涂福泉，胡良智，毛陽，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實驗室，湖北武漢430081)

橋式滾筒混勻取料機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，國內(nèi)應(yīng)用的橋式滾筒混勻取料機的傳動部分屬于機械式［2－3］，該機械式傳動系統(tǒng)屬于典型的平面運動機構(gòu)－曲柄連桿機構(gòu)。雖然該運動機構(gòu)原理簡單易行，滿足工作需要，但是在實際生產(chǎn)中機械傳動系統(tǒng)相關(guān)零部件所出現(xiàn)的問題遠高于整個系統(tǒng)中其他零部件的損壞率，而且故障難于處理、維修成本高、耗時長。

隨著工廠生產(chǎn)力的不斷提高，對混勻礦料的質(zhì)量要求也越來越高［4］。而上述故障的長期存在也使得機械式的混勻取料機已經(jīng)無法滿足當(dāng)前需要，鑒于現(xiàn)有設(shè)備所存在和出現(xiàn)的問題以及生產(chǎn)需要，下面以某公司的QLG1500·40A型橋式滾筒混勻取料機的傳動系統(tǒng)為研究對象，分析了該機構(gòu)機械式傳動系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了液壓系統(tǒng)的原理圖。然后，利用AMESim軟件對該系統(tǒng)進行仿真分析，對其機械傳動系統(tǒng)改造成液壓系統(tǒng)的可行性進行驗證。

1 混勻取料機機械式傳動系統(tǒng)原理及存在的問題

1.1 機械式系統(tǒng)工作原理

橋式滾筒混勻取料機機械式傳動系統(tǒng)的移動車架嵌入地安裝在行走主梁上，移動車架上裝有料耙，其簡化圖如圖1所示。

圖1 移動車架及料耙簡圖

移動車架與連桿鉸接在一起，系統(tǒng)的原動機為電動機，電動機通過液力耦合器、減速器帶動曲柄做勻速圓周運動，而曲柄則與連桿鉸接，連桿又帶動料耙以及移動車架在一定沖程內(nèi)沿主梁的長度方向來回做直線的往復(fù)運動，而料耙上的耙齒插入料堆斜面，來回耙動，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，并通過橫穿滾筒的皮帶機運走。故其機械傳動部分可以簡化為曲柄連桿機構(gòu)。

1.2 機械式傳動系統(tǒng)主要存在的問題

(1)減速器高速軸斷裂;

(2)系統(tǒng)沖擊振動較大;

(3)減速器高速傳動齒輪失效;

(4)減速器端蓋螺栓滑落、斷裂;

(5)料耙移動機架行走輪組啃道;

(6)電機燒壞。

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

2 混勻取料機構(gòu)傳動機構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 混勻取料機負載分析

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

(1)機構(gòu)往復(fù)行程 1 700 mm

(2)往復(fù)移動次數(shù) 7.5次/min

(3)驅(qū)動電動機型號 Y280S-4W

(4)驅(qū)動電動機功率 75 kW

(5)驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)速 1 480 r/min

(6)曲柄長度 850 mm

(7)連桿長度 5 556 mm

(8)減速機型號 H3SH10

(9)減速機減速比 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，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)討論過機械式傳動系統(tǒng)的基本原理為曲柄連桿機構(gòu)，實際移動車架并不是滑動，而是采用六組行走車輪，所以移動車架所受摩擦力為滾動摩擦力，查手冊可知，鋼質(zhì)車輪與鋼軌之間的滾動摩擦因數(shù)為0.05。由機械圖紙可知，移動車架、行走輪組以及料耙的總質(zhì)量為40 000 kg，所以，移動車架所受的滾動摩擦力為

f=40 000 kg×9.8 m/s2×0.05=19 600 N

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

F合=150 000+f=169 600 N

2.2 計算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸［6－7］

根據(jù)現(xiàn)場工況，料耙在往返運動中來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，這樣即可滿足要求。

根據(jù)設(shè)備類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)滿足:

由液壓缸機械效率ηm=0.9，則:

