（机械设计及理论专业论文）叶轮放焦机液压系统设计及工艺参数的研究.pdf

摘要 放焦机是焦炭生产行业的重要工艺装备，用于焦化厂熄焦和筛焦 工艺之间的放焦过程。放焦机工作在潮湿、高温和多尘的环境中，故 要求其具有较高的自动化程度和可靠性，传统的放焦机一般采焉电力 传动，在工作时，自动化程度不高，人工劳动强度大，放焦不均匀， 工作效率低。同时，电力传动装置在这样恶劣的工作环境中使用可靠 性低，故障频繁，而且制造成本高。因此研究一种新型的自动化程度 高和适应环境强的放焦机具有重要的意义。本文以提高放焦机自动化 程度及可靠性为目的，主要研究内容如下： 1 ) 综述、比较了国内外放焦机的结构与原理，确立以叶轮放焦 机为研究对象，综合考虑各种传动方式的优缺点及叶轮放焦机的工作 环境，提出了采用闭式液压传动的叶轮放焦机传动方案，并设计了其 液压传动系统。 2 ) 对叶轮放焦机的在工作过程中的叶轮受力情况进行了分析。 建立了焦炭堆积模型，对叶轮在一些特定位置的受力进行了计算，最 后将得到的数据进行拟合，得出了叶轮在转动过程中的受力图，为叶 轮放焦机液压系统的选型提供了依据。 3 ) 为了提高叶轮放焦机的生产效率，通过韶神经网络，以拨焦 量为目标函数，叶片数目、叶轮转速和走行速度为设计变量，建立了 叶轮放焦机主要工艺参数的优化模型，分析了主要工艺参数对拨焦量 的影响，得出了拨焦量最大时的工艺参数。 4 ) 在河北邯郸钢铁焦化厂，利用湖南万通电力科工生产的叶轮 放焦机进行了实验研究，实验结果和叶轮受力计算基本吻合，实验达 到了预期的效果，表明了叶轮的受力分析计算是正确的。且通过长期 的实际运行，表明了新型的叶轮放焦机在自动化程度及环境适应性等 方面都能很好地满足使用要求。 关键词叶轮放焦机，闭式液压系统，受力分析，工艺参数，优化 a bs t r a c t c o k ef e e d e ri sai m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ec o k ep r o d u c t i o n i n d u s t r y ，w h i c hi su s e df o rc o k ef e e d i n gb e t w e e nt h ep r o c e s so fc o k e q u e n c h i n ga n dc o k er i d d l i n gi nc o k ep l a n t c o k ef e e d e rw o r k si nh o s t i l e e n v i r o n m e n t s ，w h i c hi sd a m p 、h o ta n dd u s t y s ot h em a c h i n es h o u l dh a v e h i g h l e v e lo fa u t o m a t i o na n dr e l i a b i l i t y t h et r a d i t i o n a lc o k ef e e d e r g e n e r a lu s e se l e c t r i cd r i v e a st r a n s m i s s i o nm o d e ，i th a sl o w l e v e lo f a u t o m a t i o n ，m a n u a ll a b o ri n t e n s i t yi sg r e a t ，t h ef e e d i n gi su n i f o r m ，a n d t h em a c h i n e sw o r ke f f i c i e n c yi sl o w m e a n w h i l e ，t h ee l e c t r i cd r i v e e q u i p m e n td a m a g e se a s i l yi nt h eh a r dw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e m a n u f a c t u r i n gc o s t i s v e r yh i g h s or e s e a r c h i n gan e wh i g h e r - l e v e l a u t o m a t i o na n d s t r o n g e ra d a p t a b i l i t y c o k ef e e d e rh a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f o ri m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e la n dr e l i a b i l i t yo fc o k e f e e d e r ，t h em a i nw o r ka sf o ll o w s ： 1 ) a n a l y z i n gt h eh o m ea n da b r o a dt r a d i t i o n a lc o k ef