（机械设计及理论专业论文）节能型沥青混合料搅拌楼成品料输送系统设计与研究.pdf

摘要 随着工业化进程的快速发展，能源浪费现象已引起世界各国的广泛关注，再加上 能源紧缺和油价上涨，节能也就成为科技人员的主要研究方向。在工程机械中，占路 面机械市场的绝大部分的沥青混合料搅拌设备就存在能源浪费现象。而沥青混合料搅 拌设备是沥青路面施工的关键设备，为此，研究沥青搅拌设备的节能是很有必要的。 本文以j 4 0 0 0 型集装箱式沥青混合料搅拌设备为基础，以基于系统势能和系统动 能节能方法为依据，对沥青搅拌设备成品料提升机构所消耗的能量及功率进行分析研 究，提出增加配重体的方法，力求使该机构所输入功率降低和能量得到充分发挥，以 达到节能的目的。首先对配重节能进行可行性分析，经分析可知，配重节能是完全可 行的。其次通过设计多种配重节能方案，分析其优点及不足，最后确定最优配重节能 方案。为了使节能达到最理想效果，本文采用了机械配重和液压配重的有效结合方法， 通过动滑轮组，使钢丝绳一端与料斗连接，另一端与配重块连接。动滑轮组可以很好 的解决钢丝绳长度问题。配重块做成液压升降机形式，这样就可以避免因钢丝绳断裂 而伤及人员的现象。为了充分利用空载料斗下降时所具有的势能，在料斗上安装一个 发电机构，当料斗下降时，势能转换为电能，电能又通过转换机构转换为液压能，储 存到蓄能器中，而蓄能器可以提供一部分能量给配重支架。为了避免飞车事故和生产 需要，需要把料斗放置在某一位置，可以通过增加阻车器解决此类问题。该阻车器是 一种自动闭锁装置，处于常开状态。当阻车器上的传感器感应到料斗上的电磁感应器 时，则活塞杆自动回收，该阻车器还具有手动功能。为了检验本设计是否满足生产要 求，在a d a m s 仿真软件中，对配重节能进行仿真与分析。经过仿真分析，我们可以 看出，配重节能可以很好的达到节能效果。 基于增加配重体设计成功用于生产，将大大提升搅拌设备的性能，可以广泛地被 推广到电梯、塔吊、升降机、起重机等机器。故本课题的研究有广泛的应用前景。 关键字：配重节能，提升机构，势能，仿真分析 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n ，e n e r g yw a s t eh a sc a u s e dw i d e s p r e a d c o n c e r na r o u n dt h ew o r l d c o u p l e dw i t he n e r g ys h o r t a g e sa n dr i s i n go i lp r i c e s ，i th a s b e c o m et h em a i nc o n c e r nf o rr e s e a r c h e r si nt h ef i e l d i ne n g i n e e r i n gm a c h i n e r y , t h ea s p h a l t m i x i n gp l a n tw h i c ho c c u p i e st h el a r g e s ts e c t i o ni nt h er o a dm a c h i n e r ym a r k e tc o n s t i t u t e sa m a j o rs o u r c ef o re n e r g yw a s t e g i v e nt h ei n d i s p e n s i b l es t a t u so ft h ea s p h a l tm i x i n gp l a n ti n r o a dc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ee n e r g ys a v i n gs t r a t e g i e sf o r t h ea s p h a l tm i x i n ge q u i p m e n t t h ep r e s e n tr e s e a r c hi sb a s e do nt h ej 4 0 0 0 - t y p ec o n t a i n e rt y p ea s p h a l tm i x i n gp l a n t e x p l o r i n gt h ef e a s i b l em e t h o d sf o rs y s t e mp o t e n t i a le n e r g ys a v i n ga sw e l la ss y s t e mk i n e t i c e n e r g ys a v i n g i sb a s e do nt h ea s p h a l tm i x i n gp l a n tf i n i s h e dm a t e r i a l se n h a n c em eb o d yt h c e n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o w e ra n a l y s i sa n ds t u d y , p r o p o