6.25?m搗固型焦?fàn)t設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算及優(yōu)化改進(jìn)

王鵬

[摘? ? 要]6.25 m搗固型焦?fàn)t是現(xiàn)階段國內(nèi)焦化企業(yè)常用的一種搗固型焦?fàn)t，其組成裝置包括搗固機(jī)、攔焦車、推焦車、液壓交換機(jī)等。為了響應(yīng)節(jié)能減排號召和滿足環(huán)境保護(hù)要求，需要對現(xiàn)行的6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到節(jié)能提效的目的。文章以某焦化廠6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備為例，首先，介紹設(shè)備的基本組成以及各部分的主要參數(shù);其次，選擇攔焦車、煤槽側(cè)壁支架、裝煤車搗固煤箱3部分，簡要概述了優(yōu)化改進(jìn)的內(nèi)容。最后，基于推焦桿的機(jī)械疲勞問題，在分析機(jī)械振動原因的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的減震措施，為延長推焦桿的使用壽命、改良焦?fàn)t設(shè)備性能提供了一定的幫助。

[關(guān)鍵詞]6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備;攔焦車;推焦桿;機(jī)械疲勞

[中圖分類號]TQ520.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–03

6.25 m Tamping Type Coke Oven Equipment Structure

Calculation and Optimization Improvement

Wang Peng

[Abstract]The 6.25 m tamping coke oven is a kind of tamping coke oven commonly used by domestic coking companies at this stage. Its components include a tamping machine， a coke blocking car， a coke pushing car， and a hydraulic switch. In order to respond to the call for energy saving and emission reduction and meet the requirements of environmental protection， it is necessary to optimize and improve the existing 6.25 m tamping coke oven equipment to achieve the purpose of energy saving and efficiency improvement. This article takes the 6.25 m tamping coke oven equipment of a coking plant as an example. First， it introduces the basic composition of the equipment and the main parameters of each part; then selects the coke car， the sidewall support of the coal trough， and the coal loading car to tamping the coal box 3 Section， a brief overview of the optimization and improvement content. Finally， based on the mechanical fatigue problem of the coke pushing rod， and on the basis of analyzing the reasons of mechanical vibration， corresponding shock absorption measures are proposed， which provide certain help for extending the service life of the coke pushing rod and improving the performance of the coke oven equipment.

[Keywords]6.25 m tamping coke oven equipment; coke block car; coke pushing rod; mechanical fatigue

1 6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備結(jié)構(gòu)組成與參數(shù)

某焦化廠使用的6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備主要有攔焦車、裝煤車、推焦車、熄焦車等組成。

（1）攔焦車位于焦?fàn)t操作臺一側(cè)的軌道上，主要功能為在推焦時用導(dǎo)焦柵將紅焦炭導(dǎo)入熄焦車內(nèi)，同時把出焦煙塵導(dǎo)入集塵干管。4臺走行電機(jī)的功率均為30 kW，最大走行速度可達(dá)60 m/min;走行車輪直徑為710 mm，共14個，每個車輪可承受最大壓力320 kN;導(dǎo)焦運(yùn)行周期設(shè)定為10 min;設(shè)有2臺輔助除塵風(fēng)機(jī)，功率為37 kW。

（2）裝煤車的位置在焦?fàn)t機(jī)一側(cè)，在裝煤車運(yùn)行過程中，煤塔內(nèi)的洗精煤在搖動給料機(jī)的作用下，從煤塔下方的落料口掉入裝煤車的煤槽中。同時，經(jīng)過搗固機(jī)的處理，形成的煤餅通過運(yùn)煤車進(jìn)入焦?fàn)t內(nèi)。裝煤車還具有自動收集余煤和煙塵的功能，裝煤時灑落的煤料、輔助消除裝煤時產(chǎn)生的煙塵，都能由裝煤車收集起來，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境。整車行走速度7.5～75 m/min，單輪最大承壓600 kN;有2臺液壓油泵，另外配備容積為4 m3的余煤回收裝置。

（3）推焦車通過安裝在焦?fàn)t機(jī)一側(cè)的軌道定向行駛，基本流程為：先打開爐門，將爐內(nèi)碳化室里的紅焦推出;然后關(guān)閉爐門，并對爐門外側(cè)、爐框進(jìn)行清理。

（4）熄焦車和電機(jī)車為配套使用，電機(jī)車提供的電力驅(qū)動氣缸做功，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后控制熄焦車開門機(jī)構(gòu)的開、閉。熄焦車內(nèi)的紅焦溫度可以達(dá)到1 000 ℃以上，在電機(jī)功能與牽引下，將熄焦車送入熄焦塔內(nèi)，從塔的上方噴水熄焦。當(dāng)焦炭完全冷卻之后，再由熄焦車將其運(yùn)送至焦臺，將冷焦卸下。

