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机械制造 张瑞芬 沥青混凝土搅拌站烘干滚筒的运动分析与轴向窜动的控制 沥青混凝土搅拌站烘干滚 筒的运动 分析与轴 向窜动的控 制 张瑞芬 ( 福建水利 电力职业技术学院 , 福建 永安 3 6 6 0 0 0 ) 摘要 : 针对烘干滚筒 实际应用 中经常 出现的轴向窜动 问题 , 对烘干 滚筒的运动进行 分析 与计 算 , 指 出滚 筒出现轴 向窜动 的原 因, 同时结合 实践 经验给 出烘干滚筒轴 向窜动 的调 节方 法。 关键词: 烘干滚筒; 轴向窜动; 运动分析; 调节方法 中图分类号 : T H1 3 2 文献标 识码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 - 5 2 7 6 ( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 0 7 8 - 0 5 M o t i o n Ana l y s i s a nd Co n t r o l o f Dr y i n g Dr u m ZHANG Rui — f e n ( F u j ia n C o ll e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d E l e c t r i c P o we r , Y o n g ’ a n 3 6 6 0 0 0 ,C h in a ) Abs t r ac t : Th i s p a pe r p oin t s ou t t h e c a u s e s o f t h e a x i a l mo v e men t o f d y i n g d r u m b y me a n s o f it s s t a t i c s an d mo men t a na ly s i s a n d giv e s o u t t h e me t h o d wh i o h i s u se d t o c o n t r o l t h e dr u m a xia l mo v eme n t. Ke y wo r d s: d ~in g d r u m; a x i a l mo v e me n t ; mo t i o n an a ly sis; c o n t r o l me t h o d 0 前言 沥青混凝土搅拌站是黑色路面施工的关键设备 , 用 于 高等级公路 、 机场 、 码头及市政道路等沥青混凝 土的施工 。 其主要功能是将不 同粒径 的骨料 、 粉 料和添加 剂按规定 比 例掺和在一起, 用沥青作结合料, 在规定的温度下搅拌成 均匀 的沥青混凝土混合料 。按搅拌工艺不 同, 沥青混凝 土 搅拌站可分 为强制 间歇式 和滚筒连 续式两种 。 目前我 国 主要 以强制 间歇式搅拌 工艺 为主。 烘干滚筒是强制间歇式沥青混凝土搅拌站的核心部 件 , 主要和燃烧器结合 , 把冷 骨料烘 干加热 到所需 的温度 , 其运转状况将直接影响整机功能的发挥和使用效果 , 同时 该系统也是衡量整机性 能的主要 因素 。在设 备实 际使用 中, 因滚筒 自身制造品质及外界各种因素的影响, 烘干滚 筒相对托轮存在着一定的轴向窜动的现象, 窜动会引起烘 干滚筒与 出料箱及进料箱之 间的间隙产生变化 , 若滚筒朝 出料箱端窜动 , 会使 烘干滚筒 的出料端 面与出料箱产生摩 擦与碰撞 , 发出异响 。