朱冰偉(廊坊德基機械科技股份有限公司,河北廊坊　065600)

成品倉放料門氣缸選型的理論分析

朱冰偉
(廊坊德基機械科技股份有限公司,河北廊坊065600)

針對瀝青拌和站的成品料倉門氣缸選型的問題,以某瀝青混合料生產(chǎn)設(shè)備的成品料倉為例,從倉門形狀、受力關(guān)系、氣缸運行速度與開合時間之間的關(guān)系等方面對成品料倉放料門進行了理論分析和計算,得出了倉門的合理形狀與氣缸選型的依據(jù),可為同類設(shè)計提供參考.

成品料倉門;氣缸選型;開合時間;理論計算

0　引　言

氣缸在瀝青拌和站中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,其選擇是否合理,直接影響著整套設(shè)備的運行.若選擇缸徑過小,則輸出力不夠,氣缸不能正常工作;若缸徑過大,不僅使設(shè)備笨重、成本高,同時耗氣量會增大,造成能源浪費.一般情況下,瀝青混合料拌和站常處于全天不間斷的工作狀態(tài)[1-4],如果某一個氣缸出現(xiàn)故障,將直接影響整臺瀝青拌和站的生產(chǎn),造成經(jīng)濟損失.因此,本文通過對成品倉氣缸選型的分析,提出選擇氣缸的理論依據(jù).

1　成品倉放料門受力分析

1.1受力分析

選則氣缸時,首先要計算出需要的作用力.開關(guān)放料門的力與其本身結(jié)構(gòu)和所受外力有關(guān),后者屬于局部壓力,并取決于物料的物理特性、料倉形狀的尺寸、剛度以及料倉的操作方式等因素.對于水平的放料門,考慮到物料顆粒內(nèi)部的摩擦力和粘著力產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ會抵消部分物料重力,使其上的壓力要比流體靜壓力小得多,尤其是對未全部卸空的料倉.成品倉水平料倉門的受力模型如圖1所示.

作用于水平放料門上的平均壓強可用下式近似計算[5]式中:RH為放料口的水力半徑(m);ρ為物料的容積密度(kg·m－3);g為重力加速度(m·s－2);k0為考慮料倉操作特點的系數(shù),對于整個工作中全部卸空的料倉,取k0＝1;對于每開啟一次并非都是全部卸空的料倉,取k0＝1.5;對于每開啟一次便全部卸空的料倉,取k0＝2.

圖1　成品倉水平料倉門受力模型

作用于傾斜和垂直閘門上的壓強,可近似按下式計算[5]

式中:β為倉門對水平面的傾斜角;λ為側(cè)壓系數(shù),λ＝0.18/μ,μ為物料的內(nèi)摩擦系數(shù).

則作用于放料門的壓力為

式中:A為料倉卸料口的面積(m2).

CP120成品倉的放料門為水平方向,則瀝青混合料與倉門間的摩擦力為

式中:μ0為瀝青混合料與成品倉倉門間的摩擦系數(shù).

1.2倉門形狀的選取

由計算可知,摩擦力f越小就越有利于倉門的開合.想使f減小,則要求壓強p或者卸料口面積A減小,但由于在卸料時,需要保證規(guī)定時間內(nèi)的卸料量,因此卸料口面積A不能變,所以需要減小壓強p.由式(1)可知,在k0、ρ和g不變的情況下,只能減小RH,由RH＝A/L(L為卸料口的周長)可知,由于卸料口面積A不變,只能增大卸料口的周長L.

CP120成品倉放料門的形狀為長方形,邊長分別為a和b,由A＝ab和L＝2 a＋b()可得

取A＝1,由式5可得周長L的變化規(guī)律如圖2所示.

圖2　L變化規(guī)律

由圖2可知,a值越大或者越小,周長L會越大,因此CP120成品長方形倉放料門的一邊長盡可能取較大的值.在保證放料門面積的情況下,一邊長a越大,RH會越小,壓強p也會越小,則打開放料門所需要的力也就越小,也就越有利于氣缸的選型.

