成品倉(cāng)放料門(mén)氣缸選型的理論分析

朱冰偉(廊坊德基機(jī)械科技股份有限公司,河北廊坊　065600)

成品倉(cāng)放料門(mén)氣缸選型的理論分析

朱冰偉
(廊坊德基機(jī)械科技股份有限公司,河北廊坊065600)

針對(duì)瀝青拌和站的成品料倉(cāng)門(mén)氣缸選型的問(wèn)題,以某瀝青混合料生產(chǎn)設(shè)備的成品料倉(cāng)為例,從倉(cāng)門(mén)形狀、受力關(guān)系、氣缸運(yùn)行速度與開(kāi)合時(shí)間之間的關(guān)系等方面對(duì)成品料倉(cāng)放料門(mén)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算,得出了倉(cāng)門(mén)的合理形狀與氣缸選型的依據(jù),可為同類(lèi)設(shè)計(jì)提供參考.

成品料倉(cāng)門(mén);氣缸選型;開(kāi)合時(shí)間;理論計(jì)算

0　引　言

氣缸在瀝青拌和站中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,其選擇是否合理,直接影響著整套設(shè)備的運(yùn)行.若選擇缸徑過(guò)小,則輸出力不夠,氣缸不能正常工作;若缸徑過(guò)大,不僅使設(shè)備笨重、成本高,同時(shí)耗氣量會(huì)增大,造成能源浪費(fèi).一般情況下,瀝青混合料拌和站常處于全天不間斷的工作狀態(tài)[1-4],如果某一個(gè)氣缸出現(xiàn)故障,將直接影響整臺(tái)瀝青拌和站的生產(chǎn),造成經(jīng)濟(jì)損失.因此,本文通過(guò)對(duì)成品倉(cāng)氣缸選型的分析,提出選擇氣缸的理論依據(jù).

1　成品倉(cāng)放料門(mén)受力分析

1.1受力分析

選則氣缸時(shí),首先要計(jì)算出需要的作用力.開(kāi)關(guān)放料門(mén)的力與其本身結(jié)構(gòu)和所受外力有關(guān),后者屬于局部壓力,并取決于物料的物理特性、料倉(cāng)形狀的尺寸、剛度以及料倉(cāng)的操作方式等因素.對(duì)于水平的放料門(mén),考慮到物料顆粒內(nèi)部的摩擦力和粘著力產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ會(huì)抵消部分物料重力,使其上的壓力要比流體靜壓力小得多,尤其是對(duì)未全部卸空的料倉(cāng).成品倉(cāng)水平料倉(cāng)門(mén)的受力模型如圖1所示.

作用于水平放料門(mén)上的平均壓強(qiáng)可用下式近似計(jì)算[5]式中:RH為放料口的水力半徑(m);ρ為物料的容積密度(kg·m－3);g為重力加速度(m·s－2);k0為考慮料倉(cāng)操作特點(diǎn)的系數(shù),對(duì)于整個(gè)工作中全部卸空的料倉(cāng),取k0＝1;對(duì)于每開(kāi)啟一次并非都是全部卸空的料倉(cāng),取k0＝1.5;對(duì)于每開(kāi)啟一次便全部卸空的料倉(cāng),取k0＝2.

圖1　成品倉(cāng)水平料倉(cāng)門(mén)受力模型

作用于傾斜和垂直閘門(mén)上的壓強(qiáng),可近似按下式計(jì)算[5]

式中:β為倉(cāng)門(mén)對(duì)水平面的傾斜角;λ為側(cè)壓系數(shù),λ＝0.18/μ,μ為物料的內(nèi)摩擦系數(shù).

則作用于放料門(mén)的壓力為

式中:A為料倉(cāng)卸料口的面積(m2).

CP120成品倉(cāng)的放料門(mén)為水平方向,則瀝青混合料與倉(cāng)門(mén)間的摩擦力為

式中:μ0為瀝青混合料與成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)間的摩擦系數(shù).

1.2倉(cāng)門(mén)形狀的選取

由計(jì)算可知,摩擦力f越小就越有利于倉(cāng)門(mén)的開(kāi)合.想使f減小,則要求壓強(qiáng)p或者卸料口面積A減小,但由于在卸料時(shí),需要保證規(guī)定時(shí)間內(nèi)的卸料量,因此卸料口面積A不能變,所以需要減小壓強(qiáng)p.由式(1)可知,在k0、ρ和g不變的情況下,只能減小RH,由RH＝A/L(L為卸料口的周長(zhǎng))可知,由于卸料口面積A不變,只能增大卸料口的周長(zhǎng)L.

CP120成品倉(cāng)放料門(mén)的形狀為長(zhǎng)方形,邊長(zhǎng)分別為a和b,由A＝ab和L＝2 a＋b()可得

取A＝1,由式5可得周長(zhǎng)L的變化規(guī)律如圖2所示.