s e dt oi n c r e a s et h ew e i g h tt h eb o d y o ft h em e t h o di ne f f o r tt or e d u c et h ea g e n c ya n dt h ee n e r g yi n p u tp o w e ri n t of u l lp l a yi n o r d e rt oa c h i e v ee n e r g ys a v i n g f i r s t ，af e a s i b i l i t ya n a l y s i so fw e i g h ts a v i n g ，t h ea n a l y s i s s h o w e dt h a tt h ew e i g h ts a v i n gi se n t i r e l yf e a s i b l e s e c o n d ，b yl i s t i n gav a r i e t yo f w e i g h t s a v i n gp r o g r a m ，a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n df m a l l yt od e t e r m i n et h e f i n a lw e i g h ts a v i n gp r o g r a m i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s te n e r g y s a v i n ge f f e c t ，t h ep a p e r f i n a l l ya d o p t e dh y d r a u l i cm e c h a n i c a lw e i g h ta n dw e i g h to ft h ee f f e c t i v ec o m b i n a t i o no f m e t h o d s ，t h r o u g ht h em o v i n gp u l l e yb l o c k s ，w i r er o p ec o n n e c t e da to n ee n dw i t ht h eh o p p e r , t h eo t h e re n da n dc o n n e c t e dw i t hw e i g h t s m o v i n gp u l l e yr o p el e n g t l lc a ns o l v et h ep r o b l e m w e i g h tb l o c km a d eo fh y d r a u l i cl i f ti nt h ef o r m ，s oy o uc a na v o i di n j u r i e st op e r s o n n e ld u e t ow i r ef r a c t u r eo ft h ep h e n o m e n o n t ot a k e a d v a n t a g eo fn o 1 0 a dp o t e n t i a le n e r g y c o n t a i n e di nt h eh o p p e rd r o p s ，t oi n s t a l la p o w e rg e n e r a t i o ns e c t o rh o p p e rw h e nt h eh o p p e r f a i l s ，p o t e n t i a le n e r g yi sc o n v e r t e dt oe l e c t r i c a le n e r g y , e l e c t r i c a le n e r g yi sc o n v e r t e dt o a n o t h e ri n s t i t u t i o n b yc o n v e r t i n g t h eh y d r a u l i ce n e r g ys t o r e di n t h ea c c u m u l a t o r a c c u m u l a t o rc a np r o v i d es o m eo ft h ee n e r g yt ow e i g h tb r a c k e t 。i no r d e rt oa v o i dr u n a w a y a c c i d e n t ，o rt op r o d u c t i o nn e e d s ，s h o u l db ep l a c e di na p o s i t i o nh o p p e rc a nb er e s o l v e db y i n c r e a s i n gt h ec a l s t o pt h ep r o b l e m 。