2　成品倉放料門氣缸的選型

氣缸的理論輸出力是在最理想狀態(tài)下的輸出力,但實際中會因為摩擦、氣壓等有損失.所以實際輸出力要小于理論輸出力.一般設(shè)計時都按照理論輸出力的50%～70%來選型.

氣缸最主要的數(shù)據(jù)是缸徑和行程,氣缸的輸出力主要與活塞的受力面積有關(guān),而氣缸的受力面積則取決于氣缸的缸徑.一般來說,氣缸的缸徑和行程成一定比例,行程越長,缸徑也會隨之變大.

根據(jù)需要的輸出力換算出氣缸的活塞面積S,由F0＝np S可得

式中:F0為氣缸所需要的輸出力(N);P為系統(tǒng)壓力(Pa);S為活塞面積(m2);n為安全系數(shù),一般氣缸水平使用取0.7,垂直使用取0.5.

計算出氣缸的活塞面積后,再根據(jù)S＝πD2/4計算出氣缸的缸徑D.為了安全考慮,在計算出缸徑后,都會選擇比計算值大一級別的缸徑.

氣缸的行程可根據(jù)料倉門完全打開所需要的行程來預(yù)選,為了安裝調(diào)試,對預(yù)選的行程要留有余量,一般使用滿行程或者根據(jù)實際情況選擇合適的行程,這樣可保證供貨速度,降低成本.

3　實例計算

3.1氣缸選型的計算

以德基CP120成品倉為實例進行計算,過程如下.

CP120成品倉的倉門為水平倉門,倉口為長方形,尺寸為400 mm×850 mm,卸料時成品倉并非全部卸空,所以k0＝1.5;一般情況下,瀝青混合料的密度ρ為1 800～2 200 kg·m－3,在計算時取最大值2 200 kg·m－3;經(jīng)過多篇文獻的相互驗證,普通鋼板與混凝土的摩擦系數(shù)大致為0.6,因此取瀝青混合料與倉們的摩擦系數(shù)μ0＝0.6.由式(1)可得

由式(3)、(4)得

則打開料倉門所需要的力最大為F0＝f＝5 024.55 N

CP120成品倉的倉門為水平倉門,故取n＝0.7,系統(tǒng)壓力為0.8 MPa和1 MPa時,分別由式(5)得

D1＝107 mm,D2＝96 mm

從氣缸列表中選出標準缸徑的氣缸為125 mm.一般情況下活塞與推桿的直徑之比d/D為0.2～0.3[6],則氣缸推桿的直徑選取范圍為25～40 mm.

CP120成品倉的倉門完全打開至少需要移動400 mm,而選擇氣缸的行程應(yīng)大于400 mm,所以選取標準行程L＝500 mm.

在上述計算中,各系數(shù)選取均偏向安全,因此計算出的缸徑能完全滿足要求.

3.2氣缸的運行速度分析

對選出的氣缸需要進一步進行運行速度分析,以此來驗證成品倉開合門是否能達到工作狀態(tài)下所要求的時間.

由于空氣具有可壓縮性,而且氣缸運動受很多因素影響,導(dǎo)致氣缸的運動特性很復(fù)雜,是一個復(fù)雜的非線性運動,因此難以建立準確的數(shù)學(xué)模型,并進行理論分析.為了便于分析計算,作以下假設(shè).

(1)設(shè)定工作時的氣源為理想氣體,符合理想氣體特性.

(2)假設(shè)氣源的供氣能保證氣缸進氣腔的壓力恒定.

(3)假設(shè)氣缸的進氣和排氣是一個等熵過程,即氣體與外界熱交換可以忽略.

CP120成品倉倉門開合是直線運動,則成品倉倉門的氣動工作模型如圖3所示.

圖3　氣缸工作系統(tǒng)模型

當(dāng)電磁閥換向后,壓縮氣體進入A腔,A腔壓力上升,同時B腔氣體排出,B腔壓力下降,當(dāng)活塞兩側(cè)的壓力差大于負載時,氣缸活塞桿推動負載動作.在實際工作中,受各種因素影響,氣缸中壓縮空氣產(chǎn)生的壓力能不可能完全轉(zhuǎn)化成負載的動能.一般情況下氣缸的效率值在0.7～0.95之間[7].氣缸動作速度和成品倉倉門的開合時間計算過程如下.