e e d e r sa n d s t u d y i n gt h ei m p e l l e rc o k ef e e d e r ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec l o s e d h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nm o d eo ft h ei m p e l l e rc o k ef e e d e rb yc o m p a r i n g w i t h a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa l lt r a n s m i s s i o nm o d e sa n dt h e w o r k i n ge n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo ft h en e w - s t y l ei m p e l l e rc o k ef e e d e r - a n d d e s i g n st h eh y d r a u l i cs c h e m a t i cd i a g r a m 2 ) t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r c ec o n d i t i o no ft h ei m p e l l e rw h e nt h e i m p e l l e ri sw o r k i n g a f t e re s t a b l i s h i n gt h em o d e lo ft h ec o k ep i l ea n d c a l c u l a t i n gt h ef o r c eo ft h ei m p e l l e ra ts o m ef i x e dp o s i t i o n s t h ep a p e r f i t st h ed a t aa n dg e t st h ef o r c ed i a g r a mo ft h ei m p e l l e r 3 ) t oa d v a n c et h ew o r ke f f i c i e n c yo ft h ei m p e l l e rc o k ef e e d e ra n d d e s i g nt h ep a r a m e t e r so ft h ei m p e l l e rr e a s o n a b l y t h i sp a p e re s t a b l i s h e s t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h ei m p e l l e rp a r a m e t e r sb yt h eb pn e u r a l n e t w o r k ，w h i c ht a k e st h ec o k ef e e dt ob et h eo b je c t i v ef u n c t i o na n dt h e i m p e l l e rn u m b e r 、i m p e l l e rs p e e da n dw o r k i n gs p e e dt ob et h ed e s i g n v a r i a b l e s w eg e tt h ei m p e l l e rp a r a m e t e r sa tt h em a x i m u mo ft h ec o k e f e e da n da n a l y z et h ei m p e l l e rp a r a m e t e r so nt h ei m p a c to ft h ec o k ef e e d a tl a s t n 4 ，) t h ee x p e r i m e n to ft h ei m p e l l e r sf o r c ea n a l y s i si sm a d ei nh a n d a n i r o na n ds t e e lg r o u pc o ，l t da n ds h o w s t h a tt h er e s u l tt a l l i e dw i t ht h e i m p e l l e r sf o r c ea n a l y s i s t h ef o r c ea n a l y s i sa c h i e v e st h ea n t i c i p a t i v e e f f e c ta n dp r o v e st h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e lo ft h ec o k ep i l e t h e n e w - s t y l ei m p e l l e rc o k ef e e d e