罐式煅燒爐排料機構傳動性能仿真與研究

李 猛， 劉 明

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

罐式煅燒爐排料機構傳動性能仿真與研究

李 猛， 劉 明

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

敘述了排料機構的基本原理，建立了改進前后的方案A和方案B的三維模型，運用SolidWorks運動算例的多體動力學分析計算出減速機輸出轉矩、棘輪轉速和偏心輪接觸應力，綜合比較后得到方案A和方案B的動態性能接近。方案B的結構形式能降低約30%的驅動功率，降低能耗，同時也提高了電機的使用壽命。

罐式煅燒爐；排料機構；方案比選；多體動力學仿真

0 引 言

石油焦需要經過煅燒才能用于碳素制品中，煅燒后的石油焦的質量直接關系到碳素制品的質量。現在常用的煅燒設備主要就是回轉窯和罐式煅燒爐，其中罐式煅燒爐的優點是煅后焦真密度高，燒損小[1]。因此，近年來罐式煅燒爐在鋁行業有再度興起的趨勢。排料機構作為罐式煅燒爐底部排料的關鍵部位，影響著整個罐式煅燒爐的正常工作，排料機構的結構形式和傳動系統的選擇對整個系統的穩定性和節能降耗都有影響。常見罐式煅燒爐有20罐、24罐、32罐、36罐、40罐、52罐、56罐……，還有繼續增加的趨勢。現有的罐式爐結構，罐數增加意味著排料機構電機功率要加大。如果能夠在傳動結構上進行優化改進，降低電機功率，可對企業的節能降耗起到重要的作用。目前對罐式煅燒爐的研究主要集中在連續自動排料控制系統[2，3]和煅燒后石油焦質量因素的分析上[4，5]，而對排料機構的運動性能分析及傳動系統的結構優化方面很少有相關研究。

1 排料機構原理

排料機構是罐式煅燒爐最底下的關鍵設備，且是最復雜的設備。通過調節排料量的大小來控制物料在罐式煅燒爐里煅燒的時間。排料機構是集偏心輪往復運動機構、曲柄滑塊機構、棘輪間歇機構、給料機構、料斗等的復雜組合，見圖1。排料機構采用兩臺變頻電機兩側獨立驅動。偏心輪、拉桿及水平拉板構成無偏心的曲柄滑塊機構，實現了往復運動，給棘輪棘爪的往復運動提供動力。棘輪機構直接帶動星型給料器運轉，形成了間歇式排料。根據工藝流程的需要，通過調整變頻器的頻率來調整排料的頻率。排料機構的星形給料機構的上部與罐式爐的下部法蘭緊密相連使其連接處不能漏風，下部有料斗，料斗下部有輸送機，輸送機將物料帶到料倉中。

1:偏心輪；2:拉桿；3:給料器；4:棘輪棘爪；5:料斗

2 排料機構三維模型

該文以32罐為例建立排料機構三維模型，兩種方案進行比較。方案A為現有工程中普遍在用設備，見圖2、圖3；方案B為改進后的設備，見圖4、圖5。

方案A：1臺電機驅動16罐排料，當電機轉動0°～-180°時16罐同時排料，當電機轉動180°～360°時空行程，見圖2。圖3為相鄰兩罐局部放大圖。

圖2 方案A模型圖

圖3 方案A局部視圖

方案B：1臺電機也是驅動16罐排料，但是當電機轉動0°～180°時間隔的8罐同時排料，180°～360°剩余的8罐同時排料，見圖4。圖5為相鄰兩罐局部放大圖，圖中相鄰的兩罐是間隔式的排料。但是從宏觀上看，在整個電機轉動1圈(對于拉桿也即是往復1次)是連續排料的，此過程稱為往復均衡連續排料。

3 排料機構動態性能仿真

由于相鄰兩罐排料方式改變，驅動的結構尺寸也發生改變，因此應對兩種方案的傳動性能進行比較。考慮到排料機構排料罐數較多，系統復雜，同時也考慮到每一罐排料的相同性，因此，簡化計算，取單罐排料作為分析對象，簡化后的運動模型見圖6、圖7。