2 6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)

2.1 攔焦車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算

攔焦車在運(yùn)行期間所受阻力主要有3部分，即靜阻力（如車輪軸承內(nèi)摩擦力、輪緣與軌道側(cè)面的摩擦力），啟動時的慣性阻力、風(fēng)載荷阻力。具體計(jì)算方法為：

（1）靜阻力的計(jì)算。靜阻力（Wj）與車體自重（Gn）和靜阻力系數(shù)（ω）有關(guān)，存在以下關(guān)系：

（1）

結(jié)合設(shè)備資料可知，車體重量為290 t，重力加速度取9.81 m/s2，靜阻力系數(shù)可通過以下公式求出：

（2）

式中：μ為軸承摩擦系數(shù)，取0.015;d為軸承內(nèi)徑，取190 mm，f為車輪在軌道上滑動時的摩擦力臂，取0.05;D為車輪踏面直徑，為710 mm;C為附加摩擦阻力系數(shù)，取1.35。根據(jù)上述已知量，可求ω=0.0056，將其帶入式（1）中，可得攔焦車運(yùn)行時的靜阻力為：

Wj=Gn×g×ω=290×9.81×0.0056≈15.93 kN （3）

（2）啟動慣性阻力的計(jì)算。啟動慣性阻力（Wa）主要與啟動時的加速度（α）、車體重量（Gn），以及旋轉(zhuǎn)件的慣性阻力（K）這3個因素有關(guān)，并且存在以下關(guān)系：

Wa=k×Gn×α （4）

式（4）中，啟動加速度取平均值，為0.16 m/s2，旋轉(zhuǎn)件的慣性阻力為1.2，則Wa=1.2×290×0.16=55.68 kN。

（3）風(fēng)載荷阻力的計(jì)算。風(fēng)載荷阻力（Wf）與風(fēng)力系數(shù)（C）、迎風(fēng)面積（A）、風(fēng)壓高度系數(shù)（F）等因素有關(guān)，并且存在以下關(guān)系：

（5）

式（5）中，風(fēng)力系數(shù)取1.1;風(fēng)壓取90 N/m2，風(fēng)壓高度系數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值1，迎風(fēng)面積為64 m2，則上式計(jì)算結(jié)果為6.912 kN。

為了克服阻力使攔焦車正常運(yùn)行，必須要提供足夠大的功率。攔焦車的電機(jī)功率（P）可通過下式計(jì)算得出：

（6）

式中：Kh為海拔高度系數(shù)，該企業(yè)所在地區(qū)海拔不足1 000 m，故Kh取1;Kt為溫度系數(shù)，取1.12;λcp為電機(jī)的啟動力矩倍數(shù)，取2;Zm為驅(qū)動裝置的數(shù)量，為4;Pj、Pa和Pf分別代表靜阻力下的功率、慣性阻力下的功率和風(fēng)阻力下的功率，可分別由以下公式計(jì)算得出：

（7）

（8）

（9）

根據(jù)上述已知量，要想克服攔焦車的運(yùn)行阻力，電機(jī)總功率P必須要達(dá)到10.88 kW。而該廠的6.25 m搗固型焦?fàn)t設(shè)備中所用電機(jī)的額定功率為22 kW，完全能夠滿足攔焦車的運(yùn)行要求。

2.2 煤槽側(cè)壁支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提升煤槽的牢固性，在兩側(cè)分別使用鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。每側(cè)共有9個側(cè)板支架。每個支架均采用傾斜的鋼結(jié)構(gòu)。但是在實(shí)際輸送煤時，受到搗固機(jī)的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)“漲箱”的問題。因此，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高煤槽側(cè)板的強(qiáng)度，防止出現(xiàn)因煤餅頻繁搗固而發(fā)生煤槽側(cè)壁向外鼓起、位移的情形。設(shè)計(jì)思路是在原來的傾斜鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，從靠近煤槽側(cè)壁的一側(cè)加裝有一定弧度的箱型斜撐梁。通過有限元分析，結(jié)構(gòu)改良之后的煤槽側(cè)壁支架結(jié)構(gòu)，抗位移能力是改良前的3倍，從而有效解決了搗固煤餅時側(cè)壁受到擠壓力向外突出的問題。

2.3 裝煤車搗固煤箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

搗固煤箱與搗固機(jī)聯(lián)合作業(yè)，利用重錘不斷夯擊、振搗，使煤粉變成固定形狀并且具有一定硬度的煤餅。從組成結(jié)構(gòu)上看，搗固煤箱結(jié)構(gòu)主要有3部分，即側(cè)壁及底部鋼板，用于加固結(jié)構(gòu)的受力支撐以及用于連接鋼板的槽鋼。整體為長方體形狀，箱體尺寸成為決定煤餅成型效果和搗固能耗的關(guān)鍵因素。因此，為了以較低的搗固能耗獲得符合要求的煤餅，必須對裝煤車的搗固煤箱進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。其基本方法如下。

