電弧爐自動加料車的設計與試驗

2015-10-11 06:39:00于威威韓致信

機械制造 2015年7期

關鍵詞：皮帶機振動

□ 胡博 □ 鄭飛 □ 于威威 □ 韓致信

蘭州理工大學機電工程學院蘭州 730050

電弧爐自動加料車的設計與試驗

□ 胡博 □ 鄭飛 □ 于威威 □ 韓致信

蘭州理工大學機電工程學院蘭州 730050

設計了一套電弧爐冶煉加料設備，介紹了整機的基本結構、工作原理和性能參數，并試制了樣機。對整機進行了高溫加料性能試驗，結果表明，整機滿足設計要求，具有工作效率高和操作方便的優點。

電弧爐自動加料防傾覆 PLC

鐵合金是煉鋼行業中不可缺少的原料，主要包括硅錳、錳鐵和硅鐵，其中硅鐵是將焦炭、鋼屑、石英三種原料加入電弧爐冶煉制成的硅鐵合金［1］。在冶煉過程中，原料投入爐膛的方法有兩種，其一是工人將混合好的原料用鐵鍬拋入爐膛內電極周圍；其二是原料通過輸送管道送到電極周圍。這兩種加料方式存在效率較低和作業人員勞動強度大的問題［2］。此外，由于這兩種加料方式都不能使原料進行充分的混合，還存在蘭炭浪費的情況。針對上述問題，筆者研發了一種可行走加料車，整機操作方便，單臺設備三人操作就能夠滿足整個電弧爐的加料，降低了操作人員的勞動強度，提高了原料的利用率，更適用于鐵合金行業電弧爐的冶煉，實現了6.3 kVA電弧爐自動加料。筆者將從整機結構布局及工作原理、加料車參數確定、關鍵部件設計、控制電路設計、試驗論證幾個方面闡述。

1 電弧爐加料車的結構布局及工作原理

1.1 結構布局

電弧爐加料車結構示意如圖1所示，整機的質量中心處于設備兩輪胎觸地中心位置，皮帶輸料機（簡稱皮帶機）伸縮機構安裝在支撐桁架兩內側，控制皮帶機在加料過程中的伸縮，實現了加料車處在電弧爐不同位置時加料落點與電極距離的調整，提高了加料的準確性。塔式回轉機構安裝在上轉臺，其下端的齒輪機構使安裝在下轉臺上的皮帶機能相對于底盤旋轉，且以回轉機構中心為原點旋轉加料；冷卻系統安裝在支撐桁架前部，保護關鍵設備免受高溫炙烤。

1.2 工作原理

▲圖1 加料車結構示意圖

加料作業前，根據加料車承載的加料厚度，調整振動給料機上的偏心塊位置。加料車工作時，行走驅動電動機驅動行走裝置，使加料車行走。塔式回轉機構的電動機通過齒輪帶動安裝在上轉臺上的回轉支撐外圈轉動，回轉支撐外圈與安裝在下轉臺上的回轉支撐內圈作相對轉動，實現皮帶機旋轉加料。伸縮機構電動機將動力傳遞給伸縮裝置，實現皮帶機作相對于桁架的移動。水冷和風冷系統負責設備的冷卻。

2 加料車參數確定

電弧爐煙罩結構如圖2所示，1、2、3、4號位置距圓心的距離分別是3 400 mm、2 925 mm、2 450 mm、1 975 mm。加料時，當皮帶機輸料口末端處在1號位置時，以加料車回轉機構幾何中心O點為圓心旋轉加料，皮帶機在大爐門內旋轉的角度為±13°；皮帶機輸料口末端處在2號位置時，旋轉角度為±15°；皮帶機輸料口末端處在3號位置時，旋轉角度為±17°；在4號位置時啟動皮帶機伸縮機構，實現極心圓加料。以此為例，分別完成在其它兩個大爐門位置的加料。加料車的技術參數根據電弧爐直徑確定，表1為1.8 kVA電弧爐加料車技術參數。

表1 加料車技術參數

3 關鍵部件的設計

由于加料車在加料過程中料倉內的原料和冷卻水呈動態變化，以及皮帶機伸縮機構在桁架上的移動，都會造成加料機質量中心的變化，易造成設備傾覆。合理的軸距設計能使整機在不同工況下均能安全作業，不致因整機質心偏移而造成傾覆。