rm e e t st h er e q u i r e m e n t sw e l la tt h ea s p e c t s o ft h ea u t o m a t i o na n d a d a p t a b i l i t y k e yw o r d s i m p e l l e rc o k ef e e d e r ，c l o s e dh y d r a u l i cs y s t e m ，f o r c e a n a l y s i s ，t e c h o n o l g yp a r a m a t e r s ，o p t i m i z a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：秘日期： 学位论文版权使用授权书 年且孕日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：驰导师签蝌 日期： 虹月雩日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论弗一早三= 百化 随着国民经济的迅速发展，钢材的需求量迅速增加。根据国家统计资料，2 0 0 5 年全国生产钢材3 7 11 7 0 2 万吨，同比增长2 4 1 ，全国生产粗钢3 4 9 3 6 1 5 万吨， 同比增长2 4 6 ，同比增加6 8 8 7 6 万吨。2 0 0 6 年，全国产钢4 1 8 7 8 万吨，同比 增长1 8 4 8 ，同比增加粗钢产量6 5 3 3 万吨。2 0 0 7 年1 至9 月份，全国共生产粗 钢3 6 2 7 3 2 万吨，同比增长1 7 6 1 。2 0 0 7 年全年我国粗钢总产量预计将达4 8 亿吨，比上年增长1 4 。随着钢铁产量的增加，用于冶炼钢铁的焦炭需求量也在 增加。2 0 0 5 年，全国焦炭生产达到2 3 2 8 1 万吨，比上年同期的1 8 7 1 万吨增长 2 4 4 。2 0 0 6 年，全国总计生产焦炭2 8 0 5 4 万吨，同比增产4 7 7 3 万吨，增长2 0 5 。 2 0 0 7 年1 8 月，全国规模以上焦化生产企业累计生产焦炭2 1 2 9 9 万吨，同比增产 3 5 6 9 万吨，增长2 0 1 2 。对钢铁企业而言，炼焦的主要目的是为了得到满足高 炉冶炼需要的焦炭。焦炭是高炉冶炼不可缺少的重要燃料，它在高炉冶程中起着 还原剂、热源、支撑骨架三大作用，被喻为钢铁厂的“基本粮食”，是各国在世 界原料市场上必争的主要生产原料。为了满足钢铁的生产需求，提高焦炭的生产 效率成为当前的核心问题1 2 j 。 我国是焦炭生产大国，2 0 0 7 年我国焦炭总产量约为3 3 5 5 4 万吨，占全球焦 炭总量的近6 0 ，而且这种态势在2 0 0 8 年继续保持。据不完全统计2 0 0 7 到2 0 0 8 年期间新建的焦炉约有6 0 座，主要集中在山西、兖州和开滦等主要焦炭生产基 地【2 】。随着焦炭需求量的增加，各个焦化厂越来越多地渴望采用自动化程度高的 焦炉机械，来改善炼焦配煤的过程，以达到提高焦炭的生产效率。 焦炭是由煤在隔绝空气的条件下加热制成的【3 】。炼焦配煤是一个复杂的过 程，其工艺流程如图1 1 所示。本文所研究的放焦机是用于熄焦和筛焦之间的焦 炉放焦设备。首先，从焦炉内推出火红焦炭( 温度约为1 0 0 0o c ) ，进行熄焦， 广一一一一一一一 ii 炼焦化学产品 图卜1 焦炭生产工艺流程图 熄焦车将红焦推到熄焦塔下用水喷淋熄火，经熄火后的焦炭由熄焦车卸到焦台 硕士学位论文第一章绪论 上，然后由放焦机将焦台上的焦炭拨落到焦台下面的胶带输送机上，由胶带输送 机送至筛焦楼进行筛分【3 1 ，由此可见，放焦机是焦炭生产行业的重要工艺装备。 国内的一些小的焦化厂焦台放焦仍用人工放焦，工作效率低下，而且劳动强 度大，工作环境恶劣，对工人健康很不利，并且放焦不均匀。为了改善劳动条件， 减小劳动强度，提高生产效率，我们提倡机械式放焦。但由于工作环境恶劣、技 术不够完善，机械式放焦在这样的条件下存在很多缺点和不足。本文从放焦的工 作环境出发，结合液压技术，研发新型的放焦机传动系统，以提高放焦机的生产 效率和使用可靠性。 1 2 放焦机概述 1 2 1 放焦机的研究现状 放焦机在国外的应用历史悠久，比我国早很多，由于研究的时间比较长，开 发设计手段先进，应该说其设备在性能、质量和可靠性上整体优于我国。德国的 奥贝玛机械制造有限公司( a u b e m am a s h i n e f a b r i cg m b h ) 是著名的放焦机制 造商，其技术和业绩在世界上处于领先地位，加之在2 0 0 7 年，被世界著名的矿 山机械制造商瑞典山特维克有限公司收购，所以其在放焦设备领域的影响将会继 续增大。奥贝玛机械制造有限公司生产的叶轮放焦机分布全球，被广泛地应用。 除了奥贝玛机械制造有限公司以外，国外的另一家著名的放焦机制造商是德 国的m e y e r 有限公司，该公司生产的拨杆式放焦机在全世界的应用也非常的 广。 