杜武男

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

環(huán)冷機(jī)作為冶金鐵前燒結(jié)生產(chǎn)工藝的重要設(shè)備之一，用于冷卻經(jīng)燒結(jié)機(jī)焙燒后再經(jīng)單齒輥破碎機(jī)破碎的熱燒結(jié)礦。中冶北方研發(fā)的多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)以其高效冷卻、節(jié)能、余熱高效回收、清潔環(huán)保等綜合優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐步取代原有傳統(tǒng)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)，被廣泛應(yīng)用于新建及改建的冶金工程當(dāng)中，目前該產(chǎn)品已升級(jí)至第六代。隨著對(duì)各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋的使用情況的整理和分析，以及對(duì)新研發(fā)手段的開發(fā)和利用，對(duì)環(huán)冷機(jī)設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化也擁有了更好的條件。本文結(jié)合某工程中280 m2環(huán)冷機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化。

1 多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)

通過對(duì)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低設(shè)備的制造成本，減少設(shè)備、土建投資費(fèi)用，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)使用體驗(yàn)，提高設(shè)備智能化水平，增強(qiáng)企業(yè)在燒結(jié)項(xiàng)目上的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

主要針對(duì)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)中重量占比較大的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其中，回轉(zhuǎn)體部分約占環(huán)冷機(jī)總重量的40%，機(jī)架部分約占環(huán)冷機(jī)總重量的20%。因此，優(yōu)先考慮對(duì)上述兩大部件進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 回轉(zhuǎn)體

回轉(zhuǎn)體主要由回轉(zhuǎn)框架、臺(tái)車、輥臂、欄板等部分組成。在滿足使用要求的前提下，減少回轉(zhuǎn)體重量，可以減輕支撐輥處所受壓力，從而減小阻力矩和傳動(dòng)電機(jī)的工作電流，改善環(huán)冷機(jī)整體的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.1 回轉(zhuǎn)框架

單臺(tái)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)設(shè)備中，回轉(zhuǎn)框架共16個(gè)，所受總阻力矩約為3 800 kN·m，平均分布于每個(gè)回轉(zhuǎn)框架。分別將內(nèi)環(huán)上板、下板、立板和外環(huán)下板、立板的厚度減小2 mm，將外環(huán)上板的厚度減小4 mm，通過有限元分析得到應(yīng)力和變形情況見圖1、圖2。其中，最大應(yīng)力約為0.5 MPa，最大變形約為1.4 mm，均在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可以滿足使用需求。

圖1 回轉(zhuǎn)框架應(yīng)力分析

圖2 回轉(zhuǎn)框架變形分析

2.1.2 臺(tái)車

每個(gè)回轉(zhuǎn)框架中有4個(gè)臺(tái)車，共64個(gè)，每個(gè)臺(tái)車承受料重約為13.2 t。將臺(tái)車面板厚度減小4 mm，將與軸承座相連的兩塊長(zhǎng)板和前后筋板的厚度各減小5 mm，通過有限元分析得到應(yīng)力和變形情況見圖3、圖4。其中，最大應(yīng)力約為50 MPa，最大變形約為3.3 mm，均在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可滿足使用需求。

圖3 臺(tái)車應(yīng)力分析

圖4 臺(tái)車變形分析

2.2 機(jī)架

環(huán)冷機(jī)機(jī)架是由不同規(guī)格的軋制H型鋼通過各種接點(diǎn)連接形成的環(huán)形框架結(jié)構(gòu)，工程設(shè)計(jì)中對(duì)其截面規(guī)格的確定一般采用類比及估算的方法。通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，以往的機(jī)架梁、柱和斜撐截面選取偏大，為此，結(jié)合280 m2環(huán)冷機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2.2.1 確定機(jī)架所受載荷

機(jī)架的計(jì)算載荷考慮+4.1 m標(biāo)高以上的主要載荷，包括回轉(zhuǎn)體重量(含欄板)、回轉(zhuǎn)耐材重量、物料重量、上密封水重量、支承輥及底座重量等?；剞D(zhuǎn)體的剛度很高，可以在一定程度上減小中間梁支承輥處的變形，本次分析中，僅將載荷設(shè)定為作用于梁上的集中作用力。

載荷的作用點(diǎn)如圖5所示(僅以單個(gè)跨距為例)。

載荷的大小為：

外梁：P1=P3=P5=165 kN(支撐輥處)；

內(nèi)梁：P2=P4=P6=165 kN(支撐輥處)；

載荷方向均為垂直紙面向里。

圖5 單個(gè)跨距框架載荷作用點(diǎn)

2.2.2 強(qiáng)度及剛度分析

1)不同截面的各項(xiàng)特性(見表1)。

表1 截面類型及特性

2)力學(xué)模型及分析

a) 單個(gè)跨距框架(H390×300柱+H390×300梁+φ168×6鋼管斜撐)。應(yīng)力及變形情況見圖6、圖7。

圖6 單個(gè)跨距框架應(yīng)力分析

圖7 單個(gè)跨距框架變形分析

對(duì)于單個(gè)跨距框架的分析數(shù)據(jù)，見表2。

表2 單個(gè)跨距框架分析數(shù)據(jù)

b)環(huán)形框架。環(huán)形框架的力學(xué)分析模型中，各框架圓心角與環(huán)冷機(jī)實(shí)際相符，各個(gè)梁、柱均為H390×300×10×16，+4.1 m以下斜撐均為φ168×6鋼管。對(duì)于給料、卸料區(qū)域的框架，由于其受力情況比較復(fù)雜，并且現(xiàn)有同規(guī)格環(huán)冷機(jī)的使用情況較為理想，因此暫不對(duì)該部分框架實(shí)施優(yōu)化。應(yīng)力及變形情況見圖8、圖9。