t h ec a l s t o pi sa i la u t o m a t i cl o c k i n gd e v i c e ，i sn o r m a l l y o p e ns t a t e w h e ns e n s o r so nt h ec a rs t o pt ot h eh o p p e ro f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ns e n s o r s ， t h e nt h er o da u t o m a t i cr e c o v e r y t h ec a rs t o pt h e r em a n u a lf u n c t i o n 。t ot e s tw h e t h e r t h e d e s i g nm e e t st h er e q u i r e m e n t si n t h ea d a m ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，w i t he m p h a s i so n e n e r g ye f f i c i e n c yf o rt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i s t h es i m u l a t i o na n a l y s i sc a n b ed r a w n ，t h e w e i g h ts a v i n gc a nb ev e r yg o o d t os a v ee n e r g y i n c r e a s ei nb o d yw e i g h tb a s e do nt h ed e s i g nu s e ds u c c e s s f u l l yi np r o d u c t i o n ，w i l l g r e a t l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fm i x i n ge q u i p m e n tc a nb ew i d e l ye x t e n d e dt o t h e e l e v a t o r s ，c r a n e s ，l i f t s ，c r a n e sa n do t h e rm a c h i n e s t h e r e f o r e ，t h es u b j e c to fa w i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：w e i g h ts a v i n g ，l i f t i n gm e c h a n i s m ，p o t e n t i a l ，s i m u l a t i o n 、 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沥青混合料搅拌设备概述 沥青混合料搅拌设备是一种专业生产沥青混合料的设备，其生产的沥青混合料主 要用于公路路面上。其工作原理是，按照一定的比例要求，将骨料、粉料、沥青等筑 路材料混合搅拌均匀u 】- 。其成品料经过料斗或输送带储存到成品料储存仓中，以便装 载给卡车，快速运输成品料到筑路现场。 沥青混合料搅拌设备是沥青路面施工的关键设备之一，主要包括间歇强制式和连 续滚筒式两类【2 】。连续滚筒式沥青搅拌设备优点是工艺流程简单、能连续加料和出料， 生产能力大；其缺点是没有热骨料提升、筛分、二次计量等工序。而间歇式沥青搅拌 设备因筑路材料配比准确、计量精度高、成品料质量好f 3 j ，因此在筑路行业受到普遍 的欢迎，经过长期试验验证，间歇式沥青搅拌设备更符合我国国情，因此在我国主要 使用的是间歇式沥青搅拌设备。随着我国高速公路快速发展，对沥青搅拌设备的需求 是越来越多。 沥青搅拌设备成品料输送系统有料斗输送和输送带输送两种。料斗输送机构是通 过电机带动卷扬机拽引或下放钢丝绳，使料斗上升或下降，来向成品料储存仓中输送 成品料。输送带输送成品料是电机带动齿轮，齿轮带动输送带，使输送带连续不断地 向成品料储存仓中输送成品料。 料斗输送机构输送成品料是“间歇式”，而输送带输送成品料是“连续式”。 料斗可以快速的把成品料输送到成品料储存仓中，使成品料的温度变化相对较小。而 输送带连续不断的输送成品料给成品料储存仓，输送能力大。 1 2 国内外沥青搅拌设备的研究现状 1 2 1 国外沥青搅拌设备的研究现状 沥青混合料搅拌设备在国外有着悠久的历史，早在上世纪初就己经问世。经过近一 百年的发展，国外的沥青混合料搅拌设备品种齐全、技术先进、其产品以占据世界工程 机械市场一大部分。 以美国、英国、德国、意大利、韩国等国家为代表，生产的沥青混合料搅拌设备生 第一章绪论 产能力大，计量精度高，结构设计合理，控制功能比较强大，性能可靠、稳定性高。美 国h s t e c 公司生产的双滚筒式搅拌设备，生产能力最大为5 0 0 t h n 一，它代表了今后沥青 搅拌设备的发展方向。其产品占据了世界工程机械的大部分市场，尤其是高端市场，仅 我国2 4 0 t 以上的大型沥青混合料搅拌设备份额中，国外产品就占t 8 0 5 1 。