国内的放焦机制造商由于技术落后，生产的放焦机工作效率一般都很低，只 能应用在一些小型的焦化厂，而国内一些大的钢铁焦化厂使用的放焦机很多都是 从国外引进的，如2 0 0 5 年兖矿国际焦化厂从德国奥贝玛机械制造有限公司购入 叶轮放焦机，2 0 0 7 年太原钢铁厂从德国m e y e r 引进了拨杆式放焦机。但从2 0 0 6 年国内主要的放焦机制造商湖南万通电力科工有限公司首次推出全液压叶轮放 焦机以后，国内的放焦机在各大焦化厂的应用越来越广泛。该种叶轮放焦机是湖 南万通电力科工有限公司在引进吸收国外技术的基础上生产制造的，自第一台叶 轮放焦机投入使用以来，获得了可靠性高、生产效率高、不碎焦和全自动化工作 的良好效果，目前己在鞍钢、邯钢、本钢、唐山佳华等众多国内大型焦化企业配 套使用，已成为焦化行业高炉改造、新建大型焦炉的首选辅助设备。它采用闭式 液压传动，自动化程度高于国外的同类型产品，成为了与新型焦炉配套的重要设 备，是传统的往复型放焦机和其它类型放焦设备的升级换代产品。 长沙通发高新技术开发公司是国内另一家主要的叶轮放焦机生产商，其产品 硕士学位论文 第一章绪论 的特点是采用机械传动，虽然结构简单，但可靠性和自动化程度一直制约其产品 的推广。 圈1 - 2 湖南万通电力科工叶轮放焦机 从国内市场近几年的使用情况来看，广大用户已经接受了液压式叶轮放焦机 这种产品，所以对其进一步研宄是必要的，真正做到消化吸收和再创新。 由于传动系统决定整机的可靠性，而放焦机的工艺参数又决定生产效率、生 产成本，故本文将对这两点进行重点的研究。 122 常见放焦机的基本结构和工作原理 焦化厂里应用得比较多的机械式放焦主要有如下几种，下面分别对其进行介 绍和比较。 ( 1 ) 刮板放焦机 刮板放焦机是在焦台下部设三角挡焦板，放焦时由电动机带动减速机r 再通 过连杆机构使拉杆顺着胶带输送机的运行方向作往复运动。固定在拉杆上的刮板 把由焦台流至托焦板上的焦炭刮至焦板上的孔洞并卸到胶带输送机上然后运往 筛焦楼 4 1 。其布置见图1 - 3 。 刮板放焦机的能力可按筛焦系统的能力调整。刮板放焦机放焦量均匀、稳定。 设备结构简单但由于工作在在潮湿、高温和多尘的环境中，有腐蚀性气体，机 械传动部分容易磨损，所以经常需要维修，影响工作效率。 硕士学位论文 第一章绪论 圈1 - 3 训掘被燕机示考霉 ( 2 ) 下压式焦台闸门放焦机 下压式焦台闸门放焦机示意图如l _ 4 所示，这种放焦装置是在焦台下部设普 通焦台闸门将焦炭挡住，放焦时安装在焦台操作走台上的小车在轨道上往复走 行，当小车停在某一位置时，设在小车底部的弧形板将辊子压下，由于辊子与焦 台闸门铰连，因此闸门便可开启，焦炭由焦台流至胶带输送机上。当小车继续走 囤卜4 下压式闸门放焦机示意目 硕士学位论文 第一章绪论 行时，弧形板离开辊子，辊子靠闸门自动恢复原位，闸门关闭【4 】。 这种放焦机的优点是焦台长度不限，焦流大小可通过小车弧形板位置进行调 整。而且避免了在放焦时焦炭被挤碎，降低了粉焦率。但由于小车是需要专人来 操作的，故其自动化程度不高，增加了工人的工作量。 ( 3 ) 拨杆式放焦机 拨杆式放焦机拨焦时，整机通过安装在放焦机两边的齿轮和固定在轨道边上 的齿条啮合传动来移动，通过倾斜一定角度的推板将焦炭从水平焦台上推落到胶 带输送机上。当移动到焦台的终端时，收回拨杆，并返回到开始端，然后伸出推 板继续放焦。其工作示意图如1 5 所示。 拨杆式放焦机其结构简单，制造非常方便，但是由于整机的走行是通过齿轮 和齿条传动来驱动的，在这种恶劣的环境下，这种驱动装置将会产生极大的磨损， 需要经常更换和维修，从而影响拨杆式放焦机的工作效率。同时拨杆式放焦机工 作时推板所受到的阻力很大，受力也不均匀。并且只能在移动的过程中拨焦，对 于焦炭堆积比较多的地方不能一次性拨完，增加了工作行程的次数，降低了工作 效率。 图1 - 5 拨杆放焦机示意图 ( 4 ) 叶轮放焦机 叶轮放焦机即是本文所要研究的放焦设备。液压马达安装在摆臂上，叶轮悬 挂在液压马达轴上，液压马达驱动叶轮旋转，摆臂通过摆臂轴安装在机架上，依 靠液压缸推动摆臂在一定范围内摆动。其在工作时，放焦机行驶在预设的轨道上， 硕士学位论文第一章绪论 图1 - 6 叶轮放焦机工作示意图 液压缸推动摆臂绕摆臂轴转动摆臂带动叶轮向外伸展，同时液压马达驱动叶轮 旋转，将焦台上的焦炭均匀、连续地拨到输焦皮带上。工作行程结束时，液压缸 拉动摆臂绕摆臂轴回转，摆臂带动叶轮自动缩回，退出焦台，与被拨焦炭脱离。 其工作示意图如1 - 6 所示。 从叶轮放焦机的工作过程我们可咀看出，当遇到焦台上的焦炭堆积不均匀 时，就可以根据具体的需要增加或减小放焦机的走行速度，在一个行程内把焦台 上的焦炭全部拨落。从而提高了叶轮放焦机的工作效率。并且，叶轮在退回时， 不与焦炭接触，避免r 磨损从而提高了叶轮的寿命。叶轮是通过叶片的圆弧曲面 接触焦炭，阻力矩小；圆弧面与焦炭之间的摩擦力小，减小了磨损，提高了叶轮 的使用寿命；转动惯量小，旋转起、停快。采用液压马达驱动叶轮启动和运行 平稳，低速扭矩力大；并能够大范围平稳无级调速而不影响稳定性：能方便地对 驱动力矩进行调节。 通过上述的介绍和分析，我们可以看出叶轮放焦机在传动系统和结构受力上 都比其他几种放焦机具有优势，所以本文以叶轮放焦机作为研究对象。 