橋式混勻取料機液壓系統的改造

涂福泉，胡良智，毛陽，劉小雙，曾慶斌，李賀

(武漢科技大學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備之一，廣泛應用于冶金、電力、建材等行業，其混勻效果的好壞直接影響著資源的合理利用［1］。目前，國內應用的橋式滾筒混勻取料機的傳動部分屬于機械式［2－3］，該機械式傳動系統屬于典型的平面運動機構－曲柄連桿機構。雖然該運動機構原理簡單易行，滿足工作需要，但是在實際生產中機械傳動系統相關零部件所出現的問題遠高于整個系統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。

隨著工廠生產力的不斷提高，對混勻礦料的質量要求也越來越高［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無法滿足當前需要，鑒于現有設備所存在和出現的問題以及生產需要，下面以某公司的QLG1500·40A型橋式滾筒混勻取料機的傳動系統為研究對象，分析了該機構機械式傳動系統的工作原理，設計了液壓系統的原理圖。然后，利用AMESim軟件對該系統進行仿真分析，對其機械傳動系統改造成液壓系統的可行性進行驗證。

1 混勻取料機機械式傳動系統原理及存在的問題

1.1 機械式系統工作原理

橋式滾筒混勻取料機機械式傳動系統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沿主梁的長度方向來回做直線的往復運動，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。

1.2 機械式傳動系統主要存在的問題

(1)減速器高速軸斷裂;

(2)系統沖擊振動較大;

(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公司的混勻取料機構已經無法滿足于當前的需要，鑒于現有設備所存在和出現的問題以及生產的需要，現考慮將現有的機械傳動系統改造成液壓系統。

2 混勻取料機構傳動機構液壓系統設計

2.1 混勻取料機負載分析

由現有的資料可知，原設備機械式傳動系統的主要性能參數如下:

(1)機構往復行程 1 700 mm

(2)往復移動次數 7.5次/min

(3)驅動電動機型號 Y280S-4W

(4)驅動電動機功率 75 kW

(5)驅動電動機轉速 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，曲柄旋轉一周，而料耙的往返次數為7.5次/min，也就是說，曲柄的轉速為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節中已經討論過機械式傳動系統的基本原理為曲柄連桿機構，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，鋼質車輪與鋼軌之間的滾動摩擦因數為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構尺寸［6－7］

根據現場工況，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。

根據設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，液壓缸尺寸應滿足:

由液壓缸機械效率ηm=0.9，則:

由于設計之初準備選用韶關液壓件廠的液壓缸，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與機械式傳動系統的平均速度一致，液壓缸的實際工作所需流量為

2.3 設計液壓系統原理圖［8］

圖2 液壓系統原理圖

2.4 液壓元件的選擇

相關元件選型如表1所示。

表1 主要元件類型

3 混勻取料機液壓傳動系統仿真研究

3.1 模型搭建

根據2.4節所擬定的液壓系統原理圖在AMESim中進行模型搭建［9］。為了便于模型仿真與分析，對系統中有關元件做了部分簡化，比如系統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，但是對于系統的功能不受影響;系統中的換向閥為帶有雙路單向節流閥的電液換向閥，這里省略了雙路單向節流閥，所以不能調節電液換向閥主閥芯的切換時間，但是對于系統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場實際工況。

圖3 AMESim系統模型

3.2 仿真結果分析

(1)從圖4(a)、4(b)和圖4(c)中可以看出，系統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，在參數設置中已經設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，液壓缸已經運動到了其最大行程，其死腔內必然會瞬間產生高壓，這也是為什么沖擊達到22.5 MPa的原因之一。而由于沖擊的產生，料耙的速度和加速度在換向的瞬間也會產生一定的脈沖，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，系統壓力與A腔壓力出現了一個急降，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，料耙會出現短暫的停頓，所以這個時候相當于處于空載條件下，空載條件下拖動料耙的液壓缸兩腔平均壓力為3 MPa左右，液壓缸在走到規定行程后由于死腔容積變小導致油液被壓縮，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波動，波動范圍大約為14～15 MPa，這是由于在第4 s系統產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中，料堆的阻力有利于維持系統的壓力平穩，所以在第4.5～8 s之間料耙出現了一定范圍內的波動，而且波動隨著時間的加長越來越小。

仿真結果證明了系統改造合理性，為實際改造提供了理論基礎。該方案正應用于實際生產線中，目前運行效果良好。

圖4 曲線仿真

4 結論

(1)改造后的設備所出現的諸如沖擊較大等問題都得到明顯改善，說明設計的液壓系統工作性能良好。

(2)改造后的設備在滿足各種工況條件下，可以通過調節恒壓變量泵的流量和系統的壓力來提高輸出功率，從而提高了系統的工作性能。

(3)改造后的設備具有體積較小、結構較為緊湊、質量輕以及反應快的特點，可以實現系統的快速啟動以及頻繁換向等;也易于實現自動化以及過載保護，防止系統因過載而發生損壞，采用電液聯合控制以及計算機控制之后能夠方便地實現高精度的遠程自動控制。

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

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

【1】王沛慶，陳尚倫，徐林偉．原料場混勻系統物流仿真研究［J］．鋼鐵技術，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．武鋼港口戰略發展展望［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改造與完善［J］．液壓與氣動，2012(8):126－128．

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

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