在利益的驱 动下、市场竞争的刺激下，国外的沥青混合料搅拌设备不断更新、改进。使其产品不仅 设计更合理，同时还不断完善液压和气动技术，使其产品更加合理化、人性化、自动化、 智能化。在如今提倡节能、减排的时代，国外工程机械产品更加力求提高能量的利用率、 提高机器的生产率。工程机械产品由过去的纯机械改变为机电一体化、机电液一体化。 1 2 2 国内沥青搅拌设备的研究现状 沥青混凝土搅拌设备在我国2 0 世纪6 0 年代后期起步。8 0 年代后期，国家才把搅 拌设备列入“八五”规划中，国家通过对国外技术的引进、消化和吸收，使我国的搅 拌设备技术得到迅速发展。特别是最近几年，国家加大了对行业先进技术的跟进力度， 在电子技术、智能技术方面取得一定突破。涌现了一批优秀企业，如西筑、徐工、无 锡雪桃、无锡锡通、辽筑等l o 多个厂家都成功研制开发了3 0 0 0 和4 0 0 0 型沥青搅拌设 备，有的企业甚至研制开发了5 0 0 0 型沥青搅拌设备，特别是国内沥青搅拌设备制造企 业发展到6 0 多家，初步实现了产业规模化和普及化【6 。 尽管我国沥青搅拌设备发展取得一定的成绩，但我国企业在部分核心技术仍落后 于国外市场，生产能力在3 2 0 t h 及以上的设备主要是国外生产的设备。我国企业只在 小型沥青搅拌设备、技术落后的设备中保持着优势，制造出来的产品生产力低、自动 化少、智能化差、成品料质量差、能源浪费严重。 在近2 0 年里，我国高级公路得到了快速发展，9 0 的高级公路路面是沥青路面， 沥青混合料搅拌设备又是生产沥青混合料的最重要生产设备，为此沥青混合料搅拌设 备在我国公路建设中发挥着重要作用【引。 环保型沥青搅拌设备产品的开发成为企业重要的一项工作。节能技术和机电一体 化技术的应用已到了必须直面的时候。 但我国生产的沥青搅拌设备生产效率低，设计不够完善，有相当一部分能量被浪 费或者不能被回收利用。如何很好的利用能源，达到节能的目的，这是我们所要考虑 的问题。 2 长安大学硕士学位论文 1 - 3 节能的必要性及配重节能的可行性 随着工业化快速发展，能源过度开采，环境污染严重，致使全球气温变暖，南极 冰块融化，陆地面积减少，人类的生存得以威胁。世界各国领导政人及有识之士认识 到节能减排的重要性。由此进入2 1 世纪后，节能已经成为一个世界话题。 自1 9 世纪欧洲工业革命起，人类对能源的开采采取粗狂式开采，只是味的追求 利润，而不顾及能源的利用率及环境生态平衡的破坏。地球的能源是有限的，即使再 生资源，其再生的速度也远远低于人们开采的速度，如果继续粗狂式开采，那么迟早 有一天，地球上的资源会被开采的一干二净。所以我们要珍惜资源，尤其是不可再生 资源，我们更应该珍惜。作为当代人，我们不能把目光只放在当前，应考虑能源的长 远利用，使我们的子孙后代也有时代发展的需要的能源。我国领导人江泽民曾经说过： “我们要保证当前发展的需要，我们吃的是老祖宗留下的遗产，但我们不能断子孙的 后路 。， 那么我们怎么做才能满足当前发展的需要，又不会断子孙的后路呢? 答案是，提 高能源的利用率，对浪费能源回收再利用。总之一句话，那就是要节能减排。 那怎么才能提高能源的利用率? 有两种方案。 第一种方案是：设计更合理、更先进、更科学的机器来代替原有落后、消耗大、 功率低的机器或者对原有的机器结构进行改进，使浪费的能量进行回收，然后使用回 收的能量，那么就可以相对生产少的能量来完成相同的工作量。 第二种方案是：要提高操作人员的技术，不要因为大意或者操作不当造成废品、 疵品的产品。选择合适的技术手段，提高生产率。生产率提高了，相对而言，就节约 的能源，这也是一种能源利用率的提高。 本论文涉及的是对西安筑路机械厂生产的j 4 0 0 0 型沥青混合料搅拌楼成品料输送 系统设计与研究，通过增加配重的方法，采用机械配重和液压配重两种方法，运用不 同的配重方案进行势能平衡，以达到节能的目的。它的机械运作原理是用料斗把成品 料( 或骨料) 输送到成品料储存仓( 或料仓) 里。该论文通过对现有输送机构消耗功 率较高的原因分析，运用势能为常量或在较小范围内变化的节能原理，提出几种节能 型输送机构的设计方案，进行比较分析，选取一种制造模型。通过实验验证，新的输 送机构所需电机功率不高于原来电机功率的8 0 9 6 ，从而达到节能的目的。 3 第一章绪论 基于此目的而设计方案成功，输送搅拌设备的性能将大大提高，并可推广到电梯、 塔吊、升降机、起重机等机器。所以，这个课题的研究应用有广泛的前景。既有理论 价值、又有使用价值。 在沥青混合料搅拌楼成品料输送系统中，其工作流程为，当料斗上升时，电机提供 动力给卷扬机，卷扬机带动卷扬筒，卷扬筒通过钢丝绳拽引料斗上升到需要的高度。当 料斗下降时，料斗则自由下落，电机不做功，也不发电。 配重节能有机械配重和液压配重两种。机械配重可以增加配重体和变速机构，使配 重体与料斗直接相连，当料斗上升时，配重体依靠自身重量下降，配重体会把其重力势 能传递给料斗，则电机就需要提供较小或者不提供电能； 由于配重体要上升一定高度需要能量，料斗下降时所含的重力势能没有被利用。这 时增加一个液压配重蓄能器，当料斗下降时，料斗自身的重力势能会被储存到蓄能 器中，同时蓄能器提供能量给配重体，使配重体上升。 