13 课题研究的内容和具体的条件 131 课题研究的内容 本文以湖南万通电力科工有限公司所生产的叶轮放焦机作为研宄对象，对叶 轮放焦机的传动系统和叶轮部分进行了研究。主要工作内容如下： i ) 详细叙述了现在各个焦化厂所用放焦机的结构和工作原理并对各种放 硕士学位论文第一章绪论 焦机的优缺点进行了比较。得出了叶轮放焦机在各个方面都优于其他同类的设 备； 2 ) 分析了各种传动方式的优缺点以及开式液压传动和闭式液压传动的利与 弊。从放焦机的工作环境和所要满足的性能上考虑，得出了闭式液压传动方式是 叶轮放焦机传动系统的最佳选择： 3 ) 对叶轮放焦机的传动系统进行了总体的设计； 4 ) 对叶轮放焦机的主要受力部件叶轮进行了受力分析，得出了叶轮的受力 图； 5 ) 通过神经网络建模，在现有叶轮放焦机的基础上以拨焦量作为目标函数 对叶轮放焦机的主要工艺参数进行了优化； 6 ) 对叶轮放焦机工作时叶轮的受力情况进行了实验，验证了分析计算 的正确性。 1 3 2 选题所具备的条件 1 ) 导师对叶轮放焦机有系统的研究，参与了叶轮放焦机国产化的全过程， 能够在整个课题的研究过程中提供全方位的指导； 2 ) 经过多年的学习，本人对机械、液压和电气知识有了初步的掌握，有能 力根据要求分析和设计机械结构、液压系统： 3 ) 收集了大量的有关文献资料，对现有和以前的放焦机的结构和原理都做 了充分的了解： 4 ) 参与过湖南万通电力科工有限公司叶轮放焦机走行系统和叶轮结构的改 造项目，对该叶轮放焦机的行驶、作业情况，传动系统中存在的问题有了深入的 了解： 5 ) 对各大公司液压元件产品特点及性能有较深入的了解，系统学习过很多 类似产品的液压系统资料。 7 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 第二章叶轮放焦机传动系统的研究 叶轮放焦机工作环境非常恶劣，潮湿、高温和多尘，并有腐蚀性气体， 故要求放焦机有良好的防腐性能、足够的冷却能力和特别严格的防粉尘性能。而 且其负载变化随机性大。这将使得其产品的设计与一般机械产品的设计有很大的 差别。所以传动系统的设计一定要能适应这样的工作环境。本章通过分析比较， 确定叶轮放焦机的传动方式，并设计叶轮放焦机的液压传动系统进行设计。 2 1 传动方式的比较和选择 传动方式的选择不仅影响到叶轮放焦机的工作效率，而且选择合适的传动方 式对提高叶轮放焦机的可靠性，保证叶轮放焦机在恶劣工作环境下良好的使用性 能有很大帮助。纯机械传动方式由于其布局方式不够方便、调速性能差，所以很 少在叶轮放焦机的传动系统中采用。在现代技术条件下，能满足叶轮放焦机使用 性能要求的主要就是电力传动方式和液压传动方式。但是两者相比，液压传动方 式易于实现无级变速，在功率密度方面占有优势，并且液压油具有润滑和散热功 能，便于提高叶轮放焦机的工作可靠性。 从上面的分析可以看出，液压传动是最适合叶轮放焦机工况的传动方式，虽 然采用液压传动方式相对其他传动方式价格稍高，但是其在恶劣工作环境下的可 靠性高，易于获取拨焦和行驶的速度和扭矩参数，具备了实施自动化控制的基础 条件，应该是叶轮放焦机的理想传动方式。 2 2 液压传动方式的选择 从第一章叶轮放焦机的工况可以知道，叶轮放焦机在工作过程中，摆臂系统 只在一个行程的开始和结束时候动作，由于其动作不频繁，故摆臂系统的液压传 动方式仍采用的是开式液压系统。而叶轮的拨焦和整机的走行是同时动作的，并 且动作频繁，所在设计这两个系统时，对液压传动方式的选择要非常谨慎，拨焦 和走行系统传动方式的好坏将直接影响到叶轮放焦机的工作效率和运行的可靠 性。为此，我们对拨焦系统和走行系统液压传动方式的选择进行详细的分析，最 后得出这两个系统比较合理的传动方式。 2 2 1 开式液压系统 由于叶轮的转动和整机的走行在叶轮放焦机工作过程中是同时动作的，在这 8 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 种工况条件下，开式液压系统的设计一般选择单泵系统并在各回路中加压力补偿 阀的方式，也可以使用负载敏感系统或多泵系统，下面分别对这三种开式液压系 统进行分析和比较。 一、开式单泵定量系统 该系统的液压系统图如图2 1 所示。系统的主要特点是在比例换向阀前加了 压力补偿阀，通过压力补偿阀作用，使得比例换向阀前后压差恒定，这样系统中 叶轮的转动速度和整机的走行速度可以独立控制，只与比例换向阀阀口开度有 关，不受对方及外负载变化的影响。但由于是定量泵提供流量，多余的流量仍以 溢流方式溢出，溢流损失较大。在换向阀处于中位不动作时，即使加有卸荷回路， 系统仍以最大流量卸荷，能量损失仍然较大，所以其效率比较低，同时由于叶轮 放焦机是连续工作的，这会导致系统严重发热。并且该系统油液全部与外界频繁 接触，很容易受到污染，因此可靠性不高。 i 卜定量泵；2 一压力补偿阀；3 - 1 ：p 例换向阀；4 一拨焦马达；5 一行走马达 图2 - 1 单定量泵加压力补偿液压系统图 二、负荷传感系统 负荷传感系统的主要特点是，系统能自动地将负载所需的压力或流量变化的 信号传到敏感控制阀或泵变量控制机构的敏感腔，使其压力参量发生变化( 这一 9 硕士学位论文第二章时轮放焦枫传动系统的研究 功能就是所谓负荷传感，或称负载敏感、负荷感知) ，从而调整供油单元的运行 状态，使其几乎仅怠系统提供负载所需要的液压功率( 压力与流量的乘积) ，最 大限度地减少压力与流量两项相关损失i 刃。