電力施工棄土制塊裝置設(shè)計(jì)

趙偉東，劉 通，譚國(guó)華，莊 毅，謝林興

（廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510160）

本文主要是針對(duì)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)施工棄土制塊裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、模型建立、產(chǎn)品研制等。裝置主要用于鐵塔基礎(chǔ)施工棄土的環(huán)保處理，使之回收利用達(dá)到防止水土流失、保護(hù)環(huán)境的目的[1]。本裝置主要是針對(duì)輸電線塔基施工棄土的環(huán)保處理，將其壓制成規(guī)則土塊，具有一定強(qiáng)度[2]。采用已有的理論基礎(chǔ)和適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)布置，達(dá)到特定的使用功能及用途，使之能夠生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品。

1 可拆裝易轉(zhuǎn)運(yùn)制塊裝置整體介紹

裝置主要由攪拌機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)三部分組成。其中攪拌機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)由同一臺(tái)液壓站控制，柴油機(jī)為其提供動(dòng)力。PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)由一臺(tái)獨(dú)立的液壓站控制，柴油機(jī)為其提供動(dòng)力，見圖1。

圖1 可拆裝易運(yùn)轉(zhuǎn)制塊裝置

1.1 攪拌機(jī)構(gòu)的組成

攪拌機(jī)構(gòu)主要由攪拌桶、攪拌軸、攪拌桶支座、篩網(wǎng)及液壓馬達(dá)五部分組成。原料攪拌時(shí)會(huì)摻入一定比例的水和膠黏劑，為防止銹蝕，攪拌桶的材料選用不銹鋼。篩網(wǎng)能夠?qū)⒉环狭＜?jí)要求的原料排除，保證了成品的合格率，也起到保護(hù)設(shè)備的作用。選用低速大扭矩液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，運(yùn)行可靠。在保證安全和強(qiáng)度的前提下，機(jī)構(gòu)整體重量不超過70kg，保證了在野外作業(yè)時(shí)方便人力搬運(yùn)，見圖2。

圖2 攪拌機(jī)構(gòu)

1.2 輸送機(jī)構(gòu)的組成

輸送機(jī)構(gòu)為典型的螺旋輸送機(jī)，傾斜角為45°，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、易拆裝搬運(yùn)、操作方便、維修容易等特點(diǎn)；主要由物料筒、螺旋軸、進(jìn)料口、出料口、液壓馬達(dá)五部分組成。為了減輕整機(jī)重量，并且保證安全和強(qiáng)度，物料筒采用薄壁不銹鋼。整機(jī)組裝完成后質(zhì)量不超過70kg，保證了在野外作業(yè)時(shí)方便人力搬用（見圖3）。

圖3 輸送機(jī)構(gòu)

1.3 PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)的組成

PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)主要由定量料斗、物料盒、壓坯油缸、頂升出料油缸、模架、坯模具、成品臺(tái)及下支架八部分組成，拆裝簡(jiǎn)便、定位可靠，且拆分后的各部分重量都不大于70kg，保證野外人力搬運(yùn)方便。控制系統(tǒng)電源由柴油機(jī)發(fā)電機(jī)提供，保證控制系統(tǒng)在野外穩(wěn)定供電。其中，定量料斗由一步進(jìn)電機(jī)控制，由步進(jìn)電機(jī)的角位移控制物料落料量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量布料。物料盒將物料準(zhǔn)確地添入模具，同時(shí)將壓制完成后的成品推送到成品臺(tái)。物料盒由絲杠驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)提供動(dòng)力。

PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)的工作過程為：定量料斗精準(zhǔn)布料→送料盒送料入模具→壓制油缸壓制成形→頂升油缸頂出成品→送料盒將成品推到成品臺(tái)，此五個(gè)步驟為一個(gè)工作周期，成品臺(tái)下安裝有傳感器，在工人將成品搬離成品臺(tái)后自動(dòng)進(jìn)入下一工作周期。全過程由PLC 精準(zhǔn)控制，過程參數(shù)可調(diào)（布料量、壓力、壓制時(shí)間、成品高度、成品時(shí)間），大大提升了設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)效率、減少人力投入，中控臺(tái)集中控制，安全便捷，如圖4 所示。

