第６期（总第１８７期） ２０１４年１２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧ１ＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ ＮＯ．６ ＤｅＣ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１４）０６—０２１２—０２ 焦炉捣固机捣固频率优化 刘建斌，贾 亮 （太原重工技术中心，山西 太原０３００２４） 摘要：通过分析捣固焦炉机械中捣固机机械结构的工作特性，建立计算模型，讨论焦炉捣固机的捣固频率合 理区间，提高每根捣固锤单位时间捣固功。 关键词：捣固机；捣固频率；优化 中图分类号：ＴＱ５２０．６１：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ｂ ０ 引言 捣固炼焦是将装炉煤在人炉前采用捣固机械捣实 成略小于炭化室的煤饼，然后推入炭化室内炼焦。煤 饼捣实后的堆密度可由原来散装煤的０．７ ｔ／ｍ。～ ０．７５ ｔ／ｍ。提高到０．９５ ｔ／ｍ。～１．１５ ｔ／ｍ。。生产实践 证明，捣固炼焦相比于常规顶装炼焦，装炉煤配比相同 时焦炭强度提升明显；焦炭强度相同时，采用捣固炼焦 可在装炉煤中减少主焦煤、肥煤的配人量，增加气煤的 配人量。因此捣固炼焦技术既能合理利用煤炭资源， 又能明显降低炼焦配煤成本，为企业带来明显的经济 效益并产生良好的社会效益。 １捣固机的结构和运动分析 就是说当捣固机的其他参数固定时，捣固机的工作频 率与弹性凸半径区域的弧长是相互制约的。 啦！一弹性凸轮；２一锤杆 图１ 弹性凸轮机构和捣固锤锤杆结构 在忽略系统阻力的情况下，捣固锤的每一次捣固可 根据捣固焦炉工艺要求，捣固一块煤饼的时间应该 尽量地缩短，煤饼的捣固密度必须大于１．０ ｔ／ｍ３（干 煤），也就是说要求捣固机在单位时间内做尽量多的功。 目前正在生产和使用的主流捣固机凸轮机构在工 作原理上大致相同，只是凸轮机构的传动布置方式和 些具体结构上略有区别。对其中的弹性凸轮机构和 捣固锤锤杆来说，弹性凸轮机构都是依靠橡胶弹性体 来实现凸轮本身的弹性要求，其他部分都是刚性结构； 捣固锤锤杆都是以工字钢或Ｈ型钢作为本体，两侧粘 接复合摩擦片。弹性凸轮机构和捣固锤锤杆结构如图 一以认为是自由落体运动，捣固锤的重力势能就可以当作 捣固锤对煤饼所做的捣固功。而捣固锤的捣固频率是 与弹性凸轮的转速ｎ相同，故每根捣固锤每分钟所做捣 固功Ｐ应为： Ｐ—ｎＭｇｈ． 其中：Ｍ为单个捣固锤质量；ｇ为重力加速度，取９．８ ｍ／ｓ。；ｈ为捣固锤的提升高度。 在不改变捣固机结构尺寸和其他工作参数时，捣 固锤的提升高度ｈ受弹性凸半径区域的弧长影响 而随之变化。捣固机的工作频率与弹性凸半径区 域的弧长这两个参数增加时都有可能导致捣固锤与煤 饼没有足够的接触时间而不能正常捣固煤饼。所以要 达到优化捣固功的目的，需要在保证捣固锤与煤饼有 足够的接触时间的前提下，探讨高度ｈ和频率 的匹 配规律，寻找最优点。 通过观察分析，在忽略系统阻力的情况下，我们可 以近似地将捣固锤一个工作循环分成以下几个部分： １所示。 目前国内捣固机的提锤高度都在４５０ ｍｍ左右， 而每根捣固锤的捣固频率都在６９次／ｍｉｎ左右。造成 该现象的原因是：捣固机弹性凸半径区域的圆周 半径和弧长固定时，捣固频率不断增大，会出现捣固锤 还没有接触煤饼，就会被弹性凸轮再次夹起，从而无法 对煤饼进行捣固；而当其圆周半径和捣固频率固定时， 该弧长不断增大时，也会造成无法正常捣固的现象，也 收稿日期：２０１４—０４—０１；修回日期：２０１４—０６—２０ ①捣固锤与凸轮接触段，此段又可分为两个小段，一个 是捣固锤与凸轮外缘接触后的加速提升段ｈ ，另一个 是捣固锤加速结束，和凸轮外缘一起匀速上升段ｈ ； ②捣固锤与凸轮外缘分离后的惯性上升段ｈ。；③上升 作者简介：刘建斌（１９７８一），男，陕西三原人，工程师，本科，主要从事大型焦炉设备设计。 ２０１４年第６期 刘建斌，等：焦炉捣固机捣固频率优化 ・ ２１３ ・ 结束后的自由落体运动段ｈ；④捣固锤与煤饼的接触 时间段ｔ ，以便使捣固锤的重力势能有效地传递给煤 饼，有效地对煤饼进行捣实。 ２建立计算模型 预先设定凸半径区域的直径为Ｄ，凸半 径区域的圆弧角度为ａ，凸轮转速为 ，捣固锤质量为 Ｍ，捣固锤提升加速度口等于重力加速度ｇ。此设定 是为了简化理论计算，实际设计计算时，应根据凸轮夹 紧力和摩擦因数来确定实际的提升加速度。利用动力 学公式，就可以推导出如下参数。 捣固锤加速提升时间ｔ 为： ｔ１一旦． ６ ０ ａ￣６ｎ ６０ｇ＋√ ’＾√１ 。