在成品倉倉門完全打開過程中A腔氣體推動活塞所做的功為

B腔氣體阻礙活塞運功所做的功為

式中:p1為氣缸A腔內(nèi)氣體壓力即氣源供給力(Pa);p0為標準大氣壓(Pa);L為氣缸行程(m); S1、S2分別為氣缸活塞兩側(cè)的面積(m2).

在成品倉倉門開合的過程中,倉門所受的壓力是不斷變化的,準確計算很困難.為了便于分析計算,把打開倉門時所受的摩擦力轉(zhuǎn)換為恒定的質(zhì)量塊,即設(shè)倉門受到的摩擦力F＝mg,再由公式(4)可得,f＝mgμ即得出

根據(jù)功能守恒定律得

式中:η為氣缸的工作效率;v為氣缸運行的最大速度(m·s－1).

由式(7)可得氣缸的最大速度為

則氣缸的平均速度為

則成品倉倉門完全打開需要的時間為

同理可以計算出成品倉倉門完全閉合的過程大約為0.6 s.

根據(jù)在工地實測的瀝青混合料拌和站CP120成品倉倉門打開的時間在0.5～1 s之間,因此可以看出選出的氣缸型號完全符合實際需要,也驗證了上述方法的合理性,可以為其他成品倉倉門氣缸的選型提供實際參考.

4　結(jié)　語

本文以德基公司的CP120成品倉放料門為基礎(chǔ),對放料門的氣缸選型進行了理論分析,得出如下結(jié)論.

(1)傳統(tǒng)的倉門受力分析只考慮了瀝青混合料自身的重力,本文考慮了瀝青混合料的物理特性,即物料顆粒內(nèi)部的摩擦力和粘著力,使受力分析更為合理,計算結(jié)果更加準確.

(2)對成品倉長方形倉門的選取進行了分析.在保證放料口面積的情況下,長方形倉門的一邊越長,放料門的受力越小,越有利于氣缸的選型.

(3)通過實例計算選取的氣缸缸徑與德基公司在實際應(yīng)用的成品倉放料門氣缸的型號相符合,并進一步對氣缸運行速度進行了合理分析與計算,得出氣缸的運行速度和倉門的開合時間與成品倉放料門在實際工作下的狀態(tài)相符合,以此為其他型號的成品倉放料門氣缸的選型提供了理論依據(jù)和參考.

[1]沈禪,路波,惠偉安.氣動技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[J].流體傳動與控制,2011(4):7-10.

[2]李小寧.氣動技術(shù)發(fā)展的趨勢[J].機械制造與自動化.2003 (2):1-4.

[3]程森林,王輝甫,盧婉冰.基于量綱分析的氣缸動力學(xué)系統(tǒng)建模與仿真[J].液壓與傳動,2008(7):10-13.

[4]張春錚.瀝青混合料攪拌設(shè)備的安裝與調(diào)試[J].筑路機械與施工機械化,2012,29(7):89-92.

[5]朱昆泉,許林發(fā).建材機械工程手冊[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[6]王文深,王保銘.液壓與氣動[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[7]吳國良.氣缸綜合性能測試系統(tǒng)的研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2007.

[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]

Theoretical Analysis on Selection of Cylinder for Emptying Door of Finished Product Silo

ZHU Bingwei
(Langfang D& Machinery Technology Co.Ltd.,Langfang 065600,Hebei,China)

Aimed at the selection of cylinder for emptying door of finished product silo of asphalt mixing plant,the finished product silo of a certain brand was taken as an example to carry out the theoretical analysis and calculation.The shape of emptying door,stress relationship,the relationship between the cylinder speed and opening and closing time were studied,and the rational shape of emptying door and the basis of the selection of cylinder were obtained,which provides reference for similar design.

emptying door of finished product silo;selection of cylinder;opening and closing time;theory and calculation

U415.52

B

1000-033X(2015)01-0091-04

2014-08-16