圖4 PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)

2 設(shè)備原始參數(shù)

通過對(duì)市場(chǎng)同類設(shè)備的分析研究以及對(duì)裝置使用條件等的分析得到裝置原始參數(shù)如表1。

表1 裝置原始參數(shù)

3 計(jì)算分析

3.1 壓制油缸設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1.1 液壓缸性能參數(shù)計(jì)算

液壓缸的輸出力。單桿活塞式液壓缸的推力F1如下：

已知要求最大壓制力為1.9MPa，壓制截面尺寸為300×100（mm）則：

3.1.2 液壓缸主要幾何尺寸計(jì)算（1）液壓缸內(nèi)徑D 的計(jì)算

根據(jù)載荷大小和選定的系統(tǒng)壓力計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D。

式中：D-液壓缸內(nèi)徑（m）；F1-液壓缸推力（kN）；P-選定的系統(tǒng)工作壓力（MPa）25MPa。

（2）活塞桿直徑d 的計(jì)算

根據(jù)強(qiáng)度要求計(jì)算活塞桿直徑d。當(dāng)活塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下，僅承受軸向載荷時(shí)，活塞桿直徑按簡(jiǎn)單拉壓強(qiáng)度計(jì)算，此時(shí)：

式中：[σ]-活塞桿材料的許用應(yīng)力（MPa），當(dāng)活塞桿為碳鋼時(shí)[σ]=100～120MPa。

（3）液壓缸行程確定

液壓缸行程根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求而定，但為了簡(jiǎn)化工藝和降低成本，應(yīng)選取表23.6-33～35 中給出的標(biāo)準(zhǔn)系列值[3]。

3.1.3 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

（1）缸壁厚度的計(jì)算

式中：d0-液壓缸油口直徑（m）；D-液壓缸內(nèi)徑（m）；v-液壓缸最大輸出速度（m/min）6.58m/min；v0-油口流速（m/s）取5m/s。

3.2 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 輸送機(jī)構(gòu)輸送量確定

根據(jù)裝置原始參數(shù)成品尺寸和效率可以得到1h 的沙土用量為：

Q1=Vρ/t=3×1.5×1.65×1.65/20=0.613kg/s=2.2t/h。

考慮輸送機(jī)構(gòu)輸送量大于系統(tǒng)沙土用量，選取裕量為1.6 則：

輸送機(jī)構(gòu)輸送量Q=1.6，Q1=3.5t/h。

式中：V-壓制成品所需的沙土體積（L）；ρ-沙土密度（kg/dm3）；t-壓制一塊成品所需時(shí)間（s）；Q1-輸送量（t/h）。

3.2.2 輸送機(jī)構(gòu)輸送能力Q 驗(yàn)算

Q=47D2ntφρC=47×0.152×100×0.12×0.25×1.65×0.67=3.5t/h。

與計(jì)算出的系統(tǒng)所需輸送量相等。

3.2.3 輸送機(jī)構(gòu)所需功率計(jì)算

根據(jù)糧食部門在使用中的實(shí)際測(cè)量，實(shí)際軸功率比理論計(jì)算功率大3～4 倍，所以P=4×0.096=0.39kW。

式中：P0-螺旋軸功率（kW）；P-輸入功率（kW）；L-輸送筒長(zhǎng)度（m）；H-輸送筒傾斜放置時(shí)與地面垂直高度（m）；K-功率備用系數(shù)，取1；η-總機(jī)械效率，取0.9。