一般情况下，配重体质量约为满载料斗一半左右，才能达到最大节能效果，所以配 重体比空料斗自身重量大，即空料斗下降的重力势能不能满足配重体上升到所需的高度， 这一部分能量还是由电机提供，但电机提供的能量远远小于配重体提供给满载料斗的能 量。 经过比较，我们可以看出，通过增加配重，所需电机的功率小了，所耗的电能也随 之降低了，这就达到了节能之目的。由此看出，通过增加配重机构来节能是可行的【9 】1 1 4 本研究课题的主要目的及内容 1 4 1 本研究课题的主要目的 本研究力求通过改造沥青搅拌设备当中提升机构的机械构造使其在实际操作中通 过势能平衡来变相增加功率，从而达到节能的目的【l 们。 提升机构是沥青搅拌设备的一个部分。它的主要机械运作原理是用料斗把成品料 ( 或骨料) 输送到成品料储存仓( 或料仓) 里，通过一定的操控装置( 如开关) 使成 品料下投到运输车厢里。假设小车上升时，质量为1 t ( 小车) + 4 t ( 成品料) = 5 t 。当小车 下降时，只仅仅为1 t ，即为小车的质量。但电机工作时的功率始终是一样的，因此， 当小车下降时，只使用2 0 的功率，有8 0 的功率白白浪费掉。小车提升成品料来回只 4 长安大学硕士学位论文 需4 5 s ，每小时提升成品料的次数就为8 0 次。因此在不加大电机功率的前提下通过改 造提升机械系统中的某一环节来提升整体的运行功率就可以达到节能的目的。例如： 如果用定质量的配重体使势能平衡或者变质量的配重体使势能平衡，可以使用小功率 的电机替换大功率的电机来完成该项任务【l l 】。因而，对提升设备进行通过平衡势能提 升功率的改造可以在实际生产环节节省相当的能源。基于此目的而设计增加的配重体 如果设计成功，将大大提升搅拌设备的性能可以广泛地被推广到电梯、塔吊、升降机、 起重机等机器。所以说，这个课题的研究应用有广泛的前景。 1 4 - 2 本研究课题的主要内容 本论文涉及如下主要内容： ( 1 ) 成品料输送系统节能方法研究 ( 2 ) 沥青混合料搅拌设备输送系统节能方案设计 ( 3 ) 节能方案关键参数分析与研究 ( 4 ) 节能系统仿真与分析 1 5 本章小结： 本章主要介绍了沥青混合搅拌设备的概况，并对国内外沥青混合搅拌设备的现状 进行分析，发现国内工程机械能源浪费严重，于是提出节能的概念，并比较详细地介 绍了节能的必要性，对于配重节能的可行性进行了分析，分析结果是可行。最后比较 详细地介绍了本研究课题的主要目的及内容。 5 第二章输送系统配重节能方法分析 第二章输送系统节能方法分析 2 1 配重节能理念 在现有的机器设备中，有相当多的机器采用变频调速( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l e f r e q u e n c y , v v v f ) 进行节能【1 2 m 1 。虽然变频调速节能应用很广，但是对于功率大、速 度快、能耗大、工作环境恶劣的设备来说，变频调速不是理想的节能方法。那么就可 以采取另一种较为常用的节能方法配重节能。配重节能分为机械配重和液压配重两 种。 2 1 1 机械配重节能理念 机械配重就是通过机械传动机构，使配重体的势能传递给负载体。由于配重体质 量一般约为满载负载体质量的一半，所以当满载负载体上升时，配重体的势能只能充 当负载体一部分能量，另一部分能量由电机提供。但电机所需提供的能量相对少了； 当空载负载体下降时，负载体把其所含的势能传递给配重体，由于空载负载体所含能 量小于配重体所需的能量，所以也需要电机提供其余的能量，使配重体上升到所需位 置。其原理图如图2 1 所示。 ( a ) ( b ) 图2 1 机械配重能量传递原理图 ( a ) 满载负载体上升时能量传递简图( b ) 空载负载体下降时能量传递简图 6 长安大学硕士学位论文 在j 4 0 0 0 型沥青混合料搅拌设备中，空料斗质量为1 3 t ，满载料斗质量为5 3 t 。由 于配重体一般取满载质量的一半，所以初步取配重体质量为2 6 5 t 。可以看出配重体质 量比较大。由于配重体质量大于空料斗质量，而小于满载料斗质量，所以在机械配重 系 统中，不管空料斗下降还是满载料斗上升，电机都要提供功率。如图2 2 所示。 当满载料斗上升时，电机需提供的功率为：p o = p 2 p 当空载料斗下降时，电机需提供的功率为：p o ，- p p l ( 2 1 ) 式2 1 中，p o - 满载料斗上升时，电机需提供的功率；( k w ) p o 一空载料斗下降时，电机需提供的功率；( k w ) p 2 一满载料斗上升所需的功率：( k w ) p _ 配重体所提供的功率；( k w ) p 1 一空载料斗所提供的功率。( k w ) “ 图2 2 配重方案示意图 l 、料斗2 、钢丝绳3 、支架4 、滑轮5 、配重体6 、卷扬机卷扬筒 由式2 1 可以看出，p 0 * p 0 ，即电机在满载料斗上升时所提供的功率大于电机在 空载料斗下降时所提供的功率。根据经验可知，电机在满载上升时所提供的功率与空 载料斗下降时所提供的能量相等，这才是最理想的节能效果。但实际上电机在这两种 工况下提供的能量不相等。那怎么使电机在这两种工况下提供的能量相等呢? 