圖2　L變化規(guī)律

由圖2可知,a值越大或者越小,周長(zhǎng)L會(huì)越大,因此CP120成品長(zhǎng)方形倉(cāng)放料門(mén)的一邊長(zhǎng)盡可能取較大的值.在保證放料門(mén)面積的情況下,一邊長(zhǎng)a越大,RH會(huì)越小,壓強(qiáng)p也會(huì)越小,則打開(kāi)放料門(mén)所需要的力也就越小,也就越有利于氣缸的選型.

2　成品倉(cāng)放料門(mén)氣缸的選型

氣缸的理論輸出力是在最理想狀態(tài)下的輸出力,但實(shí)際中會(huì)因?yàn)槟Σ?、氣壓等有損失.所以實(shí)際輸出力要小于理論輸出力.一般設(shè)計(jì)時(shí)都按照理論輸出力的50%～70%來(lái)選型.

氣缸最主要的數(shù)據(jù)是缸徑和行程,氣缸的輸出力主要與活塞的受力面積有關(guān),而氣缸的受力面積則取決于氣缸的缸徑.一般來(lái)說(shuō),氣缸的缸徑和行程成一定比例,行程越長(zhǎng),缸徑也會(huì)隨之變大.

根據(jù)需要的輸出力換算出氣缸的活塞面積S,由F0＝np S可得

式中:F0為氣缸所需要的輸出力(N);P為系統(tǒng)壓力(Pa);S為活塞面積(m2);n為安全系數(shù),一般氣缸水平使用取0.7,垂直使用取0.5.

計(jì)算出氣缸的活塞面積后,再根據(jù)S＝πD2/4計(jì)算出氣缸的缸徑D.為了安全考慮,在計(jì)算出缸徑后,都會(huì)選擇比計(jì)算值大一級(jí)別的缸徑.

氣缸的行程可根據(jù)料倉(cāng)門(mén)完全打開(kāi)所需要的行程來(lái)預(yù)選,為了安裝調(diào)試,對(duì)預(yù)選的行程要留有余量,一般使用滿行程或者根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的行程,這樣可保證供貨速度,降低成本.

3　實(shí)例計(jì)算

3.1氣缸選型的計(jì)算

以德基CP120成品倉(cāng)為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,過(guò)程如下.

CP120成品倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)為水平倉(cāng)門(mén),倉(cāng)口為長(zhǎng)方形,尺寸為400 mm×850 mm,卸料時(shí)成品倉(cāng)并非全部卸空,所以k0＝1.5;一般情況下,瀝青混合料的密度ρ為1 800～2 200 kg·m－3,在計(jì)算時(shí)取最大值2 200 kg·m－3;經(jīng)過(guò)多篇文獻(xiàn)的相互驗(yàn)證,普通鋼板與混凝土的摩擦系數(shù)大致為0.6,因此取瀝青混合料與倉(cāng)們的摩擦系數(shù)μ0＝0.6.由式(1)可得

由式(3)、(4)得

則打開(kāi)料倉(cāng)門(mén)所需要的力最大為F0＝f＝5 024.55 N

CP120成品倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)為水平倉(cāng)門(mén),故取n＝0.7,系統(tǒng)壓力為0.8 MPa和1 MPa時(shí),分別由式(5)得

D1＝107 mm,D2＝96 mm

從氣缸列表中選出標(biāo)準(zhǔn)缸徑的氣缸為125 mm.一般情況下活塞與推桿的直徑之比d/D為0.2～0.3[6],則氣缸推桿的直徑選取范圍為25～40 mm.

CP120成品倉(cāng)的倉(cāng)門(mén)完全打開(kāi)至少需要移動(dòng)400 mm,而選擇氣缸的行程應(yīng)大于400 mm,所以選取標(biāo)準(zhǔn)行程L＝500 mm.

在上述計(jì)算中,各系數(shù)選取均偏向安全,因此計(jì)算出的缸徑能完全滿足要求.

3.2氣缸的運(yùn)行速度分析

對(duì)選出的氣缸需要進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)行速度分析,以此來(lái)驗(yàn)證成品倉(cāng)開(kāi)合門(mén)是否能達(dá)到工作狀態(tài)下所要求的時(shí)間.

由于空氣具有可壓縮性,而且氣缸運(yùn)動(dòng)受很多因素影響,導(dǎo)致氣缸的運(yùn)動(dòng)特性很復(fù)雜,是一個(gè)復(fù)雜的非線性運(yùn)動(dòng),因此難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行理論分析.為了便于分析計(jì)算,作以下假設(shè).

(1)設(shè)定工作時(shí)的氣源為理想氣體,符合理想氣體特性.

(2)假設(shè)氣源的供氣能保證氣缸進(jìn)氣腔的壓力恒定.

