PL380/52特大型散料門式耙料機(jī)的設(shè)計(jì)*

王存明 蔣文榮 張鎖龍 劉 麟 王 光 陸憲輝

（1.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司 2.常州化工設(shè)備有限公司3.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 4.常州市過程裝備工程技術(shù)中心)

PL380/52特大型散料門式耙料機(jī)的設(shè)計(jì)*

王存明**1蔣文榮2，4張鎖龍3，4劉 麟3，4王 光2，4陸憲輝2，4

（1.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司 2.常州化工設(shè)備有限公司3.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 4.常州市過程裝備工程技術(shù)中心)

PL380/52特大型散料門式耙料機(jī)是大型化肥生產(chǎn)裝置的重要配套設(shè)備。詳細(xì)論述特大型散料門式耙料機(jī)設(shè)計(jì)的目的、依據(jù)和方法，為設(shè)計(jì)更大耙料能力和更大跨度的散料門式耙料機(jī)提供參考。

門式耙料機(jī) 設(shè)計(jì) 散料 化肥 自動化

0 前言

近十幾年來，我國化肥工業(yè)在產(chǎn)業(yè)布局和集中度、技術(shù)裝備水平、資源綜合利用、環(huán)境保護(hù)等方面取得了一定的進(jìn)步。我國化肥工業(yè)基本形成了產(chǎn)、供、銷相對獨(dú)立和完善的體系，走出了一條適合我國國情的、基本自給的、資源利用和環(huán)境友好協(xié)調(diào)發(fā)展的路子。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，化肥產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)調(diào)整及重組，由大型化肥企業(yè)替代小型化肥企業(yè)的生產(chǎn)模式，不僅是我國化肥行業(yè)提高生產(chǎn)效率和能源利用率、降低環(huán)境污染的必要手段，而且也是保障我國化肥行業(yè)又好又快發(fā)展的重要措施。

耙料機(jī)作為化肥生產(chǎn)包裝的重要設(shè)備，是大型化肥廠最大的移動設(shè)備 （見圖1）。一般大型化肥廠都設(shè)有一座大型化肥散裝庫，在無包裝條件時(shí)由膠帶輸送機(jī)將化肥均勻撒入散裝庫中，當(dāng)需要包裝時(shí)再由耙料機(jī)將化肥耙到膠帶輸送機(jī)上，送到包裝工段進(jìn)行定量包裝。

1 我國大型散料門式耙料裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國一些化肥生產(chǎn)企業(yè) （中國石化安慶分公司、四川瀘天化股份有限公司、滄州大化集團(tuán)有限責(zé)任公司等）從20世紀(jì)70年代開始從德國、法國等國家引進(jìn)耙料機(jī)成套設(shè)備。由于當(dāng)時(shí)包括耙料機(jī)成套設(shè)備在內(nèi)的數(shù)種類型的大型化肥裝置核心技術(shù)由國外企業(yè)所壟斷，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耙料機(jī)就成了當(dāng)務(wù)之急。1980年前后我國組建了由六部委參與的 “引進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)化辦公室”，由原化工部牽頭，對大型化肥裝置中的重要設(shè)備進(jìn)行國產(chǎn)化開發(fā)，使之具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

圖1 散料門式耙料機(jī)

近年來，隨著化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及重組的深入開展，化肥生產(chǎn)企業(yè)的大型化和集中化迫切需要其生產(chǎn)過程中的設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代。例如，目前尿素裝置生產(chǎn)能力正由原 “30-52工程”（即年產(chǎn)30萬t合成氨/52萬t尿素工程）向 “50-80工程”方向發(fā)展，并正向 “70-120工程”等更大規(guī)模發(fā)展，而與之配套的耙料機(jī)卻無法滿足生產(chǎn)裝置的需求。現(xiàn)有的耙料機(jī)由于噸位過小，成為化肥生產(chǎn)企業(yè)大型裝置的短板，不但嚴(yán)重制約了現(xiàn)有大型裝置的生產(chǎn)效率，而且耙料機(jī)單位產(chǎn)值的能耗較高，造成能源的較大浪費(fèi)。國內(nèi)能生產(chǎn)此類設(shè)備的企業(yè)有常州化工設(shè)備有限公司、常州第二化機(jī)廠和上海大神力公司等。雖然國內(nèi)有企業(yè)在原有PL240/48門式耙料機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行了放大設(shè)計(jì)，生產(chǎn)了PL350/50門式耙料機(jī)，但只是幾何放大，并未真正掌握其核心技術(shù)，所以在業(yè)主索要設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)無法提供。為了提高化肥生產(chǎn)大型裝置的生產(chǎn)效率和能源利用率，掌握開發(fā)大噸位、高性能、環(huán)保節(jié)能、安全可靠的大型耙料機(jī)技術(shù)已迫在眉睫。