根据供油油源的不同可分为开中心负 荷传感系统和闭中心负荷传感系统。叶轮放焦机的开中心负荷传感系统如图2 - 2 所示，系统包括定量泵l 、系统总进口压力补偿阀2 、各回路的进口压力补偿阀 4 、流量控制主阀5 以及梭阀网络3 。其主要功能包括： ( 1 ) 在中位时，定量泵输出流量经过总进阴压力补偿阀流回油箱： ( 2 ) 各回路上的压力补偿阀，将各回路上流量控制主阀的进出口压差基本 维持不变； ( 3 ) 通过多层次高压优选梭阀网络的选择，将各执行器当时的最高压力引 导到总进口压力补偿阀的敏感腔，使得泵的出口压力与之相适应，即泵比任一时 刻系统受载的最高压力高一定值，此僮与补偿阀的弹簧力设置对应。 开中心负荷传感系统的泵出翻压力能时刻跟随各执行器当时的最高压力，各 回路的流量按流量控制阀阀口开度比例分配，与外界负载无关，并且互相之间不 影响，但虫于是定量泵供油，在运行过程中，时刻都有溢流损失存在。 ；。| 卜定量泵；2 一系统总进霹压力补偿阀；3 一梭阍网络：4 一压力补偿闷；5 一比倒换向阀；6 一援焦 马运；7 一行走马达 图2 - 2 开中心负荷传感液厩系统图 1 0 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 为使系统的压力和流量时刻适应外负载的需求，且不产生溢流损失，就需要 泵的流量时刻能跟随外负载的流量需求变化，这样就需要用变量泵做油源，于是 产生了闭中心负荷传感系统，叶轮放焦机的闭中心负荷传感系统如图2 3 所示， 该系统包括变量泵l 、各回路的进口压力补偿阀3 、流量控制主阀4 以及梭阀网 络2 。此系统功能与开中心系统相同，只是用一台负载敏感泵代替定量泵和系统 总进口压力补偿阀。该系统时刻通过梭阀网络“感知”各回路中的压力最高的那 一路压力，并将该回路压力从负载敏感泵的负载感应口x 口引入负载敏感泵控 系统，如图2 4 所示，通过流量控制阀( l s 阀) 的作用，控制变量活塞的移动， 从而达到控制泵的排量及泵出口压力的目的。这种系统压力跟随外界各回路最高 i 卜定量泵；2 一梭阀网络；3 一压力补偿阀；4 一比例换向阀；5 一拨焦马达；6 一行走马达 图2 - 3 闭中心负荷传感液压系统图 负载变化，时刻高出一个流量控制阀设定压力( 2 m p a 左右) ，流量按负载需求 供给，系统能量输出能自动适应外负载能量的需求，能量损失很小。当流量控制 阀处于中位时，泵可以“零压零流量”卸荷，中位能量损失很小，几乎为零。这 样克服了开中心负荷传感系统时刻有溢流损失的缺陷。但是由于负荷传感系统的 泵出口压力时刻比各回路最高压力高出一个定值，当各回路负载压力相差较大 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 时，能量损失依然很大。如图2 5 所示，阴影部分为系统能量损失，图( a ) 为 两回路压力相差较小时，图( b ) 为两回路压力相差较大时的能量损失。 图2 - 4 某负载敏感泵液压原理图图2 - 5 负荷传感系统能量损失 三、多泵开式系统 多泵开式系统可分为两大类，一类多泵定量系统，由多个定量开式系统组成， 一个定量泵驱动一个执行机构，速度由比例方向阀调节，这种系统仍存在较大的 溢流与节流损失，且执行机构速度会受外界负载变化的影响；另一类为多泵变量 系统，由多个变量泵分别驱动多个执行机构，这种系统可以很好的适应负载能量 需求，节能效果好，但价格相对较高。 2 2 2 闭式液压系统 图2 - 6 为叶轮放焦机的闭式液压系统原理图，闭式液压系统的特点是泵和工 作装置( 一般是马达) 一一对应，原则上不能一泵驱动多个工作装置，这样的优 点是各工作装置相互独立，即走行和拨焦互不干扰。闭式液压传动系统与开式液 压传动系统的区别是没有大的液压油箱，也没有大通径的方向阀和流量阀，工作 时泵输出的压力油直接进入工作装置( 马达或油缸) ，其油流出口直接和泵的入 口相联，构成闭式循环油路。在闭式液压传动系统中，工作装置( 马达或油缸) 的换向和调速均由闭式油泵完成，所以其结构十分紧凑。而在开式液压传动系统 中，工作装置的换向和调速是通过方向阀和流量阀来实现的，也需要一个庞大的 油箱并入系统回路中，其开式的含义是工作时液压油流是和空气接触的( 在油箱 中) 。 闭式系统基于上述特点，从而具备了以下优点： ( 1 ) 结构紧凑，调速平稳且无节流损失： 1 2 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 ( 2 ) 能可靠地工作在恶劣的工作环境中； ( 3 ) 在系统内部清洁度得到保障的条件下，其寿命较开式系统长。 闭式系统相对前面所述的系统，具有更好的操纵及节能特性，但由于一个泵 原则上只能驱动一个执行机构，使得叶轮放焦机闭式液压系统也需要多泵来驱 动，也是一个多泵系统，并且闭式泵的价格昂贵，使得闭式系统的造价较高。 卜泵；2 一马达 图2 - 6 闭式液压系统图 综上所述，从性能及造价上比较，负荷传感液压系统和闭式液压系统是最好 的。