3.3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 模架工作情況介紹

模架是由型材焊接組裝形成的框架結(jié)構(gòu)，模架底部安裝有成型模具，上部安裝有壓制油缸，下部裝有頂升油缸。工作過程為，在模具中裝入原料后由模架上方的壓制油缸壓制成型，再由下方的頂升油缸將成品推出。模架、模具、頂升油缸等組成形成部件，為了轉(zhuǎn)運(yùn)方便，單個(gè)部件重量不得大于70kg。為了盡可能降低部件重量，模架焊接型材選擇低合金鋼作為主要材料，低合金鋼與普通碳鋼相比具有更高的強(qiáng)度，在受到相同工作壓力時(shí)型材壁厚度更薄，重量較輕。模架工作示意圖如圖5 所示。

圖5 模架工作示意圖

3.3.2 模架受力分析

通過模架工作示意圖可以看出，只有在油缸工作時(shí)模架才會(huì)受力。頂升油缸初步設(shè)計(jì)壓力為20000N，而壓制油缸的設(shè)計(jì)壓力為60000N，顯然在壓制油缸工作時(shí)模架受力最大，我們只需要對(duì)在壓制油缸工作時(shí)的模架進(jìn)行受力分析即可得出模架強(qiáng)度是否達(dá)到要求，以及模架是否能夠穩(wěn)定工作，不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的其他影響[4]。模架受力簡(jiǎn)圖如圖6 所示。

圖6 模架受力圖

3.3.3 建模仿真

根據(jù)已知結(jié)構(gòu)參數(shù)建立模型，對(duì)模架強(qiáng)度、剛性、安全系數(shù)等進(jìn)行校核。校核結(jié)果分別如圖7 所示。

圖7 校核結(jié)果

通過以上分析可以看出在系統(tǒng)要求的最大力情況下，模架的強(qiáng)度、剛性都滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并且最薄弱環(huán)節(jié)的最小安全系數(shù)為2.4，完全滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

初步設(shè)置攪拌機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)為半自動(dòng)控制，由人通過啟停按鈕控制兩機(jī)構(gòu)的工作與停止。對(duì)于PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)則采取手動(dòng)和自動(dòng)兩套控制方式，在連續(xù)工作時(shí)完全為自動(dòng)控制進(jìn)行，設(shè)有人機(jī)交互界面，方便針對(duì)不同情況進(jìn)行參數(shù)修改。

4.2 PLC 控制壓坯機(jī)構(gòu)控制流程

自動(dòng)控制過程為，通過自動(dòng)控制開始，自檢各控制點(diǎn)信號(hào)正常，開始落料送料，進(jìn)行壓制產(chǎn)出成品完成一個(gè)循環(huán)。

5 制造調(diào)試

根據(jù)已有設(shè)計(jì)計(jì)算建立仿真模型，模擬仿真后將模型轉(zhuǎn)化為加工工程圖，然后進(jìn)行制造、組裝、調(diào)試。調(diào)試完成后進(jìn)行真實(shí)工作環(huán)境模擬，模擬過程裝置運(yùn)行平穩(wěn)，模擬結(jié)束時(shí)得到的成品外觀、規(guī)格、質(zhì)量基本符合要求，模擬效果較好。現(xiàn)場(chǎng)模擬展示如圖8、圖9 所示。

圖8 裝置整體展示

圖9 成品展示

6 結(jié)論

通過大量查找資料、市場(chǎng)同類裝置調(diào)研、設(shè)計(jì)計(jì)算、建模仿真、生產(chǎn)模擬后可以得出以下結(jié)論：

（1）制造一種針對(duì)電力施工棄土壓塊的回收裝置是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

（2）壓塊裝置能夠做到可拆分、易轉(zhuǎn)運(yùn)，并且可以保證拆分后的部件重量不大于70kg。

（3）實(shí)際生產(chǎn)模擬后產(chǎn)生的成品在外觀、規(guī)格、質(zhì)量等方面都符合要求。

（4）壓制成品的原料以沙土為主，無任何對(duì)人體以及環(huán)境有害的成分[5]。棄土壓制成塊可以防止水土流失，對(duì)環(huán)境保護(hù)有積極意義[6]。