８０ｇ ． ‘ … （１３） 把式（９）和式（１３）进行分解计算后，就可以得出捣 固锤的提升高度ｈ与凸轮转速的关系。通过实际的演 算发现这会是一个高阶代数式，用纸笔进行演算难度 太大，所以尝试使用ＭＡＴＬＡＢ软件进行模拟演算。 结合单个捣固锤每分钟所做功Ｐ—Ｍｇｈｎ，通过 ＭＡＴＬＡＢ软件计算就可以得出每根捣固锤每分钟所做 捣固功Ｐ和捣固频率 的关系式（此处略去ＭＡＴＬＡＢ 计算过程）。 为方便ＭＡＴＬＡＢ操作，设Ｍ一４８０ ｋｇ、提锤加速 度ａ＝ｇ一９．８ ｍ／ｓ 、Ｄ一０．４４ ｒｎ，ｔ 一０．２５ Ｓ。由 ｇ （１） 其中： 为捣固锤匀速提升速度，等于凸轮最大圆弧处 的线速度。 ＭＡＴＬＡＢ得到的Ｐ—ａ一 关系曲线和 —Ｐ曲线如 图２、图３所示。 １６× １４× ｌ２× １０× ８× ６Ｘ ４Ｘ ２× — 一６０Ｉｎ＝＝＝ 百一 一 ．。 （ｚ （２） 其中：ｔ。为单次捣固循环时间。 捣固锤加速提升高度ｈ 为： ｈｌ一 ． （３） 一Ｉ－ｕ１Ⅲ－ 一 ＾●●●●● ｝｝｝ｌ ２５０ 捣固锤匀速上升时间ｔ 为： ￡２＝ ２ 一旦一 。 ． ４４３３３３３３３３ 图２ Ｐ～口一”关系图 １Ｏ９８７６５４３２ （４） 捣固锤匀速上升高度ｈ。为： ＯＯＯＯＯＯＯＯＯ０ 由图２、图３可知，Ｐ有最大值为１．４１×１Ｏ Ｊ／ ｍｉｎ，此时提锤高度为０．６５１ ３ ｍ。 －●－ ×××××××××× １■１１ｌ１ｌｌ１１ｌ ～ｚ— （蠡 一詈）． 捣固锤惯性上升时间ｔ。为： ｔ３一旦． （５） （６） ｂＵ ５６ ｇ 捣固锤惯性上升高度ｈ。为： ｈ３一 ． （７） 石Ｚ ４８ ４４ ４Ｏ ・Ｉ－－－－－ 一目／（ｒ・ｍｉｎ一 ） 图３ ｎ—Ｐ曲线图（ｎ取值４Ｏ～６０） 捣固锤总提升高度ｈ为： ｈ＝ｈｌ＋ｈ２ ｓ一 ． （８） ３结论 将式（２）代入式（８）得： ｂ一—ｎ２，２Ｄ２＋ｎｎＤｌＯａｇ－－ｎ２ｎＤ一 —十百——— ——十 ７ 型００￣：．‘ ２（９） … 捣固锤从最高点落到煤饼表面的时间ｔ为： 一√警． ㈣ （１１） 单次捣固循环时间ｔ。为： ｔ 一 ．ｎ一一 设定锤头捣固时与煤饼接触时间为ｔ ，这个时间 在实际计算时应考虑捣固锤与导向机构的摩擦影响， 并保证有足够捣固循环时间，所以： ｔ０一ｔ１＋ｔ２十ｔ３＋ｔ ． （１２） 整理得： 捣固机捣固频率和提锤高度的优化，归根结底在 于捣固机机械结构的优化，通过调整凸半径圆弧 长度，实现提锤高度ｈ和捣固频率 的合理匹配，提高 单根捣固锤的单位时间捣固功。本文计算所得最优点 与实际并不相符，有３点原因：①计算时没有考虑捣固 锤与捣固机中导向装置接触产生的摩擦阻力；②捣固 锤与凸轮接触后的加速度不会是标准的匀速加速度， 即使是匀速加速度，也需要根据压紧力和摩擦因数等 条件计算真实的加速度；③捣固锤与煤饼的接触时间， 其实是需要大量的试验来确定最优时间，设定短了不能 有效捣固，长了又会影响整体工作效率。但从目前国内 生产的捣固机参数结合本文分析结果来看，利用加大凸 轮圆弧弧长并减小捣固频率的办法来提高捣固频率在 ６９次／ｒａｉｎ左右的单位时间捣固功是可行的。在实际的 设计和制造中应该进行大量的试验并结合捣固机的特 性进行合理优化，最终生产出性能优良的捣固机。 （参考文献和英文摘要转第２１５页） ２０１４年第６期 机械工程与自动化 ・ ２１５ ・ 需要建立挖掘机的各种ＥＰＬＡＮ标准化文件，主要包 括图框、符号、表格、部件库、字典５个部分。 （１）在原有ＡＵＴ０ＣＡＤ图框的基础上，按照相关 图框标准，创建挖掘机的图框，图框能够自动采集项目 的相关信息，避免旧有ＡＵＴＯＣＡＤ平台下的重复劳 动及更改的繁琐。 （２）在ＩＥＣ符号库的基础上，创建挖掘机的符号 库，增加标准符号库中没有的挖掘机所需符号。 （３）创建挖掘机所需的表格，主要包括：结构标识 符总览、部件列表、电缆图表、端子排列图、屏内元件连 （３）根据工艺和用户要求绘制电气原理图，包括 端子和电缆定义线的绘制。 （４）通过部件库对原理图所有电气元件和电缆进 行智能选型或指定选型。 （５）通过２Ｄ安装板布局导航器绘制安装板布置 图，直接从导航器中将元件拖到安装板即可。 （６）利用报表模板，自动生成挖掘机项目报表，包 括结构标识符总揽、部件汇总表、部件列表、连接列表、 端子￣ＩＩＥＮ图、电缆图表等。 （７）挖掘机施工图是在机械布置图的基础上完成 接列表、部件汇总表等，表格的创建为自动生成报表提 的，因此施工图还是采用ＡＵＴｏＣＡＤ设计。 供基础。 （８）挖掘机图纸设计完成后，可将项目进行备份、 （４）创建挖掘机的部件库，我们吸收了西门子、施 打印，也可将ＥＰＬＡＮ图纸转换成ＰＤＦ图纸。 