但这只是从性能上满足了叶轮放焦机的工作情况，并没有考虑所设计的系统 对叶轮放焦机工作环境的适应性。由于叶轮放焦机工作环境非常恶劣，其周围环 境中粉尘、气体较多。所以当采用开式液压系统时，污染是一个非常难以解决的 问题。开式系统在这样的环境下运行其可靠性将急剧下降。同时开式系统之所以 能广泛应用，其价格优势是它的一个重要的原因。但当采用负荷传感系统时，其 硕士学位论文第二章时轮赦焦视传动系统的研究 价格优势相对于闭式系统而言已经不存在了。而相比于开式系统，闭式系统在防 止油源污染等方垂都有绝对的优势。所以其工作可靠性在这样的工作环境下要冼 开式系统高很多。由予叶轮放焦机的工作环境所限，几乎不适合现场检修，但吊 出机位检修也非常麻烦，所以提高系统的可靠性具有重大的意义。虽然闭式系统 的成本较高，但对于一些生产线上的重大设备来说，保证工作性能和可靠性是第 一位的。否则会导致低投入零产出的后果。而量从鞍钢的开式液压系统时轮放焦 机和兖矿国际焦化厂的闭式液压系统的使用情况可以看出，开式液压系统在这种 环境中，其运行远远没有闭式液压系统成功，所以闭式液压系统是产品的酋选， 也是我 | j 要重点研究的内容。 2 3 叶轮放焦机液压系统的设计 2 3 1 蠢卡轮放焦褫液压系统原理图 通过前面的讨论和分析，叶轮放焦机的拨焦系统和整机走行系统采用闭式液 压系统是我们的最优选择。丽摆臂系统仍采用开式液压系统。 为了适应不同的气候条件，在设计叶轮放焦桃的液压系统时，在油箱主要设 有电加热器和冷却器，这样可以保证液压系统在最佳状态下工作，同时因为叶轮 放焦机在工作的过程中，工人无法在现场观察油箱中油液的高度，所以在油箱上 还设置了液位传感器，以方便工人远程理察和操作。由于叶轮放焦枫的工作环境 很恶劣，我们还要考虑油源的污染问题，所以在摆臂系统的网油路上，设置了回 油过滤器。 拨焦系统和走行系统都采用的是闭式液压系统。通过单独的闭式泵和马达来 驱动叶轮的拨焦和整机的走行，使褥这两个动作相互独立，互不干扰。并且闭式 泵的控制方式要采用电气排量控制，以方便工人远程控制叶轮的拨焦和整机的走 行。 摆臂系统根据英动作特点，我翻采用的是开式液压系统。由于采用定量泵供 油，所以在系统中需设有节流阀以调定摆臂动作时的速度。在样机调试后，保持 节流阀的开口一定，保证了摆臂按一定的速度动作。摆臂在叶轮放焦机工作的过 程中是需要固定不动 乍的，所以在摆臂系统中还设有一个液羼锁，来保证在叶轮 放焦机在工作过程中摆臂的固定。 由于机器的检修不便，如果动力装置出现故障，将使得整个生产线的工作停 滞，会带来很大的生产损失，所以在设计叶轮放焦机的液压系统时，我们还考虑 了采用双动力源的传动方式，这样在一个系统嵩现故障时，霹以使用另一个系统， 降低了经济损失，同时也提高叶轮放焦机的可靠性。叶轮放焦机的液压原理图如 1 4 硕学位论文 第二章叶轮放焦梳传动系统的研究 图2 7 所示。 卜油箱；2 一电加热器；3 一温度传感器；4 一齿轮泵；5 一柱塞泵；6 一截止阀；7 一单向阀；8 嗽热 器；9 一过滤器；1 0 - 放焦马达；1 1 一行走马迭；1 2 一双单向节流阈；1 3 - 液癯锁；1 4 一摆劈油缸 图2 - 7 叶轮放焦机液压原理图 1 5 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 2 3 2 主要液压元件选型和特征 一、叶轮放焦机主要工作参数 结合湖南万通电力科工有限公司所给的技术参数，叶轮放焦机的工作参数要 求为： 叶轮的转速要求：1 1 4 r m i n ，叶轮的驱动扭矩要求：7 5 0 0 n m ，整机 的走行速度要求：l 1 4 m m i n ，整机的驱动扭矩要求：5 6 0 0 n m 。 二、液压系统主要元件的选型 从叶轮放焦机的液压系统原理图和主要的工作参数可以看出，拨焦系统和走 行系统的设计分别可以有高速方案和低速方案两种。高速方案是采用柱塞马达加 减速器来驱动执行器，而低速方案采用的是低速大扭矩马达直接驱动执行器。由 于叶轮放焦机在工作过程中，拨焦和走行的速度都不高，所受到的阻力矩都很大， 并且低速大扭矩马达有起动扭矩大，低速稳定性好等特点，所以拨焦系统和走行 系统采用低速方案是比较合适的。但是在拨焦系统中，采用低速方案，用低速大 扭矩马达直接驱动叶轮时，马达所受到的轴向力将会很大，对马达的运转平稳性 将产生很大的影响。如果拨焦系统采用高速方案，用闭式柱塞马达加减速器的方 式驱动叶轮，我们可以采用能够承受轴向力的减速器，这样就可以解决马达受轴 向力的问题，使得系统运行起来相对平稳。所以叶轮放焦机的拨焦系统我们采用 高速方案，而整机的走行系统采用低速方案。 根据以上的分析，对液压系统的主要元件进行了选型，两个电机的型号为 y 1 8 0 l 4 。两个闭式泵的型号为s a u e r 的9 0 r 0 5 5 k p 轴向柱塞泵，拨焦马达 表2 - 1 主要系统元件的参数 元件参数 电动机 ( y 1 8 0 l 一4 ) 柱塞泵 ( 9 0 - r - 0 5 5 - k p ) 放焦马达 ( 9 0 - m 0 5 5 k e ) 行走马达 ( n h m l l 1 0 0 0 ) 齿轮泵 ( s n p 2 l7 - d - s c 0 6 ) 减速器 只= 2 2 k wn e = 1 4 8 0 r m i n = 4 2 m p a 只。