6.25?m搗固型焦爐設備結構計算及優化改進

王鵬

[摘? ? 要]6.25 m搗固型焦爐是現階段國內焦化企業常用的一種搗固型焦爐，其組成裝置包括搗固機、攔焦車、推焦車、液壓交換機等。為了響應節能減排號召和滿足環境保護要求，需要對現行的6.25 m搗固型焦爐設備進行優化改進，達到節能提效的目的。文章以某焦化廠6.25 m搗固型焦爐設備為例，首先，介紹設備的基本組成以及各部分的主要參數;其次，選擇攔焦車、煤槽側壁支架、裝煤車搗固煤箱3部分，簡要概述了優化改進的內容。最后，基于推焦桿的機械疲勞問題，在分析機械振動原因的基礎上，提出了相應的減震措施，為延長推焦桿的使用壽命、改良焦爐設備性能提供了一定的幫助。

[關鍵詞]6.25 m搗固型焦爐設備;攔焦車;推焦桿;機械疲勞

[中圖分類號]TQ520.5 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–03

6.25 m Tamping Type Coke Oven Equipment Structure

Calculation and Optimization Improvement

Wang Peng

[Abstract]The 6.25 m tamping coke oven is a kind of tamping coke oven commonly used by domestic coking companies at this stage. Its components include a tamping machine， a coke blocking car， a coke pushing car， and a hydraulic switch. In order to respond to the call for energy saving and emission reduction and meet the requirements of environmental protection， it is necessary to optimize and improve the existing 6.25 m tamping coke oven equipment to achieve the purpose of energy saving and efficiency improvement. This article takes the 6.25 m tamping coke oven equipment of a coking plant as an example. First， it introduces the basic composition of the equipment and the main parameters of each part; then selects the coke car， the sidewall support of the coal trough， and the coal loading car to tamping the coal box 3 Section， a brief overview of the optimization and improvement content. Finally， based on the mechanical fatigue problem of the coke pushing rod， and on the basis of analyzing the reasons of mechanical vibration， corresponding shock absorption measures are proposed， which provide certain help for extending the service life of the coke pushing rod and improving the performance of the coke oven equipment.

[Keywords]6.25 m tamping coke oven equipment; coke block car; coke pushing rod; mechanical fatigue

1 6.25 m搗固型焦爐設備結構組成與參數

某焦化廠使用的6.25 m搗固型焦爐設備主要有攔焦車、裝煤車、推焦車、熄焦車等組成。

（1）攔焦車位于焦爐操作臺一側的軌道上，主要功能為在推焦時用導焦柵將紅焦炭導入熄焦車內，同時把出焦煙塵導入集塵干管。4臺走行電機的功率均為30 kW，最大走行速度可達60 m/min;走行車輪直徑為710 mm，共14個，每個車輪可承受最大壓力320 kN;導焦運行周期設定為10 min;設有2臺輔助除塵風機，功率為37 kW。

（2）裝煤車的位置在焦爐機一側，在裝煤車運行過程中，煤塔內的洗精煤在搖動給料機的作用下，從煤塔下方的落料口掉入裝煤車的煤槽中。同時，經過搗固機的處理，形成的煤餅通過運煤車進入焦爐內。裝煤車還具有自動收集余煤和煙塵的功能，裝煤時灑落的煤料、輔助消除裝煤時產生的煙塵，都能由裝煤車收集起來，創造良好的作業環境。整車行走速度7.5～75 m/min，單輪最大承壓600 kN;有2臺液壓油泵，另外配備容積為4 m3的余煤回收裝置。

（3）推焦車通過安裝在焦爐機一側的軌道定向行駛，基本流程為：先打開爐門，將爐內碳化室里的紅焦推出;然后關閉爐門，并對爐門外側、爐框進行清理。

（4）熄焦車和電機車為配套使用，電機車提供的電力驅動氣缸做功，將電能轉化為機械能，然后控制熄焦車開門機構的開、閉。熄焦車內的紅焦溫度可以達到1 000 ℃以上，在電機功能與牽引下，將熄焦車送入熄焦塔內，從塔的上方噴水熄焦。當焦炭完全冷卻之后，再由熄焦車將其運送至焦臺，將冷焦卸下。