掌握特大型散料門式耙料機(jī)的設(shè)計(jì)，對提高我國化肥生產(chǎn)大型裝置技術(shù)水平，有效降低化肥生產(chǎn)成本，增強(qiáng)我國化肥行業(yè)在國際市場的競爭力，有效節(jié)約能源都是有益的；同時(shí)，也是在我國耕地面積減少和人口增加的雙重壓力下，保障我國糧食和農(nóng)產(chǎn)品持續(xù)穩(wěn)定豐產(chǎn)增收的重要前提。該裝備的開發(fā)將拓展我國在東南亞的化肥設(shè)備市場，增強(qiáng)企業(yè)核心競爭能力，對參與大型機(jī)電設(shè)備國際競爭創(chuàng)造了有利條件。另外該技術(shù)還可以推廣應(yīng)用于糧食、建筑、礦產(chǎn)等行業(yè)散料的輸送，極大地提高產(chǎn)品的適應(yīng)性和應(yīng)用領(lǐng)域。

2 特大型散料門式耙料機(jī)的設(shè)計(jì)

PL380/52型耙料機(jī)是跨度為52 m、耙料量為380 t/h的特大型散料門式耙料機(jī)，其設(shè)計(jì)須解決以下三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）以減輕設(shè)備自重、降低材料消耗為目標(biāo)的耙料機(jī)整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)受力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（2）以提高耙料能力和耙料效率、降低能源消耗為目標(biāo)的耙料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（3）以創(chuàng)新耙料機(jī)操作控制理念，提高設(shè)備自動化、智能化控制水平，提高耙料機(jī)操作效率為目標(biāo)的操作控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以上三方面的關(guān)鍵技術(shù)具體細(xì)分為以下內(nèi)容。

2.1 耙料機(jī)整體門架的受力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于耙料門架質(zhì)量達(dá)180 t，跨度達(dá)52～54 m，自重引起的變形和受力是耙料機(jī)門架優(yōu)化設(shè)計(jì)主要影響因素之一。由于在制造和安裝兩種不同狀態(tài)下耙料機(jī)的變形都達(dá)到300～400 mm，其自身的變形直接影響產(chǎn)品的正常運(yùn)行和安裝的精確度，故其受力狀態(tài)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載能力有很大影響。通過對耙料機(jī)整體門架的受力分析，利用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別計(jì)算下述項(xiàng)目:

（1）門架在制造時(shí)應(yīng)預(yù)留的反變形量；

（2）門架安裝后的初次變形量；

（3）將耙臂耙鏈等附件裝上后的最終變形量，以及門架中的應(yīng)力水平和應(yīng)力分布情況；

（4）當(dāng)門架兩端出現(xiàn)一定量 （如300 mm）的行走偏斜時(shí)門架中的應(yīng)力水平和應(yīng)力分布情況。

以上計(jì)算包括空載靜止時(shí)的載荷和工作運(yùn)行時(shí)的載荷兩種狀態(tài)。

2.2 耙料機(jī)最大行走誤差估計(jì)和糾偏設(shè)計(jì)

首先計(jì)算行走輪作用于軌道上的壓力載荷，而后對水平導(dǎo)輪作用于軌道的水平力和力矩進(jìn)行計(jì)算，估算耙料機(jī)行走輪的最大行走誤差，進(jìn)而對行走輪的行程和軌道進(jìn)行糾偏設(shè)計(jì)，達(dá)到控制行走輪行走誤差的目的。由于跨度達(dá)50～54m，其行走偏差將對控制系統(tǒng)提出很高的要求。

2.3 耙料機(jī)端梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

分別對A、B端梁的強(qiáng)度、剛度及撓度進(jìn)行校核計(jì)算，并確定耙料機(jī)A、B端梁在制造時(shí)的反變形量 （或稱預(yù)變形量），根據(jù)計(jì)算結(jié)果對A、B端梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 耙料機(jī)主副耙臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對耙料機(jī)主副耙臂的強(qiáng)度、剛度及撓度進(jìn)行校核計(jì)算，重新對耙臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5 耙料機(jī)耙料能力及能耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過數(shù)值分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對耙料機(jī)的耙料過程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算耙料機(jī)耙料能力，并建立耙料量與耙板高度、寬度、間距、速度之間的關(guān)系式，進(jìn)而優(yōu)化耙板和耙鏈結(jié)構(gòu)。