(3)假設(shè)氣缸的進(jìn)氣和排氣是一個(gè)等熵過(guò)程,即氣體與外界熱交換可以忽略.

CP120成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)開(kāi)合是直線運(yùn)動(dòng),則成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)的氣動(dòng)工作模型如圖3所示.

圖3　氣缸工作系統(tǒng)模型

當(dāng)電磁閥換向后,壓縮氣體進(jìn)入A腔,A腔壓力上升,同時(shí)B腔氣體排出,B腔壓力下降,當(dāng)活塞兩側(cè)的壓力差大于負(fù)載時(shí),氣缸活塞桿推動(dòng)負(fù)載動(dòng)作.在實(shí)際工作中,受各種因素影響,氣缸中壓縮空氣產(chǎn)生的壓力能不可能完全轉(zhuǎn)化成負(fù)載的動(dòng)能.一般情況下氣缸的效率值在0.7～0.95之間[7].氣缸動(dòng)作速度和成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)的開(kāi)合時(shí)間計(jì)算過(guò)程如下.

在成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)完全打開(kāi)過(guò)程中A腔氣體推動(dòng)活塞所做的功為

B腔氣體阻礙活塞運(yùn)功所做的功為

式中:p1為氣缸A腔內(nèi)氣體壓力即氣源供給力(Pa);p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(Pa);L為氣缸行程(m); S1、S2分別為氣缸活塞兩側(cè)的面積(m2).

在成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)開(kāi)合的過(guò)程中,倉(cāng)門(mén)所受的壓力是不斷變化的,準(zhǔn)確計(jì)算很困難.為了便于分析計(jì)算,把打開(kāi)倉(cāng)門(mén)時(shí)所受的摩擦力轉(zhuǎn)換為恒定的質(zhì)量塊,即設(shè)倉(cāng)門(mén)受到的摩擦力F＝mg,再由公式(4)可得,f＝mgμ即得出

根據(jù)功能守恒定律得

式中:η為氣缸的工作效率;v為氣缸運(yùn)行的最大速度(m·s－1).

由式(7)可得氣缸的最大速度為

則氣缸的平均速度為

則成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)完全打開(kāi)需要的時(shí)間為

同理可以計(jì)算出成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)完全閉合的過(guò)程大約為0.6 s.

根據(jù)在工地實(shí)測(cè)的瀝青混合料拌和站CP120成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)打開(kāi)的時(shí)間在0.5～1 s之間,因此可以看出選出的氣缸型號(hào)完全符合實(shí)際需要,也驗(yàn)證了上述方法的合理性,可以為其他成品倉(cāng)倉(cāng)門(mén)氣缸的選型提供實(shí)際參考.

4　結(jié)　語(yǔ)

本文以德基公司的CP120成品倉(cāng)放料門(mén)為基礎(chǔ),對(duì)放料門(mén)的氣缸選型進(jìn)行了理論分析,得出如下結(jié)論.

(1)傳統(tǒng)的倉(cāng)門(mén)受力分析只考慮了瀝青混合料自身的重力,本文考慮了瀝青混合料的物理特性,即物料顆粒內(nèi)部的摩擦力和粘著力,使受力分析更為合理,計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確.

(2)對(duì)成品倉(cāng)長(zhǎng)方形倉(cāng)門(mén)的選取進(jìn)行了分析.在保證放料口面積的情況下,長(zhǎng)方形倉(cāng)門(mén)的一邊越長(zhǎng),放料門(mén)的受力越小,越有利于氣缸的選型.

(3)通過(guò)實(shí)例計(jì)算選取的氣缸缸徑與德基公司在實(shí)際應(yīng)用的成品倉(cāng)放料門(mén)氣缸的型號(hào)相符合,并進(jìn)一步對(duì)氣缸運(yùn)行速度進(jìn)行了合理分析與計(jì)算,得出氣缸的運(yùn)行速度和倉(cāng)門(mén)的開(kāi)合時(shí)間與成品倉(cāng)放料門(mén)在實(shí)際工作下的狀態(tài)相符合,以此為其他型號(hào)的成品倉(cāng)放料門(mén)氣缸的選型提供了理論依據(jù)和參考.

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[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]

Theoretical Analysis on Selection of Cylinder for Emptying Door of Finished Product Silo

ZHU Bingwei
(Langfang D& Machinery Technology Co.Ltd.,Langfang 065600,Hebei,China)

Aimed at the selection of cylinder for emptying door of finished product silo of asphalt mixing plant,the finished product silo of a certain brand was taken as an example to carry out the theoretical analysis and calculation.The shape of emptying door,stress relationship,the relationship between the cylinder speed and opening and closing time were studied,and the rational shape of emptying door and the basis of the selection of cylinder were obtained,which provides reference for similar design.

emptying door of finished product silo;selection of cylinder;opening and closing time;theory and calculation

U415.52

B

1000-033X(2015)01-0091-04

2014-08-16