2 6.25 m搗固型焦爐設備的優化改進

2.1 攔焦車運行機構的計算

攔焦車在運行期間所受阻力主要有3部分，即靜阻力（如車輪軸承內摩擦力、輪緣與軌道側面的摩擦力），啟動時的慣性阻力、風載荷阻力。具體計算方法為：

（1）靜阻力的計算。靜阻力（Wj）與車體自重（Gn）和靜阻力系數（ω）有關，存在以下關系：

（1）

結合設備資料可知，車體重量為290 t，重力加速度取9.81 m/s2，靜阻力系數可通過以下公式求出：

（2）

式中：μ為軸承摩擦系數，取0.015;d為軸承內徑，取190 mm，f為車輪在軌道上滑動時的摩擦力臂，取0.05;D為車輪踏面直徑，為710 mm;C為附加摩擦阻力系數，取1.35。根據上述已知量，可求ω=0.0056，將其帶入式（1）中，可得攔焦車運行時的靜阻力為：

Wj=Gn×g×ω=290×9.81×0.0056≈15.93 kN （3）

（2）啟動慣性阻力的計算。啟動慣性阻力（Wa）主要與啟動時的加速度（α）、車體重量（Gn），以及旋轉件的慣性阻力（K）這3個因素有關，并且存在以下關系：

Wa=k×Gn×α （4）

式（4）中，啟動加速度取平均值，為0.16 m/s2，旋轉件的慣性阻力為1.2，則Wa=1.2×290×0.16=55.68 kN。

（3）風載荷阻力的計算。風載荷阻力（Wf）與風力系數（C）、迎風面積（A）、風壓高度系數（F）等因素有關，并且存在以下關系：

（5）

式（5）中，風力系數取1.1;風壓取90 N/m2，風壓高度系數取標準值1，迎風面積為64 m2，則上式計算結果為6.912 kN。

為了克服阻力使攔焦車正常運行，必須要提供足夠大的功率。攔焦車的電機功率（P）可通過下式計算得出：

（6）

式中：Kh為海拔高度系數，該企業所在地區海拔不足1 000 m，故Kh取1;Kt為溫度系數，取1.12;λcp為電機的啟動力矩倍數，取2;Zm為驅動裝置的數量，為4;Pj、Pa和Pf分別代表靜阻力下的功率、慣性阻力下的功率和風阻力下的功率，可分別由以下公式計算得出：

（7）

（8）

（9）

根據上述已知量，要想克服攔焦車的運行阻力，電機總功率P必須要達到10.88 kW。而該廠的6.25 m搗固型焦爐設備中所用電機的額定功率為22 kW，完全能夠滿足攔焦車的運行要求。

2.2 煤槽側壁支架結構優化設計

為提升煤槽的牢固性，在兩側分別使用鋼架結構進行加固。每側共有9個側板支架。每個支架均采用傾斜的鋼結構。但是在實際輸送煤時，受到搗固機的影響，經常會出現“漲箱”的問題。因此，需要通過優化設計，進一步提高煤槽側板的強度，防止出現因煤餅頻繁搗固而發生煤槽側壁向外鼓起、位移的情形。設計思路是在原來的傾斜鋼結構基礎上，從靠近煤槽側壁的一側加裝有一定弧度的箱型斜撐梁。通過有限元分析，結構改良之后的煤槽側壁支架結構，抗位移能力是改良前的3倍，從而有效解決了搗固煤餅時側壁受到擠壓力向外突出的問題。