耐得、ＡＢＢ、菲尼克斯、ｗＡＧ０等厂商提供的部件库， 在设计时，可将ＡＵＴＯＣＡＤ图纸导人到ＥＰＬＡＮ 并且在部件库中新建了一些电气元件。 项目中，也可将ＥＰＬＡＮ图纸导出为ＡＵＴ０ＣＡＤ图 （５）ＥＰＬＡＮ通过字典能够自动翻译项目文本和 纸；ＥＰＬＡＮ可以在原理图和ＥＸＣＥＬ文件之间导入导 部件文本。 出，方便创建和修改，实现项目各种信息的快速编辑。 这些标准化文件创建完成之后，即可应用于ｗＫ ３ 结束语 系列各类型挖掘机。 虽然我们在设计挖掘机第一套ＥＰＬＡＮ图纸时任 ２．２ ＥＰＬＡＮ电气图纸的设计 务比较重，需要创建各种标准化文件，而且ＥＰＬＡＮ设 矿用挖掘机电气图纸的组成包括封页、电气原理 计中注重细节，原理图的设计必须做到精细，但正是 图、电气设备表、电缆图表、施工图。矿用挖掘机 这些提高了电气图纸的设计质量和设计的自动化水 ＥＰＬＡＮ电气图纸设计的流程如下： 平。在此基础上，对今后的设计修改非常方便，设计效 （１）在挖掘机电气图纸具体设计之前，先分析项 率明显提升，而且设计出的矿用挖掘机电气图纸更加 目基本情况，对以往设计过的各种类型的挖掘机进行 符合国际标准。 分析讨论，确定挖掘机项目模板。 参考文献： （２）制定挖掘机的项目结构，包括高层代号、位置 ［１３杨芳蓉．ＥＰＬＡＮ２１在港机电控系统的应用［Ｊ］．软件， 代号、用户自定义及图号等；利用挖掘机项目模板创建 ２００６（８）：５８—５９． 给定某些设置的挖掘机ＥＰＬＡＮ项目。 ［２］谢小燕．ＥＰＬＡＮ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐ８应用在物流电控设计中的优 势Ｉ－Ｊ］．物流技术与应用，２０１３（５）：１１０—１１２． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＥＰＬＡＮ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｒｏｐｅ Ｓｈｏｖｅｌ ＰＡＮ Ｌ．卜ｚｈｅｎ （Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＣＡＤ ａｎｄ ＥＰＬＡＮ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＥＰＬＡＮ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｒａｗｉｎｇ．Ｉｔ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ＥＰＬＡＮ ｔｏ ｄｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｒｏｐｅ ｓｈｏｖｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ ｒｏｐｅ ｓｈｏｖｅｌ；ＥＰＬＡＮ；ＥＰＬＡＮ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｄａｔａ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｒａｗｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ （上接第２１３页） 工业出版社，２０１０． 参考文献： ［３］刘建斌，吴刚．浅谈焦炉捣固机使用效率提升方法［Ｊ］．机 Ｉ－１］苏宜春．炼焦工艺学［Ｍ］．ｊＥ京：冶金工业出版社，２００３． 械工程与自动化，２０１３（１）：１９８—１９９． ［２］ 于振东，郑文华．现代焦化生产技术手册［Ｍ］．北京：冶金 Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ Ｃｏｋｅ Ｏｙｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ （Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｅｒ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｈａｍｍｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｍｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｓｔａｍｐｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