圖4 方案B 模型圖

圖5 方案B局部視圖

圖6 方案A單罐運動仿真模型

圖7 方案B單罐運動仿真模型

進行多體動力學仿真后得到減速機輸出轉矩圖、棘輪轉速圖和偏心輪接觸應力，分別見圖8、圖9、圖10。從圖中可知兩種方案的轉矩、轉速和接觸力受力相差不大，僅有圖8中A方案數值偏大點，但是均值差別不大。由此可見新方案(方案B)可行。

最后按照圖3、圖5局部視圖建立一組模型進行動態仿真后得到方案A和方案B的減速機扭矩圖和方案比較表，見圖11和表1。結合圖11和表1中可知，方案A的最大扭矩和最小扭矩之間波動較大，然而方案B的波動較小。因此，兩方案中相應構件的疲勞壽命，方案B最長。雖然兩方案的扭矩平均值接近，但是電機的選擇應考慮最大負載扭矩，方案A的電機最大扭矩遠大于方案B。方案B相對于方案A最大扭矩下降比為0.69，即意味著電機的功率下降了0.69。

圖8 減速機輸出轉矩圖

圖9 棘輪轉速圖

圖10 偏心輪接觸應力

圖11 一組罐式爐排料時減速機的力矩圖

表1 方案比較表

4 結 語

1)對兩個方案進行多體動力學仿真分析后得到棘輪轉速圖和偏心輪接觸應力圖。圖中棘輪的轉速差別不大，意味著這兩種方案排料速度是接近的；偏心輪接觸應力接近意味著隨著傳動系統機構的更改，并沒有使得偏心輪的受力變得更加惡劣。

2)結構的改進，在保證了棘輪轉速和偏心輪接觸基本不變的情況下，將電機功率下降到原來的69.6%，起到節能降耗的作用。

3)采用這種爐間間隔排料的方式另一個優點就是使得爐溫不會突降，對于整個系統的穩定有一定的保障。

[1] 王敏，毛斌.罐式爐煅燒生產中常見問題的分析與研究[J].輕金屬，2015(2)：34-36.

[2] 劉冬梅，祝存.自動化控制在罐式煅燒爐原料及上排料的應用[J].碳素 2010(2)：47-49.

[3] 邢光.碳素煅燒爐連續排料自動控制系統[J].世界儀表與自動化， 2004(2)：40-41.

[4] 張志，孫毅，周善紅.提高罐式煅燒爐產品質量的方法淺析[J].碳素技術，2011(6)：60-62.

[5] 李浩，王曉敏，楊凱長.罐式煅燒爐煅后焦質量的影響因素及改進措施[J].輕金屬，2011(3)：43-46.

[6] 周曉，馬秋成，張躍春，等.大功率自動同步離合器棘輪棘爪碰撞過程仿真分析[J].機械科學與技術，2015，34(6)：836-839.

[7] 冀相安，馬永明，桂文彬，等.一種同步離合器棘輪棘爪機構棘合過程的仿真分析[J].船舶工程，2005，27(4)：41-44.

Simulation and Study on Transmission Performance of Discharging System of Tank Calciner

LI Meng, LIU Ming

(Guiyang Aluminum Magnesium Design and Research Institute Co. Ltd., Guiyang 550081,China)

The basic principle of the discharging system was described. Three-dimensional models of plan A and B were established before and after improvement. Reducer output torque, a ratchet wheel speed and eccentric wheel contact force were calculated based on multi-body dynamics analysis of SolidWorks motion simulation. After a comprehensive comparison it showed that the dynamic performance of the plan A is close to that of plan B. The structural style of plant B achieved about 30 percent reduction in driving power and energy consumption , and the service life of the motor was improved.

tank calciner；discharging system；scheme comparison; multi-body dynamics simulation

2016-01-04.

李猛(1974-)，男，貴州人，高級工程師.主要研究方向：冶金機械設計.

TF806.1

B

1004-2660(2016)01-0051-06