（1）運(yùn)行Abaqus軟件，在“新建”選項(xiàng)中根據(jù)現(xiàn)有的煤箱尺寸，建立三維模型。此時煤箱的側(cè)壁鋼板尺寸參數(shù)為14 500 mm×5 415 mm×20 mm;材料為熱軋輕型20號工字鋼，熱軋普型20號a鋼、20號b鋼，材料實(shí)際尺寸見表1。

（2）設(shè)計(jì)變量。將材料厚度作為變量。從“設(shè)置”選項(xiàng)中，調(diào)出“尺寸”面板，按照表1給出數(shù)據(jù)分別填入，點(diǎn)擊確定。用數(shù)值1、2、3代表20號工字鋼、20號a鋼和20號b鋼。則得到左側(cè)尺寸L1、L2、L3，右側(cè)尺寸R1、R2、R3，以及側(cè)壁壁厚T共計(jì)7個設(shè)計(jì)變量。參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

在此基礎(chǔ)上定義目標(biāo)函數(shù)，即煤箱質(zhì)量最小化。在Optisruct模塊中，新建2個Load collect函數(shù)，并且分別定義約束、載荷。其中，約束類型設(shè)置為Spc，載荷類型設(shè)置為Pressure。利用Optisruct進(jìn)行求解，計(jì)算得到最優(yōu)尺寸。按照計(jì)算所得結(jié)果，使用應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，對比優(yōu)化前后應(yīng)力云圖中的最大應(yīng)力值。根據(jù)應(yīng)力云圖顯示結(jié)果，優(yōu)化后煤箱最大應(yīng)力為52.54 MPa，而約束條件為55 MPa，最大應(yīng)力小于約束條件，故此次優(yōu)化設(shè)計(jì)可行。

3 推焦桿機(jī)械疲勞可靠性分析優(yōu)化

3.1 推焦設(shè)備振動原因分析

推焦桿是推焦車的核心部件，在推焦過程中由于受到頻繁、強(qiáng)烈的振動，推焦桿容易出現(xiàn)接頭開裂、桿體變形等問題，繼而導(dǎo)致推力不足，無法正常完成推焦，使得整個焦?fàn)t設(shè)備的運(yùn)行效率下降。因此，需要對推焦桿進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。推焦桿的振動破壞主要來源于推焦時的共振現(xiàn)象，由此引起振動疲勞。引起共振的原因包括：①齒輪與齒條嚙合時，因?yàn)辇X輪彈性變形導(dǎo)致齒輪基節(jié)誤差，改變了原來的嚙合頻率，在周期性運(yùn)轉(zhuǎn)中引起共振。②齒輪、齒條中心距不很恒定，尤其是使用年限較長的推焦設(shè)備，齒輪發(fā)生磨損的情況較為常見，這種情況下因?yàn)辇X輪各處磨損程度不一致，由此產(chǎn)生嚙合振動。

3.2 推焦桿減振措施

在明確了推焦桿振動引起機(jī)械疲勞的原因后，可嘗試采取減振措施予以優(yōu)化。其措施之一是檢查并調(diào)整驅(qū)動齒輪和推焦桿齒條之間的間隙，保證間隙控制在1.2～1.5 mm。因?yàn)殚g隙過小則容易發(fā)生“咬齒”情況，間隙過大則會導(dǎo)致產(chǎn)生較大的沖擊力;所以合理的間隙對解決振動疲勞問題和提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性有積極幫助。措施之二是及時更換磨損的齒輪，或者將一對相同類型的齒輪分別布置在推焦桿的上、下方，保持對稱。并且兩個齒輪由同一臺電機(jī)驅(qū)動，這樣就始終保持齒輪齒條中心距恒定，也是一種減小振動的有效方法。

4 結(jié)束語

6.25 m搗固型焦?fàn)t備在使用時，通過合理設(shè)置攔焦車電機(jī)功率，能夠在滿足攔焦車運(yùn)行需求的基礎(chǔ)上，節(jié)約能源消耗。同時，對焦?fàn)t設(shè)備的煤槽側(cè)壁支架和裝煤車搗固煤箱進(jìn)行優(yōu)化，以及采取措施降低推焦設(shè)備的機(jī)械疲勞，這些改進(jìn)措施的應(yīng)用都能夠達(dá)到節(jié)本增效的效果，符合焦化廠節(jié)能減排、綠色發(fā)展的理念，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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