同时 , 进料箱 与滚筒 间 隙的增大也 会影 响简体 的密封 性 , 因烘 干滚筒 处于负压 状态 , 密封不 好会引起外部冷气进入滚筒 , 从而降低滚筒的热效率; 若 朝进料箱端窜动, 则骨料会从烘干滚筒与出料箱之间的间 隙中泄漏 , 有时骨料会夹 挤在 间隙中 , 增 大烘 干滚筒 的旋 转阻力 , 并 发出噪声 。严 重时 , 甚 至会影 响滚筒 的正 常运 转。因此, 使用过程中, 需对烘干滚筒进行合理的调试与 调整 , 从而保证烘干滚筒 的安全运行 。 1 烘干滚 筒的力学与运动分析 1 . 1 烘 干滚筒静 止 时的力学 与运 动 分 析 通常 , 沥青 混凝 土搅拌站用烘 干滚 筒均以倾斜 角度 安装 , 托轮与滚筒的安装 夹角为 2 , 设滚 筒的重力为 G, 则 烘干滚筒静止时 , 其受力情况如图 1 所示 。 进 料 端 A— A 图 1 静止时烘干滚筒受力分析 重力在垂直滚筒面上 的分力 : G . =G c o s a ( 1 ) 重力引起 的下窜力 : G 2 =G s i n o z ( 2 ) 托 轮所受正压力 : Ⅳ= = G c o s a ( 3 ) 在托轮与滚 圈两个 接触平 面上产 生的阻 止下滑 的摩 擦 力为 : F= 2 = f G c o s a / c o s 0 ( 4 ) 通常设计参数 : O / = 3 。 ~ 5 。 ,0 =3 0 。 ~ 4 2 。 当滚圈与托 轮 接触 表 面 为 干摩 擦 时 , 摩 擦 系数 f= 0.1 5~0. 2 0, 根据式 ( 2 ) 与 ( 4 ) 得 : G 2=0 . 0 5~0 . 0 8 7 ) G , F = 0.1 7 2 6G。 由此可见, 烘干滚筒静止时 , F ⋯ >G , 简体不会下 作者简介 : 张瑞芬( 1 9 7 9一) , 女 , 内蒙古乌兰察布人 , 工程师, 讲师 , 工程硕士, 从事工程机械设计与开发工作和机械专业教学与科研工作。 7 8 h t t p : / / Z Z H D . c h i n a j o u r n a 1 . n e t . c n E - m a i l : Z Z H D @c h a i n a j o u r n a 1 . n e t . c n《 机械制造与自动化》 机械制 造 张瑞芬 沥青混凝土搅拌站烘 干滚筒的运动分析与轴向窜动的控制 窜 , 与实际情况相符 。 事实上 , 烘干滚筒静止 时相 当于滚圈在托轮确定的斜 面上, 根据斜面自锁条件, 当斜面的倾斜角小于或等于摩 擦角时, 即 O / <‘ D时, 滚圈相对 于托轮静止 , 筒体 不会 下窜 。 1. 2 烘 干滚 筒空载运 转时 a )按一般力 学分析 烘 干滚筒设计与制造 的基本 原则 为托轮 与滚筒 轴线 平行, 假设滚圈与托轮的几何形状为理想的圆柱体。假设 托 轮与滚筒轴线平行安 装 , 空载运 转时 , 托轮 除受重 力 引 起的下窜力 G 2 外 , 还受一个垂直于下窜力 G : , 并沿滚圈 圆周方 向作用 的圆周力 P , 如图 2所示 , 圆周力 P 用来克 服托轮支撑轴 承的摩 擦阻力矩 。 图 2空载运转时滚圈一般力学受 力分析 =r 轴F :r 轴 , 轴 承N ( 5 ) R = R c o s O ㈤ 一 托轴 一 托 轮 u 式中: r 轴 ——托轮轴半径 , m m; —— 托轮轴所受摩擦力 , N; 承 —— 托轮轴承 的摩 擦 系数 , 稀 油 润 滑 的滑 动轴 承 承=0 . 0 1 8 , 对干油润滑的滚动轴承 承= 0 . 0 0 4 ; 栅_ 通常取值为 0 . 