橋式混勻取料機(jī)液壓系統(tǒng)的改造

涂福泉，胡良智，毛陽(yáng)，劉小雙，曾慶斌，李賀

(武漢科技大學(xué)冶金裝備與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430081)

橋式滾筒混勻取料機(jī)是礦物混勻的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、建材等行業(yè)，其混勻效果的好壞直接影響著資源的合理利用［1］。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的橋式滾筒混勻取料機(jī)的傳動(dòng)部分屬于機(jī)械式［2－3］，該機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)屬于典型的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)－曲柄連桿機(jī)構(gòu)。雖然該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)單易行，滿(mǎn)足工作需要，但是在實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)零部件所出現(xiàn)的問(wèn)題遠(yuǎn)高于整個(gè)系統(tǒng)中其他零部件的損壞率，而且故障難于處理、維修成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。

隨著工廠(chǎng)生產(chǎn)力的不斷提高，對(duì)混勻礦料的質(zhì)量要求也越來(lái)越高［4］。而上述故障的長(zhǎng)期存在也使得機(jī)械式的混勻取料機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前需要，鑒于現(xiàn)有設(shè)備所存在和出現(xiàn)的問(wèn)題以及生產(chǎn)需要，下面以某公司的QLG1500·40A型橋式滾筒混勻取料機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了該機(jī)構(gòu)機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)的原理圖。然后，利用AMESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，對(duì)其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造成液壓系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 混勻取料機(jī)機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)原理及存在的問(wèn)題

1.1 機(jī)械式系統(tǒng)工作原理

橋式滾筒混勻取料機(jī)機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)車(chē)架嵌入地安裝在行走主梁上，移動(dòng)車(chē)架上裝有料耙，其簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)車(chē)架及料耙簡(jiǎn)圖

移動(dòng)車(chē)架與連桿鉸接在一起，系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)液力耦合器、減速器帶動(dòng)曲柄做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而曲柄則與連桿鉸接，連桿又帶動(dòng)料耙以及移動(dòng)車(chē)架在一定沖程內(nèi)沿主梁的長(zhǎng)度方向來(lái)回做直線(xiàn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而料耙上的耙齒插入料堆斜面，來(lái)回耙動(dòng)，將礦物原料混勻并使其滾落到滾筒底部，而滾筒上的鏟斗將混勻后的礦物原料挖走，并通過(guò)橫穿滾筒的皮帶機(jī)運(yùn)走。故其機(jī)械傳動(dòng)部分可以簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

1.2 機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題

(1)減速器高速軸斷裂;

(2)系統(tǒng)沖擊振動(dòng)較大;

(3)減速器高速傳動(dòng)齒輪失效;

(4)減速器端蓋螺栓滑落、斷裂;

(5)料耙移動(dòng)機(jī)架行走輪組啃道;

(6)電機(jī)燒壞。

上述故障的長(zhǎng)期存在使得武鋼港務(wù)公司的混勻取料機(jī)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足于當(dāng)前的需要，鑒于現(xiàn)有設(shè)備所存在和出現(xiàn)的問(wèn)題以及生產(chǎn)的需要，現(xiàn)考慮將現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造成液壓系統(tǒng)。

2 混勻取料機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 混勻取料機(jī)負(fù)載分析

由現(xiàn)有的資料可知，原設(shè)備機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如下:

(1)機(jī)構(gòu)往復(fù)行程 1 700 mm

(2)往復(fù)移動(dòng)次數(shù) 7.5次/min

(3)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)型號(hào) Y280S-4W

(4)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 75 kW

(5)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1 480 r/min

(6)曲柄長(zhǎng)度 850 mm

(7)連桿長(zhǎng)度 5 556 mm

(8)減速機(jī)型號(hào) H3SH10

(9)減速機(jī)減速比 71

分析可知，料耙往返一次，曲柄旋轉(zhuǎn)一周，而料耙的往返次數(shù)為7.5次/min，也就是說(shuō)，曲柄的轉(zhuǎn)速為n=7.5 r/min，這樣曲柄的角速度為