如果再 7 第二章输送系统配重节能方法分析 增加一个液压配重系统，使蓄能器提供的能量和配重块提供的能量之和正好与负载体 的所需的能量相等，电机只提供系统摩擦和效益损失所需的能量。 2 1 2 液压配重节能理念 液压配重一般都是采用蓄能器作为配重体n 4 】，液压蓄能器的功用主要分为：存储 能 量、吸收液压冲击、消除脉冲和回收能量四大类【1 5 】。回收能量蓄能器可以提高能量利 用率，是节能的一个重要途径，回收能量蓄能器能回收多种动能、位置势能等。该蓄 能器可以暂存能量，当别的机构需要能量时，其又释放所存能量，提供能量，起源动 力作用。在有回收能量蓄能器的系统中，当负载体下降时，蓄能器就把其势能暂时储 存在蓄能器中。当负载体上升时，回收蓄能器则释放其所存储的能量，传递给负载体， 使其上升。其原理图如图2 3 所示。 ( b ) 图2 3 液压配重能量传递原理图 ( a ) 满载负载体上升时能量传递简图( b ) 空载负载体下降时能量传递简图 在有升降机构的机器中，负载体要沿着垂直或一定坡度方向上升和下降。有的机 器负载体上升和下降时负载是对重的，也就是说如果上升时是满载，在单位时间后， 它下降就变为满载。比如办公楼的电梯，早晨上班时，电梯满载上升j 当下午下班时， 电梯又是满载下降，且上升时满载质量与下降时满载质量相同( 假设坐电梯上楼和坐 电梯下楼的人数相同) 【1 6 1 。但有的机器负载体上升和下降时负载是非对重的，比如沥 青混合料搅拌设备成品料输送系统，料斗上升时都是满载的，但料斗下降时，都是空 载。 ， 长安大学硕士学位论文 对于负载对重的升降机构，我们可以采用液压配重。使满载下降时的能量储存到 蓄能器中来。因为其负载是对重的，所以储存在蓄能器中的能量正好等于满载上升时 所消耗的能量，所以当电梯工作时，电机只需提供克服摩擦力的功。但对于负载不对 重的升降机构系统中，只仅仅采用液压配重就不能达到理想的节能效果了。 2 1 3 非对重负载的配重节能理念 非对重负载是指：单位时间内，提升上升的重量和下降的重量不相等。比如沥青 混合料搅拌设备成品料提升机构，当机器正常工作时，料斗上升时都是满载，但料斗 下降时都是空载，这就是非对重负载。 ( 1 ) 满载料斗上升时的节能 在非对重负载的沥青混合料搅拌设备成品料输送机构中，满足系统势能在较小范 围 内变化的节能要求。当满载料斗上升时，能量传递图如2 1 a 所示，在该机构运行中， 满载料斗上升，同时配重体下降，配重体把其所含重力势能传递给满载料斗，则电机 只需提供较小的功，这就能达到节能的效果。 ( 2 ) 空料斗下降时的节能 从目前来看，在现有沥青混合料搅拌设备成品料输送机构中，当空料斗下降时， 电机即不做功、也不发电。料斗依靠自重而自由下降，料斗所含的重力势能不能被回 收利用而白白浪费掉。如果加以改造，使空载料斗下降时所含的重力势能通过发电机 转化为电能，并存储到蓄能器中，与此同时，蓄能器向配重块提供能量，使配重块迅 速上升，保证空载料斗能够自由下落。如图2 4 所示。 图2 4 空载料斗下降时能量传递原理图 第二章输送系统配重节能方法分析 当满载料斗上升时，q l = q p + q t 当空载料斗下降时，q 2 + q p = q t 式2 2 中，q l 一满载料斗所需的能量；( ) q p - 电机在满载料斗上升时所提供的能量；( ) q p 一电机在空载料斗下降时所提供的能量；( ) q 广配重体提供的能量；( ) 。 q 2 一空载料斗提供的能量。( ) ( 2 2 ) 由式2 2 可知，当满载料斗上升时，由于配重体质量小于满载料斗质量，且配重 体下降的位移与满载料斗上升的位移相同，则配重体所含的势能小于满载料斗所需的 势能，那么满载料斗所需的另一部分能就由电机提供。当空载料斗下降时，配重体质 量大于空载料斗，空载料斗所含的势能小于配重体所需的势能，只能抵消配重块一部 分势能，另一部分能也有电机提供给配重块，使配重块上升到需要的高度。 ( 3 ) 电机的节能 在沥青混合料搅拌设备成品料输送系统中，电机在拽拉满载料斗上升时，所提供 的工作能量是不相同的，为了使该机构能够正常运行，设计者往往按最大功率来选择 电机，这就会出现“大马拉小车 的严重能源浪费现象。如果设计一个节能蓄能器， 利用惯性原理来解决电机在工作过程中负载不同的问题。电机启动时，带动蓄能器转 动，当电机驱动功超过负载阻力功时，蓄能器就把这多余的能量储存起来；当负载阻 力功大于电机驱动功时，电机就不会再给蓄能器储存能量的，相反蓄能器却把其储存 的能量传递给负载体，这就是“以丰补欠 【1 7 1 显然，只要电机的额定功率等于或略大 于工作机构平均消耗功率即可。那么工作机构就能平稳地工作。其能量传递如同2 5 所示。该蓄能器具体结构及工作原理将会在后面的章节讲到。 图2 5 电机节能的能量传递原理图 2 2 配重节能原理 不管是机械配重，还是液压配重，都是把配重的能量传递给负载体上。其中配重 块把其重力势能传递给负载体。其方法是将料斗、沥青混合料、配重组成的系统势能 在较小范围内变化，达到节能要求。 2 2 1 努肴琶 势能是储存于物理系统内的一种能量，是一个用誊描述物体在保守力场中做功能 力大小的物理量。保守力是指作功与路径无关，只与起点、终点位置之差有关的力。 重力就属于保守力，其做功与路径无关，如图2 6 所示。