2.6 耙鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在耙料機(jī)工作運(yùn)行過程中，耙鏈承受巨大的工作載荷，一旦耙鏈斷裂，不但會造成生產(chǎn)停工，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，因此需對耙鏈工作時(shí)所承受的最大工作載荷進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度校核。在此基礎(chǔ)上對耙鏈進(jìn)行全新優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滾子鏈取代老式的板式鏈，使耙鏈與軌道由滑動摩擦改為滾動摩擦，從而大幅降低動力消耗。對鏈輪及軌道進(jìn)行優(yōu)化降噪設(shè)計(jì)，以降低運(yùn)動噪聲。獨(dú)創(chuàng)性地對耙鏈進(jìn)行潤滑設(shè)計(jì)，以改善耙鏈關(guān)節(jié)潤滑狀態(tài)，延長耙鏈?zhǔn)褂脡勖?，最大程度地?jié)約能源。

2.7 耙板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對原有耙板自重大、過于平直、耙板有效高度小、耙板效率較低的狀況，通過模擬試驗(yàn)和理論研究，開發(fā)出自重小、板效率高的耙板，從而提高耙料機(jī)耙料能力，降低能源消耗。

2.8 主副耙臂組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有耙料機(jī)無論是進(jìn)口產(chǎn)品還是國產(chǎn)產(chǎn)品，由于其結(jié)構(gòu)及操作控制上的原因，耙料機(jī)在自動運(yùn)行結(jié)束后仍殘存有10%～15%的余料，必須通過繁瑣的、效率低下的手動操作來完成余料回收作業(yè)；且由于耙料機(jī)結(jié)構(gòu)原因，最終仍殘存約1%的余料無法耙送，形成死料，只能另行安排人工清理。以設(shè)計(jì)總庫容量為25 000 t計(jì)，1%的余料也將達(dá)250 t，且都是壓實(shí)了的僵死料，人工清理特別費(fèi)時(shí)費(fèi)力。新設(shè)計(jì)的耙料機(jī)從操作控制理念和結(jié)構(gòu)等入手，取消了手動操作的余料回收作業(yè)程序，在全自動操作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)尿素耙取完畢的功能，從而可大幅度提高操作效率，顯著減少能源、人工消耗，降低工人操作強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.9 操作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耙料機(jī)操作控制系統(tǒng)將摒棄原來的機(jī)械僵化操作控制模式，創(chuàng)新操作控制規(guī)則，充分利用現(xiàn)有先進(jìn)控制技術(shù)，在耙料機(jī)大車運(yùn)行、大車行走糾偏、耙臂角度控制、主副耙臂安全距離保持控制、耙板吃料深度調(diào)節(jié)、各種安全保護(hù)措施設(shè)置以及耙料機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的檢測、反饋、控制等方面實(shí)現(xiàn)高度自動化、智能化。要求耙料機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息方便可查，對故障具有一定的自診斷能力。耙料機(jī)的操作從自動運(yùn)行程序到具體手動操作動作都進(jìn)行人性化改進(jìn)，以改善操作人員的勞動環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度。

耙料機(jī)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 耙料機(jī)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

3 總結(jié)

PL380/52特大型散料門式耙料機(jī)是大型化肥生產(chǎn)裝置的重要配套設(shè)備。本文詳細(xì)論述了特大型散料門式耙料機(jī)的設(shè)計(jì)方法，可為設(shè)計(jì)更大耙料能力和更大跨度的散料門式耙料機(jī)提供參考。本文論述的全新優(yōu)化設(shè)計(jì)的耙料機(jī)操作控制理念先進(jìn)、耙料能力大、耙料效率高、能源和人工消耗低、運(yùn)行安全可靠，完全滿足化肥裝置大型化、自動化、信息化、環(huán)保節(jié)能、安全可靠的要求。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)代表了耙料機(jī)今后發(fā)展的方向。

Design of PL380/52 Oversize Bulk Portal Harrower

Wang Cunming JiangWenrong Zhang Soulong Liu Lin Wang Guang Lu Xianhui

PL380/52 oversize bulk portal harrower is an important matching equipment for large fertilizer plant.Detailed discussed the design objective,basis and method of oversize bulk portal harrower,to provide reference for design of harrower with larger capacity and greater span.

Portal harrower;Design;Bulk;Fertilizer;Automation

TQ 051.23

2012-12-12）

常州市科技支撐項(xiàng)目資助 （CE20120094）。

**王存明，男，1978年生，工程師。無錫市，214071。