ω=2πn=7.5 r/min×2×π =47.1 rad/min=0.785 rad/s

料耙往復(fù)的平均速度為

v=7.5 r/min×1 700 mm×2=25 500 mm/min=0.425 m/s

在第1.1節(jié)中已經(jīng)討論過(guò)機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)的基本原理為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)際移動(dòng)車(chē)架并不是滑動(dòng)，而是采用六組行走車(chē)輪，所以移動(dòng)車(chē)架所受摩擦力為滾動(dòng)摩擦力，查手冊(cè)可知，鋼質(zhì)車(chē)輪與鋼軌之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.05。由機(jī)械圖紙可知，移動(dòng)車(chē)架、行走輪組以及料耙的總質(zhì)量為40 000 kg，所以，移動(dòng)車(chē)架所受的滾動(dòng)摩擦力為

f=40 000 kg×9.8 m/s2×0.05=19 600 N

由現(xiàn)場(chǎng)資料可知，料耙在耙料過(guò)程中所受的阻力大約為150 kN，所以要拖動(dòng)料耙所需的合力為

F合=150 000+f=169 600 N

2.2 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸［6－7］

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，料耙在往返運(yùn)動(dòng)中來(lái)回速度以及作用力要求相等，所以決定使用雙桿活塞式液壓缸，且兩活塞桿直徑相同，這樣即可滿(mǎn)足要求。

根據(jù)設(shè)備類(lèi)型以及工況取液壓缸的工作壓力為16 MPa，由于液壓缸在回程過(guò)程中不需要任何背壓，所以回油壓力為0，那么活塞桿的推力為

式中:F為液壓缸的推力，N;p1為進(jìn)油壓力，Pa;p2為回油壓力，Pa;A為液壓缸的有效工作面積，m2;ηm為液壓缸的機(jī)械效率，取ηm=0.9;D為活塞直徑，即缸筒直徑，m;d為活塞桿直徑，m。

所以，液壓缸尺寸應(yīng)滿(mǎn)足:

由液壓缸機(jī)械效率ηm=0.9，則:

由于設(shè)計(jì)之初準(zhǔn)備選用韶關(guān)液壓件廠(chǎng)的液壓缸，所以從樣本中初步選擇液壓缸的尺寸為200/160，即D=200 mm，d=160 mm，行程L=1 700 mm，滿(mǎn)足上式。

液壓缸實(shí)際可推動(dòng)的最大負(fù)載為

由此可見(jiàn)，滿(mǎn)足要求，并且還滿(mǎn)足了一定的設(shè)計(jì)余量。

液壓缸的有效工作面積為

取液壓缸的容積效率為ηv=0.98，液壓缸的輸出平均速度為v與機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)的平均速度一致，液壓缸的實(shí)際工作所需流量為

2.3 設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖［8］

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2.4 液壓元件的選擇

相關(guān)元件選型如表1所示。

表1 主要元件類(lèi)型

3 混勻取料機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

3.1 模型搭建

根據(jù)2.4節(jié)所擬定的液壓系統(tǒng)原理圖在AMESim中進(jìn)行模型搭建［9］。為了便于模型仿真與分析，對(duì)系統(tǒng)中有關(guān)元件做了部分簡(jiǎn)化，比如系統(tǒng)中所用的溢流閥為電磁溢流閥，這里所用的是直動(dòng)型的溢流閥，但是對(duì)于系統(tǒng)的功能不受影響;系統(tǒng)中的換向閥為帶有雙路單向節(jié)流閥的電液換向閥，這里省略了雙路單向節(jié)流閥，所以不能調(diào)節(jié)電液換向閥主閥芯的切換時(shí)間，但是對(duì)于系統(tǒng)的功能是可以滿(mǎn)足的。具體模型如圖3所示，這里采用分段信號(hào)源以及力傳感器來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