2 5~ 0 . 4 。 托轮 根据式( 6 ) 可得: Jp f = n 0 0 9 4 G ; 下窜力 = 0 . 087 G, 则J p f 与 的合力 G 2 ~为: =~ / P 一 + ⋯ = 0 . 0 8 7 5 G< = O . 1 7 2 6 G ( 7 ) 即按一般力 学分析 , 烘 干滚筒 空载运转时滚圈与托轮 不产生相对 窜动。 b ) 按弹性滑 动理 论和摩擦学分析 当托轮 的轴 线与滚筒轴线平行时 , 烘干滚筒运转时 圆 周力与下窜力 的合力 G 合 : 虽不能克服宏观 的摩擦力 F 台 但托轮与滚圈为两直接接触圆柱体的摩擦传动, 合 力 F 合会使摩擦在接触变形面上沿 F 合方向产生弹性变 形 , 从 而 引起沿合 力 F 方 向的 弹性 滑动 , 该 弹性滑 动可 Ma c h i n e B u i ld i n g Au t o m a t i o n , J u n 2 0 1 2 , 4 1 ( 4 ) : 7 8~ 8 2 分解为周向弹性滑动和轴向弹性滑动。而周向弹性滑动 会引起滚圈的失速 , 轴向弹性滑动引起滚圈的轴向窜动。 1 )周向弹性滑动 滚 圈与托轮接触处 因正压力 Ⅳ的作用会产 生弹性 变 形 , 接触处形成微小 的接触平 面 , 如图 3 ( a ) 所示 。接触 角 o / 接 自 为接触面边界点 A, c所对应的中心角。当托轮转 动传递扭矩时, 在 A—c段平面会产生摩擦阻力 F , F目 : 。 一 般在开始接触处 4一 段 内不产生 摩擦力 , 即 A一 对 应的中心角 o / 为静角; 在 曰一c段将产生摩擦力, 存在相 对 滑动 , 所对应的 中心角 o t 为滑动角 。 : \ / : /\ C ( b ) 图3 按摩擦学与弹性滑动理论分析简图 在摩 擦力 的作 用下 , 托轮与滚圈接触面的表层金属 内 部将各 自产生 一定 的周 向应力 月 与 , 在 曰点前 , 主 动轮托轮推动滚圈旋转, 将受到周向压缩 , 产生轴向压缩 应力 , 从 曰点开始 , 被压缩表层金属需恢复弹性变形 , 所 以周 向压缩 应力逐 渐变 小 , 到某点 E时 为 0 , E点后 开 始出现周向拉伸 , 此时表层金属出现周向拉伸应力。这种 变形均在 弹性范 围内, 服从虎克定 律 , 呈线性规律变化 , 如 图3 ( b ) 所示。滚圈为从动轮, 其变形和应力与托轮相反。 在 点前, 托轮与滚圈接触处表层金属各有拉伸与 压缩 , 但做 同步运动 , 所 以没 有 明显 的相对 滑动。在 B点 后, 主动轮托轮由周 向压缩变为周向拉伸, 沿圆周方向产 生周 向伸长 。而滚 圈正好相反 , 产 生周 向缩短 。因此 , 托 7 9 机械制造 张瑞芬 沥青混凝土搅拌站烘干滚筒的运动分析与轴向窜动的控制 轮与滚圈将产生弹性滑动, 从而使滚圈的实际圆周速度 ” 落 f 低于圆周速度 托 轮, 其差值为滚圈所丢失的速度 ” 周, ” 即为周 向应力引起 的弹性滑 动 。而在 实 际生产 中, 托 轮表面常 出现周 向鱼鳞状的磨损 , 这种现象与 以上分析结 论相符 。 2 )轴 向弹性滑动 在摩 擦 传 动 理 论 中, 滚 圈 弹 性 滑 动 的 圆 周 速 度 ” 为 : 月 =删 托 ( 8) p 式中: ——滑 动系 数, 对 金属 摩 擦传 动 = = P c o s O —— 材料系数 , =0 . 0 0 1~ 0 . 0 0 5 , 材料 弹性 模数 越 小 , 越 大。 当滚罔与托轮的材料确定后 , 圆周力 P 越大, 值越 大 ; 摩擦力 F越 大 , 越小 。 