多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及智能化

杜武男

(中冶北方 (大連) 工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

摘要: 根據(jù)多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程，應(yīng)用有限元仿真技術(shù)，對環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)體和機(jī)架部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析，減少設(shè)備總重量以降低制造成本。通過設(shè)置在環(huán)冷機(jī)多個部位的智能監(jiān)測單元，以及全景監(jiān)控系統(tǒng)和智能潤滑系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和保障設(shè)備的運(yùn)行狀況，并能在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)做出響應(yīng)，提升設(shè)備的智能化水平。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié)環(huán)冷機(jī); 結(jié)構(gòu)優(yōu)化; 監(jiān)測; 智能化

0 引言

環(huán)冷機(jī)作為冶金鐵前燒結(jié)生產(chǎn)工藝的重要設(shè)備之一，用于冷卻經(jīng)燒結(jié)機(jī)焙燒后再經(jīng)單齒輥破碎機(jī)破碎的熱燒結(jié)礦。中冶北方研發(fā)的多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)以其高效冷卻、節(jié)能、余熱高效回收、清潔環(huán)保等綜合優(yōu)勢，已經(jīng)逐步取代原有傳統(tǒng)燒結(jié)環(huán)冷機(jī)，被廣泛應(yīng)用于新建及改建的冶金工程當(dāng)中，目前該產(chǎn)品已升級至第六代。隨著對各生產(chǎn)現(xiàn)場反饋的使用情況的整理和分析，以及對新研發(fā)手段的開發(fā)和利用，對環(huán)冷機(jī)設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化也擁有了更好的條件。

本文結(jié)合某工程中 280 m² 環(huán)冷機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化。

1 多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)

通過對燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低設(shè)備的制造成本，減少設(shè)備、土建投資費(fèi)用，優(yōu)化現(xiàn)場使用體驗(yàn)，提高設(shè)備智能化水平，增強(qiáng)企業(yè)在燒結(jié)項(xiàng)目上的競爭力。

2 多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

主要針對燒結(jié)環(huán)冷機(jī)中重量占比較大的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其中，回轉(zhuǎn)體部分約占環(huán)冷機(jī)總重量的 40% ，機(jī)架部分約占環(huán)冷機(jī)總重量的 20% 。因此，優(yōu)先考慮對上述兩大部件進(jìn)行優(yōu)化。

2. 1 回轉(zhuǎn)體

回轉(zhuǎn)體主要由回轉(zhuǎn)框架、臺車、輥臂、欄板等部分組成。在滿足使用要求的前提下，減少回轉(zhuǎn)體重量，可以減輕支撐輥處所受壓力，從而減小阻力矩和傳動電機(jī)的工作電流，改善環(huán)冷機(jī)整體的運(yùn)行狀態(tài)。

2. 1. 1 回轉(zhuǎn)框架

單臺燒結(jié)環(huán)冷機(jī)設(shè)備中，回 轉(zhuǎn) 框 架 共 16個，所受總阻力矩約為 3 800 kN·m，平均分布于每個回轉(zhuǎn)框架。分別將內(nèi)環(huán)上板、下板、立板和外環(huán)下板、立板的厚度減小 2 mm，將外環(huán)上板的厚度減小 4 mm，通過有限元分析得到應(yīng)力和變形情況見圖 1、圖 2。其中，最大應(yīng)力約為 0. 5 MPa，最大變形約為 1. 4 mm，均在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可以滿足使用需求。

2. 1. 2 臺車

每個回轉(zhuǎn)框架中有4 個臺車，共64 個，每個臺車承受料重約為13. 2 t。將臺車面板厚度減小4mm，將與軸承座相連的兩塊長板和前后筋板的厚度各減小5 mm，通過有限元分析得到應(yīng)力和變形情況見圖 3、圖 4。其中，最大應(yīng)力約為 50 MPa，最大變形約為 3. 3 mm，均在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可滿足使用需求。

2. 2 機(jī)架

環(huán)冷機(jī)機(jī)架是由不同規(guī)格的軋制 H 型鋼通過各種接點(diǎn)連接形成的環(huán)形框架結(jié)構(gòu)，工程設(shè)計(jì)中對其截面規(guī)格的確定一般采用類比及估算的方法。通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，以往的機(jī)架梁、 柱和斜撐截面選取偏大，為此，結(jié)合 280 m² 環(huán)冷機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2. 2. 1 確定機(jī)架所受載荷

機(jī)架的計(jì)算載荷考慮 + 4. 1 m 標(biāo)高以上的主要載荷，包括回轉(zhuǎn)體重量 ( 含欄板) 、回轉(zhuǎn)耐材重量、物料重量、上密封水重量、支承輥及底座重量等?；剞D(zhuǎn)體的剛度很高，可以在一定程度上減小中間梁支承輥處的變形，本次分析中，僅將載荷設(shè)定為作用于梁上的集中作用力。載荷的作用點(diǎn)如圖 5 所示 ( 僅以單個跨距 為例) 。

載荷的大小為:

外梁: P1 = P3 = P5 = 165 kN ( 支撐輥處) ;

內(nèi)梁: P2 = P4 = P6 = 165 kN ( 支撐輥處) ;