圖3 AMESim系統(tǒng)模型

3.2 仿真結(jié)果分析

(1)從圖4(a)、4(b)和圖4(c)中可以看出，系統(tǒng)工作壓力大約維持在15 MPa左右，而且壓力相對(duì)較為平緩，這是由于系統(tǒng)所用的泵為壓力控制型變量泵，所以，泵的出口壓力波動(dòng)并不太大。圖4(a)中，液壓缸兩腔壓力在換向的瞬間，即第4、8、12 s時(shí)，沖擊比較大，從圖4(b)中的局部放大圖中可以看出，最大沖擊達(dá)到22.5 MPa。由于液壓缸的行程與料耙的運(yùn)動(dòng)行程是一致的，在參數(shù)設(shè)置中已經(jīng)設(shè)置了液壓缸的行程為1.7 m，從圖4(d)中可以看出，在第4、8、12 s，液壓缸已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到了其最大行程，其死腔內(nèi)必然會(huì)瞬間產(chǎn)生高壓，這也是為什么沖擊達(dá)到22.5 MPa的原因之一。而由于沖擊的產(chǎn)生，料耙的速度和加速度在換向的瞬間也會(huì)產(chǎn)生一定的脈沖，從圖4(e)與圖4(f)中可以看出。

(2)在圖4(a)的第8 s可以看出，系統(tǒng)壓力與A腔壓力出現(xiàn)了一個(gè)急降，從最大沖擊降到了3.5 MPa左右，這個(gè)壓力并不足以推動(dòng)帶載條件下的料耙，而且在第8 s屬于換向階段，在換向瞬間，料耙會(huì)出現(xiàn)短暫的停頓，所以這個(gè)時(shí)候相當(dāng)于處于空載條件下，空載條件下拖動(dòng)料耙的液壓缸兩腔平均壓力為3 MPa左右，液壓缸在走到規(guī)定行程后由于死腔容積變小導(dǎo)致油液被壓縮，而在換向瞬間被壓縮的油液壓力得到釋放，而換向后的液壓油來(lái)不及補(bǔ)充，所以在換向瞬間出現(xiàn)壓力急降也是比較符合事實(shí)的。

(3)在圖4(a)中，在第4～4.5 s之間，系統(tǒng)壓力與B腔壓力緩慢的開(kāi)始下降，然后在較小的壓力范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍大約為14～15 MPa，這是由于在第4 s系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊開(kāi)始換向之后，液壓缸死腔的壓力得到釋放，而且在料耙開(kāi)始耙料的過(guò)程當(dāng)中，料堆的阻力有利于維持系統(tǒng)的壓力平穩(wěn)，所以在第4.5～8 s之間料耙出現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，而且波動(dòng)隨著時(shí)間的加長(zhǎng)越來(lái)越小。

仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)改造合理性，為實(shí)際改造提供了理論基礎(chǔ)。該方案正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)中，目前運(yùn)行效果良好。

圖4 曲線(xiàn)仿真

4 結(jié)論

(1)改造后的設(shè)備所出現(xiàn)的諸如沖擊較大等問(wèn)題都得到明顯改善，說(shuō)明設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)工作性能良好。

(2)改造后的設(shè)備在滿(mǎn)足各種工況條件下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)恒壓變量泵的流量和系統(tǒng)的壓力來(lái)提高輸出功率，從而提高了系統(tǒng)的工作性能。

(3)改造后的設(shè)備具有體積較小、結(jié)構(gòu)較為緊湊、質(zhì)量輕以及反應(yīng)快的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)以及頻繁換向等;也易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以及過(guò)載保護(hù)，防止系統(tǒng)因過(guò)載而發(fā)生損壞，采用電液聯(lián)合控制以及計(jì)算機(jī)控制之后能夠方便地實(shí)現(xiàn)高精度的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

(4)由于液壓系統(tǒng)本身以液壓油作為工作介質(zhì)，因此可自行潤(rùn)滑，而不需要另外增設(shè)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可以節(jié)約成本，也使得使用壽命增長(zhǎng)。

(5)AMESim軟件很好地應(yīng)用于混勻取料機(jī)的液壓系統(tǒng)改造的仿真研究，提高了設(shè)備改造研究速度，降低了研究成本，為設(shè)備改造和優(yōu)化提供了一種新思路。

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