质量为m 的负载体在角度为q 的斜坡上上升或下滑距离为s ，重力沿斜面的分力为m g s i n q ，则重力做功为w = m g s i n q x s ，而s i l l q x s 是物体在竖直方向的位移，所以重力做功与路径无关嗍。 重力势能公式为： e p - m g h 八 图2 6 重力势能与距离的关系 ( 2 3 ) 式中：椭体质量，旷重力加速度常数，体的高度差。 从式2 3 可以看出，重力势能只与物体质量、高度差有关。由式2 3 可以绘制出重 1 l 一 第二章输送系统配重节能方法分析 - 二二一 力势能随h 变化的示意图2 7 t d 乃g h 0 h 图2 7 重力势能与h 变化示意图 2 2 2 重力势能的可利用性 在现实生活中，有些机器的负载体或配重体是沿着一定坡度的斜面上升或下降的， 有的机器的负载体或配重体是沿着垂直方向上升或下降的。因为重力是一种保守力， 其势能只与物体的起始位置有关，所以不管负载体或配重体是沿斜面上升、下降还是 沿垂直方向上升、下降。都可以简化为垂直方向，如图2 8 所示。 要把有一定质量的负载体从a 点拉上升到另一点b 点，必须要有外力来克服该负 载体的重力( 设摩擦系数f = - o ) 而做功，假如该负载体上升和下降时质量不变，则外 力所做的功正好等于该负载体从b 点下降到a 点的势能；当满载上升，空载下降，则 外力所做的功大于该负载体从b 点下降到a 点的势能；当空载上升，满载下降，则外 力所做的功小于该负载体从b 点下降到a 点的势能。不论那种情况，如果能利用重力 势能，都可以节省动力电能。 为了说明重力势能可利用性，我们可以结合图2 8 来论证【1 9 1 。 _ 工 ni ：l 们 图2 8 重力势能示意图 长安大学硕士学位论文 图2 8 中，m l 是配重体质量，m 2 是负载体质量，且m l = m 2m l 与m 2 通过两个定 滑轮和两根长度相等的绳子相连接，在起始时，m l 与m 2 高度相差h 。此时，负载体 m 2 相对于b 点有势能为v h = m 2 9 h 。 当负载体m 2 下降到b 点时，配重体m l 同时也上升，并且m l 得到势能v h 。以便 m 2 上升。按理说，应该使v h = v h ，才能使该机构能够反复升降。但要克服摩擦力， 则有能量损耗w ，所以必须空气压缩机不断向蓄能器重充入压缩空气，才能够使该机 构反复升降。实践证明，损耗的能量w 0 ，所以增加配重体以后，电机所提供的功t g ，那么就可 以选用相对小功率的电机来代替现有的电机。 在有配重节能系统中，配重体质量是一定的，提供的功率也是一定的。配重体提 供的能量都不可人为的实时控制。当负载体质量变化时，就会出现配重体提供的功率 过剩或者不足。比如当负载体为满载时，配重体所提供的功率就不能满足满载负载体 所需，当负载体为空载时，配重体提供的功率又大于空载负载体所需，这样就会浪费 能量。其示意图如图2 9 所示【1 6 1 。 1 3 第二章输送系统配重节能方法分析 山 脚 奄 时间t 图2 9 负载体消耗的功率及配重体提供的功率示意图 1 满载上升时所消耗的功率；2 配重体提供的功率3 空载下降时所消耗的功率 从图2 9 可以看出，满载负载体上升时或空载负载体下降时，电机都必须要输出 一定的能量。所以说，只简单地增加一个配重体，就不能达到最好的节能效果，最好 的节能效果是配重体所提供的能量与负载体( 满载负载体上升或空载负载体下降) 所 需的能量是相等的，电机只提供克服摩擦力所需的能量。为了使配重体提供的能量与 负载体所需的能量一致，这就引出了变质量配重的思想。变质量配重在机械配重系统 中，可以通过增加变速机构来实现变配重。 ( 2 ) 机械变速机构配重 增加一个变速机构，改变配重体的速度，使配重体势能与负载体的势能相匹配。 这也是一种变配重的体现【2 1 1 。机械变速机构是实现系统为常量或在较小范围内变化的 有效方法，不足之处要受空间限制。 变质量配重体最早体现在早期的电梯上，通过向水箱中充水、放水来调节配重体 的质量，使电梯能上升、下降。但这种方法不适宜用在野外工作、速度快、功率大的 机器上。水在零度以下就结成冰块，如果该机器在北方的冬天工作，那就无法用充水、 放水的方法来调节配重体的质量了。再有往水箱充水、放水都需要一定的时间，如果 该机器速度快、功率大，那这种节能方法就不能达到满意的效果。 机械配重变速为：就是增加变速机构，通过传感器采集负载体的质量和速度，来 确定定质量配重体的速度，使其输出的功率与负载体所需的功率相同或相近瞄】。 1 4 在理想状态下，配重体的功率与负载体的功率相同。 即：p i = p 2 ； p l = m l g v l = m 1 9 2 矗r n ； p 2 = m 2 9 v 2 式2 6 中：m l 一配重有效质量( k g ) ；m 2 一负载质量( k g ) ； v l 一配重体速度( 州s ) ；v 2 一负载体速度( 州s ) ； 广配重体的导向轮半径( m m ) ；n 一电动机转速( r m i n ) 。 由于m l m 2 ，但可以通过变速机构更改配重体速度v l 使p 1 = p 2 。 