圖8 環(huán)形框架變形分析

圖9 環(huán)形框架應(yīng)力分析

對(duì)于環(huán)形框架的分析數(shù)據(jù)，見表3。

表3 環(huán)形框架分析數(shù)據(jù)

由表3可見，對(duì)于環(huán)形框架，其最大位移、支承輥處最大位移、最大應(yīng)力和斜撐處最大應(yīng)力均略小于單個(gè)跨距框架。

2.2.3 機(jī)架優(yōu)化效果

1)橫梁和立柱采用H390×300替代原有H488×300，剛度和強(qiáng)度均滿足使用要求，較之前設(shè)計(jì)可節(jié)省鋼材重量約16%。

2)φ168×6鋼管斜撐在滿足壓桿穩(wěn)定，剛度、強(qiáng)度滿足使用要求的情況下，較之前槽鋼斜撐可節(jié)省鋼材重量約66%。

3)環(huán)形框架由于框架間互相約束，整體強(qiáng)度、剛度均略好于單個(gè)框架。

4)機(jī)架在截面優(yōu)化組合后的減重效果見表4。

表4 機(jī)架減重效果

2.3 環(huán)冷機(jī)優(yōu)化效果

由表5可見，通過優(yōu)化回轉(zhuǎn)框架、臺(tái)車體相應(yīng)部位的鋼板厚度，減小機(jī)架橫梁和立柱部位H型鋼規(guī)格，以及在機(jī)架斜撐部位采用φ168×6鋼管替換原有][250×82槽鋼，可以保證環(huán)冷機(jī)的使用要求，同時(shí)相較于原設(shè)計(jì)共可減重約50 t。

表5 環(huán)冷機(jī)優(yōu)化效果

3 多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)智能化

通過設(shè)置環(huán)冷機(jī)驅(qū)動(dòng)打滑監(jiān)測(cè)、減速機(jī)故障監(jiān)測(cè)、安全裝置、上密封水位監(jiān)測(cè)、上罩溫度監(jiān)測(cè)等多個(gè)智能監(jiān)測(cè)單元，以及全景監(jiān)控系統(tǒng)和智能潤(rùn)滑系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，保護(hù)設(shè)備平穩(wěn)、良好運(yùn)行，并能在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)做出響應(yīng)，提升設(shè)備的數(shù)字化、智能化水平。

3.1 驅(qū)動(dòng)打滑監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)冷機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)摩擦輪出現(xiàn)打滑時(shí)，可及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警并停機(jī)保護(hù)設(shè)備本體。

3.2 減速機(jī)故障智能監(jiān)測(cè)

驅(qū)動(dòng)裝置使用行星齒輪減速機(jī)，配備智能監(jiān)測(cè)單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)減速機(jī)震動(dòng)和軸承溫度并在主控室顯示，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)可及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

3.3 安全裝置

安全裝置位于環(huán)冷機(jī)卸料處，當(dāng)監(jiān)測(cè)到臺(tái)車翻轉(zhuǎn)不靈活時(shí)，可輔助臺(tái)車進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到臺(tái)車完全卡死時(shí)，觸發(fā)感應(yīng)開關(guān)，及時(shí)報(bào)警并停機(jī)。

3.4 上密封水位監(jiān)測(cè)

可根據(jù)設(shè)定的水位和監(jiān)測(cè)到的水位情況，對(duì)上密封水槽自動(dòng)進(jìn)行給水和補(bǔ)水。

3.5 上罩溫度監(jiān)測(cè)

通過對(duì)上罩內(nèi)各個(gè)冷卻段溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)比，全面、實(shí)時(shí)地掌握環(huán)冷機(jī)所有區(qū)域內(nèi)的燒結(jié)礦冷卻情況，并可根據(jù)溫度變化情況，預(yù)先做出判斷和給出操作指令。

3.6 全景監(jiān)控系統(tǒng)

通過對(duì)環(huán)冷機(jī)內(nèi)外圈、臺(tái)車翻轉(zhuǎn)位置及卸料處實(shí)施全景視頻監(jiān)控，多視角、實(shí)時(shí)地掌握環(huán)冷機(jī)運(yùn)行狀況并可對(duì)潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于硬盤，方便隨時(shí)查閱和分析。

3.7 智能潤(rùn)滑系統(tǒng)

環(huán)冷機(jī)在運(yùn)行過程中有眾多需要潤(rùn)滑的點(diǎn)，其主要分布于支撐輥、側(cè)擋輥、傳動(dòng)裝置、復(fù)位輥以及板式給礦機(jī)等處。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的應(yīng)用，可根據(jù)對(duì)應(yīng)裝置的運(yùn)行情況，定時(shí)、定量地進(jìn)行干油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑點(diǎn)壓力、給油量、潤(rùn)滑周期可任意調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警，運(yùn)行狀態(tài)在主控室實(shí)時(shí)顯示，有效地保護(hù)設(shè)備平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能化方案，同樣適用于其它規(guī)格的多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)。在燒結(jié)工程以及環(huán)冷機(jī)新建和改造項(xiàng)目中，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及智能化設(shè)計(jì)，可降低設(shè)備整體重量，從而降低環(huán)冷機(jī)制造成本，提高項(xiàng)目利潤(rùn)率，全面提升設(shè)備的數(shù)字化、智能化水平，為智能燒結(jié)生產(chǎn)提供技術(shù)支持，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品和企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。