3.1 驅動功率計算

圖3為加料車作業時的受力簡圖，對其進行受力

▲圖2 1.8 kVA電弧爐煙罩結構圖

▲圖3 加料機作業時受力簡圖

分析。圖中Tt為驅動輪上的轉矩，G為整機的重力，F0為地面對驅動輪的作用力，Ft為地面對驅動輪的摩擦力。

驅動功率計算：

式中：G為整機重力，裝滿原料時整機重力為33 560 N；濁T為傳動效率，取 0.92；f為滾動阻力因數，取0.018；CD為空氣阻力因數，該機組的速度較低，取0.35；A為迎風面積，根據測量得2.26 m2；vmax為整機行走最高速度，取10 km/h。

將相關的數據代入式（1），得：

根據實際工作效率，將驅動功率增大5%后取整，得到實際所需電動機功率為5.5 kW。

▲圖4 加料車各部件受力簡圖

3.2 整機的穩定性計算

在加料過程中，料倉內原料的變化使加料車的質心位置動態變化，致使整機加料過程中可能出現設備傾覆，需要進行動態平衡計算［3］，圖4所示為加料車各部件受力簡圖，由于所有作用力為質量力，表中工況用“質量矩”替代力矩較為簡單，表2為設備自重及對底盤中心的水平距離。

表2 各部件的質量及對底盤中心的水平距離

3.2.1 對支撐點右側求質量矩和重力

將由式（2）、式（3）計算的結果代入式（4）可得：

右偏心距e1=0.85 m

3.2.2 對支撐點左側求質量矩和重力

將由式（5）、式（6）計算的結果代入式（7）可得：

左偏心距e2=0.76 m

根據前后軸距對回轉中心最小距離及設備整機工況的可操作性，確定前后軸距為2 200 mm。

4 控制電路設計

電控部分的硬件組成框圖如圖5所示，選用西門子S7-300PLC作為主控制器。

▲圖5 電控部分的硬件組圖

4.1 人機交互界面

加料車控制系統采用西門子TP170A觸摸屏與S7-300PLC，通過RS485接口進行數據傳輸［4］。通過人機交互界面，一方面可以對操作參數進行調整，從而改變加料進程，包括驅動電動機行走速度、風機的風量和加料的厚度等；另一方面觸摸屏可以實時顯示系統的運動參數，如水溫、加料時間、風壓等。

4.2 驅動部分

驅動部分的行走電動機、振動給料機和風機的電動機由變頻器進行控制，可以實時改變加料車行走的速度、振動給料機振動頻率和風機風量，而回轉電動機和伸縮電動機的驅動，直接由PLC控制。

4.3 信號的輸入、輸出部分

此部分的功能包括開關信號的輸入與輸出，以及距離傳感器、溫度傳感器和用于遙控操作的I/O信號的采集。

5 試驗和驗證

為了準確測定加料車的操作性能，采用常溫和高溫爐膛環境兩種方式試驗。

5.1 室外常溫試驗

加料時振動給料機通過皮帶機將原料輸送到爐膛內，在振動給料機偏心塊的合理調整下，通過調整振動電動機的電源頻率來控制輸送量［5］，加料車每分鐘的加料量Q為：

式中:h為物料厚度，m；v為物料的平均輸送速度，m/ s；B為振動給料機寬度，m；籽為原料密度，1 250 kg/m3。

原料輸送速度與振動電動機電源頻率為一線性關系：

式中:f為振動電動機的電源頻率，Hz；k為擬合成曲線的斜率；b為擬合成曲線的截距。

將式（9）代入式（10），取加料機參數：B=0.35 m，h=0.1 m，則振動電動機電源頻率和輸送量的關系:

表3 不同頻率振動下的給料機輸送量

5.2 不同頻率下輸送量的測定

在振動給料機下端放置托盤用于接收原料，通過稱量托盤中原料的質量，即可獲得振動電動機不同電源頻率下的輸送量。試驗時料倉內原料不少于料倉容積的2/3，設定振動給料機的進出口距離為850 mm，分別對振動給料機在測定的頻率下重復試驗3次，每次試驗10 s，試驗后對托盤中的原料進行稱重，測試數據統計見表3。

經曲線擬合得出輸出量與給料機頻率的標定擬合直線，如圖6所示。將表中的數據計算三次取平均值，得到輸送量與振動電動機頻率的關系式：