由于設(shè)計之初準備選用韶關(guān)液壓件廠的液壓缸，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，滿足上式。

液壓缸實際可推動的最大負載為

由此可見，滿足要求，并且還滿足了一定的設(shè)計余量。

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與機械式傳動系統(tǒng)的平均速度一致，液壓缸的實際工作所需流量為

2.3 設(shè)計液壓系統(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 主要元件類型

3 混勻取料機液壓傳動系統(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中進行模型搭建［9］。為了便于模型仿真與分析，對系統(tǒng)中有關(guān)元件做了部分簡化，比如系統(tǒng)中所用的溢流閥為電磁溢流閥，這里所用的是直動型的溢流閥，但是對于系統(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間，但是對于系統(tǒng)的功能是可以滿足的。具體模型如圖3所示，這里采用分段信號源以及力傳感器來模擬現(xiàn)場實際工況。

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，沖擊比較大，從圖4(b)中的局部放大圖中可以看出，最大沖擊達到22.5 MPa。由于液壓缸的行程與料耙的運動行程是一致的，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)運動到了其最大行程，其死腔內(nèi)必然會瞬間產(chǎn)生高壓，這也是為什么沖擊達到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)了一個急降，從最大沖擊降到了3.5 MPa左右，這個壓力并不足以推動帶載條件下的料耙，而且在第8 s屬于換向階段，在換向瞬間，料耙會出現(xiàn)短暫的停頓，所以這個時候相當(dāng)于處于空載條件下，空載條件下拖動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不及補充，所以在換向瞬間出現(xiàn)壓力急降也是比較符合事實的。

(3)在圖4(a)中，在第4～4.5 s之間，系統(tǒng)壓力與B腔壓力緩慢的開始下降，然后在較小的壓力范圍內(nèi)波動，波動范圍大約為14～15 MPa，這是由于在第4 s系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊開始換向之后，液壓缸死腔的壓力得到釋放，而且在料耙開始耙料的過程當(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，而且波動隨著時間的加長越來越小。

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

圖4 曲線仿真

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題都得到明顯改善，說明設(shè)計的液壓系統(tǒng)工作性能良好。

(2)改造后的設(shè)備在滿足各種工況條件下，可以通過調(diào)節(jié)恒壓變量泵的流量和系統(tǒng)的壓力來提高輸出功率，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，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動以及頻繁換向等;也易于實現(xiàn)自動化以及過載保護，防止系統(tǒng)因過載而發(fā)生損壞，采用電液聯(lián)合控制以及計算機控制之后能夠方便地實現(xiàn)高精度的遠程自動控制。

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

(5)AMESim軟件很好地應(yīng)用于混勻取料機的液壓系統(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。

【1】王沛慶，陳尚倫，徐林偉．原料場混勻系統(tǒng)物流仿真研究［J］．鋼鐵技術(shù)，2012(2):33 －35．

【2】于明珠．鞍鋼煉鐵總廠新三燒QLH900-34型雙斗輪混勻取料機與QLG1000．34滾筒混勻取料機設(shè)計思想比較［C］．2007年中國鋼鐵年會，2007．

【3】周金生．雙斗輪雙向混勻取料機改造［J］．山東冶金，2010，32(4):81 －82．

【4】張望興．武鋼港口戰(zhàn)略發(fā)展展望［J］．中國港口，2012(5):29－30．

【5】Anon．Special Products for Stacking，Blending and Reclaiming［J］．Bulk Solids Handling，2010，30(5):269 － 539．

【6】陳德明，劉全喜，湛從昌，等．混勻取料機液壓系統(tǒng)改造與完善［J］．液壓與氣動，2012(8):126－128．

【7】沈雄偉，鄧江洪，紀海燕，等．混勻取料機料耙傳動機構(gòu)的液壓改造［J］．液壓與氣動，2012(3):114－116．

【8】王春行．液壓控制系統(tǒng)［M］．2版．北京:機械工業(yè)出版社，2008:40－52．

【9】IMAGINE．AMESim Rev10 user manual［M］．2010．