載荷方向均為垂直紙面向里。

2. 2. 2 強(qiáng)度及剛度分析

1) 不同截面的各項(xiàng)特性 ( 見表 1) 。

2) 力學(xué)模型及分析

a) 單個跨距框架 ( H390 × 300 柱 + H390 ×300 梁 + φ168 × 6 鋼管斜撐) 。應(yīng)力及變形情況見圖 6、圖 7。

對于單個跨距框架的分析數(shù)據(jù)，見表 2。

b) 環(huán)形框架。環(huán)形框架的力學(xué)分析模型中，各框架圓心角與環(huán)冷機(jī)實(shí)際相符，各個梁、柱均為 H390 × 300 × 10 × 16， + 4. 1 m 以下斜撐均為φ168 × 6 鋼管。對于給料、卸料區(qū)域的框架，由于其受力情況比較復(fù)雜，并且現(xiàn)有同規(guī)格環(huán)冷機(jī)的使用情況較為理想，因此暫不對該部分框架實(shí)施優(yōu)化。應(yīng)力及變形情況見圖 8、圖 9。

對于環(huán)形框架的分析數(shù)據(jù)，見表 3。

由表 3 可見，對于環(huán)形框架，其最大位移、支承輥處最大位移、最大應(yīng)力和斜撐處最大應(yīng)力均略小于單個跨距框架。

2. 2. 3 機(jī)架優(yōu)化效果

1) 橫梁和立柱采用 H390 × 300 替代原有H488 × 300，剛度和強(qiáng)度均滿足使用要求，較之前設(shè)計(jì)可節(jié)省鋼材重量約 16% 。

2) φ168 × 6 鋼管斜撐在滿足壓桿穩(wěn)定，剛度、強(qiáng)度滿足使用要求的情況下，較之前槽鋼斜撐可節(jié)省鋼材重量約 66% 。

3) 環(huán)形框架由于框架間互相約束，整體強(qiáng)度、剛度均略好于單個框架。

4) 機(jī)架在截面優(yōu)化組合后的減重效果見表4。

2. 3 環(huán)冷機(jī)優(yōu)化效果

由表 5 可見，通過優(yōu)化回轉(zhuǎn)框架、臺車體相應(yīng)部位的鋼板厚度，減小機(jī)架橫梁和立柱部位 H 型 鋼 規(guī) 格，以及在機(jī)架斜撐部位采用φ168 × 6鋼管替換原有］［250 × 82 槽鋼，可以保證環(huán)冷機(jī)的使用要求，同時(shí)相較于原設(shè)計(jì)共可減重約 50 t。

3  多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)智能化

通過設(shè)置環(huán)冷機(jī)驅(qū)動打滑監(jiān)測、減速機(jī)故障監(jiān)測、安全裝置、上密封水位監(jiān)測、上罩溫度監(jiān)測等多個智能監(jiān)測單元，以及全景監(jiān)控系統(tǒng)和智能潤滑系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀況，保護(hù)設(shè)備平穩(wěn)、良好運(yùn)行，并能在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)做出響應(yīng)，提升設(shè)備的數(shù)字化、智能化水平。

3. 1 驅(qū)動打滑監(jiān)測

實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)冷機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)摩擦輪出現(xiàn)打滑時(shí)，可及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警并停機(jī)保護(hù)設(shè)備本體。

3. 2 減速機(jī)故障智能監(jiān)測

驅(qū)動裝置使用行星齒輪減速機(jī)，配備智能監(jiān)測單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測減速機(jī)震動和軸承溫度并在主控室顯示，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)可及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

3. 3 安全裝置

安全裝置位于環(huán)冷機(jī)卸料處，當(dāng)監(jiān)測到臺車翻轉(zhuǎn)不靈活時(shí)，可輔助臺車進(jìn)行翻轉(zhuǎn); 當(dāng)監(jiān)測到臺車完全卡死時(shí)，觸發(fā)感應(yīng)開關(guān)，及時(shí)報(bào)警并停機(jī)。

3. 4 上密封水位監(jiān)測

可根據(jù)設(shè)定的水位和監(jiān)測到的水位情況，對上密封水槽自動進(jìn)行給水和補(bǔ)水。

3. 5 上罩溫度監(jiān)測

通過對上罩內(nèi)各個冷卻段溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和對比，全面、實(shí)時(shí)地掌握環(huán)冷機(jī)所有區(qū)域內(nèi)的燒結(jié)礦冷卻情況，并可根據(jù)溫度變化情況，預(yù)先做出判斷和給出操作指令。

3. 6 全景監(jiān)控系統(tǒng)

通過對環(huán)冷機(jī)內(nèi)外圈、臺車翻轉(zhuǎn)位置及卸料處實(shí)施全景視頻監(jiān)控，多視角、實(shí)時(shí)地掌握環(huán)冷機(jī)運(yùn)行狀況并可對潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，數(shù)據(jù)存儲于硬盤，方便隨時(shí)查閱和分析。

3. 7 智能潤滑系統(tǒng)

環(huán)冷機(jī)在運(yùn)行過程中有眾多需要潤滑的點(diǎn)，其主要分布于支撐輥、側(cè)擋輥、傳動裝置、復(fù)位輥以及板式給礦機(jī)等處。智能潤滑系統(tǒng)的應(yīng)用，可根據(jù)對應(yīng)裝置的運(yùn)行情況，定時(shí)、定量地進(jìn)行干油潤滑，潤滑點(diǎn)壓力、給油量、潤滑周期可任意調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測和報(bào)警， 運(yùn)行狀態(tài)在主控室實(shí)時(shí)顯示，有效地保護(hù)設(shè)備平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文所述環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能化方案，同樣適用于其它規(guī)格的多功能燒結(jié)環(huán)冷機(jī)。在燒結(jié)工程以及環(huán)冷機(jī)新建和改造項(xiàng)目中，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及智能化設(shè)計(jì)，可降低設(shè)備整體重量，從而降低環(huán)冷機(jī)制造成本，提高項(xiàng)目利潤率，全面提升設(shè)備的數(shù)字化、智能化水平，為智能燒結(jié)生產(chǎn)提供技術(shù)支持，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品和企業(yè)在市場上的競爭力。