周 向弹性滑动速度 "/3 月与轴 向弹性滑动 速度 ” 分别 由合力 F 的周向分 力 P 和轴 向分力 G 引起 。根据胡 克定律得 : "周 "轴 P G 2 G2 G2 c o s O t a n j 轴: 周 = 删托 轮 — u托轮 ( 9 ) 根据式 1 ~ 9可知 , 滚圈 的下窜速度 与托 轮 的圆周速 度和烘干滚筒倾斜角度的正切值成正 比, 与滚 罔和托轮接 触面的滑动摩擦系数成反 比。 冈此 , 在实际应 用中 , 托轮轴承保持 良好的润滑 , 滚 罔 与托轮采用较硬的材料制造, 或采用合适的热处理来提高 其表面硬度均可有效的降低滚圈与托轮问的弹性滑动。 从 而减 小滚筒 的轴向窜动。 1 . 3 烘干滚筒负载运转时 烘干滚筒负载运转时 , 载荷 即皮带 机输 送的骨料连续 不断地输送到烘干滚筒 内, 骨料 由皮带 机以一定 的初速度 抛送到烘干滚筒 内, 骨料下落 时对 烘干滚筒会产生一 定的 冲击, 如图4所示, 骨料冲击力 F 冲 l1 将增加下窜力 G :方向 的受力 , 加剧滚筒下窜趋势。 8 0 图 4 负载运转时滚圈受力分析 2 影响烘 干滚筒 受力与运动的 因素 烘干滚筒 的受力与运动状态主要受 以下 因素 的影响 。 2 . 1 烘干滚筒安装地基 的影响 安 装时因地 基下沉 引起烘 干滚筒底 架几个 支腿 不能 在同一水平 面上 , 从 而导致各托 轮受力发 生变 化 , 致 使总 摩擦 力 F的大小 发生变 化 , 从 而破坏 滚 圈与托 轮 的动 态 平衡 。增加各托轮的受力不均度 , 使得滚圈与托轮 的磨损 加剧 。 2 . 2 烘 干滚筒制造与安装 因素的影响 实际上 , 在生产运行 中 , 烘 干滚 筒 的轴 向窜 动方 向并 无规律可循 , 有时朝出料端窜动, 有时朝进料端窜动。根 据笔者多年工作经验分析 , 其原 因主要是在烘干滚筒 的制 造与安装过程 中 , 托轮 与滚筒 的轴 线平 行 度没 有得 到 保 证, 使其表面接触处存在一定的角度差, 如图 5所示。使 得烘干滚筒 的受力沿 轴 向增加 了一个 摩擦力 分量 。如 图 6所示 , 当托轮 轴线 与烘干滚 筒轴线 相对 旋转 角 度 时 , 滚圈纯滚动时所 受摩擦力 F分解 为使 滚 圈转 动的摩擦 力 分量 F 和使滚筒轴 向下窜 的摩擦力分量 F 托轮4 托轮 3 图 5 滚筒窜动原理图 图 6 托轮 受力分解 图 除此 之外 , 托轮与滚 圈的制造 材料及 表面 灰尘 、 油污 等状况 , 实际作业时烘 干滚筒生 产量 的变 化 , 环境风 力等 原因也在一定程度上影响着烘干滚筒的轴向窜动。 2 . 3 温度对滚筒运动的影响 在生产 时 , 烘 干滚筒 内部温度 较高 , 若在设 计制造或 实 际运 行操作 时 出 现失 误 , 滚 筒 容易 出现 温度 变 形 , 从 而改变 滚圈与托 轮之间 的接触状 态 , 引起 摩 擦力 F大小 h t t p: / / Z Z H D. c h i n a j o u rna 1 . n e t . c n E - ma i l : Z Z HD @c h a i n a j o u r n a 1 . n e t . c n《 机械制造与 自动化》 机械制造 张瑞芬 沥青混凝土搅拌站烘干滚筒的运动分析与轴向窜动的控制 变 化 , 导致滚筒 轴 向窜动 。 2 . 4骨料的冲击影 响 在烘干滚筒运行时, 骨料在随着滚筒一起旋转的过程 中完成提 升与抛洒 , 并 不断 向 出料 端运行 , 在 进料 与抛洒 过程 中对 滚筒将 产生不 均匀 的冲击 力。