2.3 裝煤車搗固煤箱的結構優化

搗固煤箱與搗固機聯合作業，利用重錘不斷夯擊、振搗，使煤粉變成固定形狀并且具有一定硬度的煤餅。從組成結構上看，搗固煤箱結構主要有3部分，即側壁及底部鋼板，用于加固結構的受力支撐以及用于連接鋼板的槽鋼。整體為長方體形狀，箱體尺寸成為決定煤餅成型效果和搗固能耗的關鍵因素。因此，為了以較低的搗固能耗獲得符合要求的煤餅，必須對裝煤車的搗固煤箱進行尺寸優化設計。其基本方法如下。

（1）運行Abaqus軟件，在“新建”選項中根據現有的煤箱尺寸，建立三維模型。此時煤箱的側壁鋼板尺寸參數為14 500 mm×5 415 mm×20 mm;材料為熱軋輕型20號工字鋼，熱軋普型20號a鋼、20號b鋼，材料實際尺寸見表1。

（2）設計變量。將材料厚度作為變量。從“設置”選項中，調出“尺寸”面板，按照表1給出數據分別填入，點擊確定。用數值1、2、3代表20號工字鋼、20號a鋼和20號b鋼。則得到左側尺寸L1、L2、L3，右側尺寸R1、R2、R3，以及側壁壁厚T共計7個設計變量。參數設計見表2。

在此基礎上定義目標函數，即煤箱質量最小化。在Optisruct模塊中，新建2個Load collect函數，并且分別定義約束、載荷。其中，約束類型設置為Spc，載荷類型設置為Pressure。利用Optisruct進行求解，計算得到最優尺寸。按照計算所得結果，使用應力云圖進行分析，對比優化前后應力云圖中的最大應力值。根據應力云圖顯示結果，優化后煤箱最大應力為52.54 MPa，而約束條件為55 MPa，最大應力小于約束條件，故此次優化設計可行。

3 推焦桿機械疲勞可靠性分析優化

3.1 推焦設備振動原因分析

推焦桿是推焦車的核心部件，在推焦過程中由于受到頻繁、強烈的振動，推焦桿容易出現接頭開裂、桿體變形等問題，繼而導致推力不足，無法正常完成推焦，使得整個焦爐設備的運行效率下降。因此，需要對推焦桿進行優化改進。推焦桿的振動破壞主要來源于推焦時的共振現象，由此引起振動疲勞。引起共振的原因包括：①齒輪與齒條嚙合時，因為齒輪彈性變形導致齒輪基節誤差，改變了原來的嚙合頻率，在周期性運轉中引起共振。②齒輪、齒條中心距不很恒定，尤其是使用年限較長的推焦設備，齒輪發生磨損的情況較為常見，這種情況下因為齒輪各處磨損程度不一致，由此產生嚙合振動。

3.2 推焦桿減振措施

在明確了推焦桿振動引起機械疲勞的原因后，可嘗試采取減振措施予以優化。其措施之一是檢查并調整驅動齒輪和推焦桿齒條之間的間隙，保證間隙控制在1.2～1.5 mm。因為間隙過小則容易發生“咬齒”情況，間隙過大則會導致產生較大的沖擊力;所以合理的間隙對解決振動疲勞問題和提高設備運行穩定性有積極幫助。措施之二是及時更換磨損的齒輪，或者將一對相同類型的齒輪分別布置在推焦桿的上、下方，保持對稱。并且兩個齒輪由同一臺電機驅動，這樣就始終保持齒輪齒條中心距恒定，也是一種減小振動的有效方法。

4 結束語

6.25 m搗固型焦爐備在使用時，通過合理設置攔焦車電機功率，能夠在滿足攔焦車運行需求的基礎上，節約能源消耗。同時，對焦爐設備的煤槽側壁支架和裝煤車搗固煤箱進行優化，以及采取措施降低推焦設備的機械疲勞，這些改進措施的應用都能夠達到節本增效的效果，符合焦化廠節能減排、綠色發展的理念，具有較強的實用價值。

參考文獻

[1] 程世平.攔焦車導焦柵移動機構的設計與優化[J].機械管理開發，2018（10）：19-21.

[2] 李光輝，馬俊生.7.3 m焦爐新型保護板結構優化及應用[J].山東冶金，2019，41（4）：67，69.