= 4 8 m p a 。= 5 5 c m 3 r e v i n = 5 0 0 r m i n 力= 3 9 0 0 r m i nn m 。= 4 2 5 0 r m i n = 4 2 m p a 匕。= 4 8 m p a 。= 5 5 c m 3 r e v 门= 3 9 0 0 r m i n m 双= 4 2 5 0 r m i n = 2 0 m p ae m 双= 2 5 m p a 圪。= 9 8 l c m 3 r e v i 1 m i 。= 3 r m i n 。= 3 2 0 r m i n 乙= 2 9 0 2 n m = 2 5 m p a 匕双= 2 8 m p a 圪。= 1 6 8 c m 3 r e v 7 1 m 。= 3 0 0 0 r m i n 叶轮减速器速比：f = 9 0 的型号为s a u e r 的9 0 m 0 5 5 n c 轴向柱塞马达。行走马达为i n t e r m o t 的 1 6 硕士学位论文第二章叶轮放焦机传动系统的研究 n h m l l 1 1 0 0 系列的低速大扭矩马达。齿轮泵为s a u e r 的s n p 2 1 7 d s c 0 6 。各 主要元件参数参见表2 1 。 三、液压系统主要元件的特征 1 液压泵的主要特征 ( 1 ) 过压保护和压力限制功能 本闭式液压系统采用的是s a u e r 9 0 系列柱塞泵， s a u e r 9 0 系列柱塞泵有压力限制和过压保护功能，而 这两种功能都集中在一个多功能阀中，它包括一个顺序 阀和一个高压溢流阀。原理图如2 8 所示。当系统压力 到达压力限定值时，压力限制阀迅速开启进而推动斜盘 向中位运动以减小泵排量达到限制系统压力作用。对于 非正常瞬间变化负载的应用，高压溢流阀起作用实现系 统过压保护。压力限制阀作用相当于高压溢流阀的先导图2 - 8 多功能阀液压图 级溢流阀，高压溢流阀在系统压力超过系统压力限制等级后起作用。 ( 2 ) 泵的控制方式 砣 ” 所选s a u e r 9 0 系列柱塞泵的控制方式为电气排量 控制，控制原理图为2 - 9 所示。 这种控制方式的特征及优点： 1 ) 电气排量控制为高增益控制方式：通过微小变化 的输入电流控制信号即可推动伺服阀主阀芯至全开口 位置，进而将最大流量的控制油引入到伺服油缸。 2 ) 伺服阀壳体内充满硅油以防止水气侵入腐蚀并 图2 - 9 电气控制原理图 起到减少元件振动作用，最大可能延长伺服阀使用寿命。 3 ) 所有规格电气控制排量泵可选配单线圈或双线圈伺服阀，双线圈伺服阀 用来实现线圈的串联及并联应用。 4 ) 伺服阀内部的机械限位机构确保了电气输入信号快速变化时控制机构免 受损坏。 5 ) 采用机械连杆实现斜盘与控制机构闭环控制反馈，无电气输入信号时主 控制阀芯回中位实现伺服缸两侧与壳体相通( 斜盘自动回中位确保系统安全) 。 2 拨焦马达的主要特征 拨焦系统中采用的是s a u e r 9 0 系列定量马达，该马达中包括一个回路冲洗 阀。回路冲洗阀将闭式回路中部分低压侧工作油液排出回路以达到对闭式回路中 工作油液循环冷却及清洁过滤作用。 集成式回路冲洗阀上的冲洗溢流阀为一阀芯带阻尼孔式压力溢流阀。可以选 1 7 硕士学位论文 第二章叶轮放焦机传动系统的研究 择不同大小阻尼孔的阀芯，以满足不同系统对冲洗流量的特定要求。 3 行走马达的主要特征 走行系统中采用的是i n t e r m o t 的n h m 型低速大扭矩马达，该马达具有启动扭 矩大，低速稳定性好，能在很低的速度下平稳运转；具有很高的容积效率和机械 效率；并且在工作过程中具有低噪音的特点。 2 4 本章小结 本章通过比较各种传动方式以及开式液压传动和闭式液压传动的优缺点，根 据叶轮放焦机的工况，提出了叶轮放焦机的闭式液压传动方式，并设计出了液压 系统原理图，采用闭式系统驱动叶轮转动和整车的走行，既提高了系统的可靠性， 又延长了叶轮放焦机的使用寿命。 硕士学位论文 第三章叶轮放焦机叶轮的受力分析 第三章叶轮放焦机叶轮的受力分析 前一章中，我们对叶轮放焦机的液压系统进行了设计，并进行了液压元件选 型。其中叶轮驱动扭矩要求是根据资料给定的，这是在考虑一些特殊情况下叶轮 可能受到的最大扭矩，如焦台上的焦炭堆坍塌对叶轮冲击时，将产生很大的阻力 矩。这只是在叶轮放焦机工作过程中偶尔会发生的情况，实际的叶轮在叶轮放焦 机工作过程中所受到的阻力矩是要比这个数值小的。所以为了得到叶轮的实际受 力情况，进而知道整个拨焦系统的压力变化情况，本章对叶轮放焦机工作过程中 的叶轮进行了受力分析计算。这对整个拨焦系统的选定和系统参数的调定等方面 都具有非常重要的意义。 3 1 散体基本性质 叶轮放焦机在工作过程中作用的物体是焦炭散体，它不同于我们所熟悉的固 体和液体的受力情况，在对其进行受力分析之前，我们先对散体的基本性质做一 些了解。 3 1 1 散体及其物理性质 一、定义和特征 散体是由许多不同形状、不同大小的固体颗粒所构成的混合物。通常表现为 各种的松散物料，如沙堆、卵石堆、谷物、煤堆等【8 l 。散体的物理性质介于固体 和液体之间。