(shè)置光纖接入點(diǎn)，單路光纖損壞不影響整體通訊；視頻監(jiān)控、PLC采用分段IP，兩路通訊無(wú)干擾。

(4)每個(gè)工位出料口設(shè)置獨(dú)立視頻監(jiān)控和系統(tǒng)照明，視頻監(jiān)控和照明可遠(yuǎn)程自動(dòng)切換和現(xiàn)場(chǎng)就地開、關(guān)。

(5)集控中心采用組態(tài)王與現(xiàn)場(chǎng)同步，遠(yuǎn)程控制操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速，操作過(guò)程系統(tǒng)自動(dòng)記錄并形成日志文件。

5 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程旋轉(zhuǎn)給料器是集振動(dòng)給料器、液壓控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程集中控制一體的自動(dòng)化設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、專業(yè)性強(qiáng)、可靠性高，可作為港口散貨通用給料裝置推廣使用。該給料裝置自2021年8月份投入使用以來(lái)，已作業(yè)紐曼礦、PB粉、鐵精粉、鋁土礦、煤炭等多個(gè)貨種，給料器性能穩(wěn)定、出料能力足，遠(yuǎn)程控制方便，每班可減少7名輔助放斗工，每年可節(jié)約人工成本約200萬(wàn)元。