2 2 4 液压配重变速节能原理 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 液压配重变速一般采用蓄能器作为液压配重瞄】。采用变频控制来实现系统所需的 调速性能和功率适应性，利用液压配重和变量泵马达来实现系统所需的变配重，当负 载体上升时所需要的有效能量由蓄能器提供，下降时负载体的势能又回填给蓄能器； 电动机仅用来提供系统摩擦和效率损失所需的能量。 在理想状态下，配重体的功率与负载体的功率相同。 p l q l = t l 2 t a c o = p a q a 则变量泵马达的排量控制方程为： q a 夺之“尝l 式2 7 、2 8 中：p 广负载压力( n ) ； p a 一蓄能器压力( n ) ； q l 、q l 一分别为主泵马达的流量和排量( n m v m i n ) ； q a 、q a 一分别为变量泵马达的流量、排量( n m v m i n ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第二章输送系统配重节能方法分析 t l 一负载作用在主泵马达上的力矩( n m ) ； t a 一蓄能器油液压力作用在变量泵马达上的力矩( n m ) ； q 一泵马达的角速度( r a d s ) 。 由式2 7 、2 8 可以看出，通过传感器实时检测蓄能器压力p a 和负载压力p l 来调节变 量泵马达的流量和排量，即可实现系统所需的转矩( 功率) 匹配。 用机械配重和液压配重都能节能。机械配重体的质量一般都很大，如果配重体被钢 丝绳牵引着，并频繁地垂直上升或下降，这样一来，该机构则会隐藏着很大的安全隐患， 二来如果负载体上升时的质量每次都远远大于负载体下降时的质量，则负载体上升时所 需要很大的能量，但当负载体下降时，只向电网回充电很少的一部分电，这就造成了能 量的浪费。所以要使该机构能正常运作，必须预存储大量的能量。对于液压配重系统中， 蓄能器只适合于负载体对重的升降机构中，如果对于非对满载升降机构，蓄能器要么释 放的能量多余回收的能量，要么释放的能量小于回收的能量。所以必须给蓄能器填充能 量或者释放能量，才能保证蓄能器正常工作。 为了能达到更好的节能效果，现在用机械配重和液压配重两种配重方案的组合结构。 2 - 3 本章小结： 本章首先介绍了配重节能的思想，并提出配重节能有机械配重和液压配重两种配 重节能方法。接着分析配重节能原理，对势能及重力势能性质及可利用性进行分析。 然后详细地分析了机械配重节能原理和液压配重节能原理，在机械配重节能系统中， 对机械传动机构配重及机械变速机构进行分析讨论，并对电机提出了节能理念及原理； 在液压配重节能系统中，采用蓄能器进行节能配重，并进行分析讨论。提出配重节能 原理和配重节能可行性后，为后期工作打下理论基础。 长安大学硕士学位论文 第三章沥青混合料搅拌楼输送系统节能方案设计 沥青混合料搅拌设备输送系统一般有料斗输送机构和刮板链输送成品料输送机构 两种。本文所涉及的是料斗输送成品料的输送机构。通过增加配重的方法，对西安筑 路机械厂生产的j 4 0 0 0 型集装箱式沥青混合料搅拌设备输送系统进行几种设计方案改 造设计，以达节能的目的。并对其进行比较对比分析，最终确定最佳配重节能方案。 3 1j 4 0 0 0 型集装箱式沥青混合料搅拌设备 3 1 1j 4 0 0 0 简介 j 4 0 0 0 型集装箱式沥青混合料搅拌设备是西安筑路机械厂引进德国 b e n n i n g h o v e n 公司先进技术生产的，具有当代国际先进水平的产品。其特点是采 用集装箱式或模块化结构，无地脚安装，运输快捷、安装方便、结构紧凑、占地面积 小。该产品配有先进的自动控制及监控系统，使设备运行更加准确、可靠。其产品图 如图3 1 所示。 图3 1 1 4 0 0 0 型集装箱式沥青混合料搅拌设备 在该设备中，成品料提升机构包含了料斗及上楼体用楼梯、平台栏杆等。平台栏 杆绕热提盘旋而上，结构紧凑、坚固耐用。驱动系统配置德国减速电机，采用高可靠 性的、高寿命、低噪音的输送链，并带有链条自动张紧装置和防倒转的止逆装置，从 第三章沥青混合料搅拌楼输送系统配重节能方案设计 而保证了 热提安全、可靠、高效率的工作。 料斗输送成品料输送机构支架共分为三段。当料斗上升时，a b 段为加速阶段， b c 为匀速阶段，c d 为减速阶段。当料斗下降时，c d 为加速阶段，b c 为匀速阶段， a b 为减速阶段。如图3 2 所示。不论料斗是上升还是下降，完成一单趟，a b 段所需 时间为3 s ，b c 段所需时间为9 s ，c i ) 段所需时间为3 s 。 3 1 2 功率分析 图3 2 成品料输送机构料斗行走导轨示意图 在j 4 0 0 0 型沥青混合料搅拌设备中，料斗运行过程中，电机只有在料斗盛满成品 料上升时需作功，输出的功率为： p m - 等 式中：t 1 p 一电机工作效率； 旷功率裕度； p 旷电机需提供的功率； p l 一实际需要的功率。 当空料斗下降时，依靠空料斗自重而下降，此时电机没有做功。 p m = 0 空料斗重力势能没有被利用，且电机反作用的发电也没有利用，白白浪费。 一 长安大学硕士学位论文 3 2 方案设计 由前面内容可知，配重节能有机械配重和液压配重两种方法，下面分别介绍两种配 重节能的方案