当烘 干滚筒 内叶 片布置不均匀时, 将加剧这种不均匀的冲击力, 破坏滚筒 的平衡 , 导致滚筒沿简体轴线产 生窜动。 3 烘干滚筒轴 向窜动的控 制 是否需要对滚筒进行调整取决于安装在进料端滚圈 两侧的挡轮的运行状况 。正 常情 况下 , 挡轮处 于非 工作 状 态 , 若挡轮处 于工作状态 且转速 较高 时 , 则需 对烘 干滚 筒 进 行调整 。 根 据烘干滚筒运动分析 , 滚圈与托轮材料一定 的情 况 下 , 滚筒轴 向窜动 的原 因 主要 为摩 擦 力 F。因此 , 滚筒 的 调 节方 法主要有改变摩擦系数法 和托 轮轴线调整法 。 3 . 1 改变摩 擦 系数法 改变摩擦系数法是一种经验调节法。其原理是采用 合适 的外加 剂 , 均匀涂 抹在 滚圈与 托轮接 触表 面 , 利 用接 触面摩擦 系数的改变达到调 节摩擦 力 F的 目的。此种调 节方法难 以准确定量 , 只能靠经 验判断。 3 . 2 托轮轴 线调整法 托轮轴线渊整法为调节托轮, 使其轴线相对于烘1 二 滚 筒轴线旋转角度 卢, 从而 改变摩 擦力 F沿 轴 向分量 的 大小和方 向。调节方 法如 图 7所示 。托轮 轴线 调节方 向 也 可以按 图 7右侧手 图所示方 向调节 , 其 中大拇指 方向为 滚 筒预窜动方 向, 四指方 向为烘 干滚筒 旋转 方 向, 由此 选 择左 手或右手 , 在选好 的手上 , 沿四指关节连线 , 该线 的倾 斜 方向即为托轮轴线需调 整的方向。 进料端 进料端 托轮 托轮 ( a ) 托轮 方 向 托轮轴线调节参考线 ( b ) — i= i|- 椭 7 托轮轴线调节参考线 Ma c h i n e B u il d in g Au t o m a t i o n , J u n 2 0 1 2 , 4 1 ( 4 ) : 7 8~ 8 2 进料一 加 托轮 托轮 托轮轴线调节冬考线 进 料端 ( c ) 托轮 椭 托轮轴线凋 参考线 ( d ) 图 7 托轮轴 线调整 法原理 图 托轮调节时 , 首先要对托轮与各调节螺杆 的位置进行 标记, 再松开托轮支撑轴承座的紧固螺栓, 调节调整螺杆。 调节时要观察托轮与滚圈之间的接触情况, 同时确保托轮 两侧螺杆调节量要一致 , 避免点接触现象 。根据笔者多年 来一 作经验 , 此法调节效果显著, 通常经过几次修正即可 达 到调 节的 目的。但 每次调节 时记 录其实际 的接触 状态 与 调节 量。 具体调 节如 下 : 如 图 8所示 , 要 使托 轮轴线 左边 向 内 偏 , 减小旋转角度 口, 则需 向内调整托 轮左边 的轴 承座 , 即 将 1 、 4点处 调节 螺杆 拧进 一定 量螺距 ( 如 1 / 6螺距 ) , 然后 向外调整托轮右边的轴承座, 将2 、 3点处i 周节螺杆退出等 量螺距。按此法反复调整, 直到符合要求为止。 轴 4 结语 图 8 托轮轴线调整图 综 上所述 , 烘干滚筒 的设 计制造 、 安 装调试 及使 用维 护都关 系到其实 际运行 中的工作状态 , 各个环节都可能引 起烘干滚筒在运行 中发生轴 向窜动 的现象 。 在烘干滚筒设计制造时, 采用合适的材料与合理的制 造工艺是确保烘 干滚筒正 常运行 的前提 ; 在烘干滚筒 的安 装与调试过程中, 确保地基符合设计要求 , 保证滚筒底架 各支腿在 同一水 平面 上 , 以确保 四组 托 轮和 滚圈接 触 均 匀 , 防止滚筒窜动 ; 在 实际运行 生产 中, 应 预热滚筒 , 使烘 干滚筒在空运转状态下逐渐升温 , 当温度达到投 料温 度时 81 机械制造 张瑞芬 沥青混凝 土搅拌站 烘干滚筒的运动分析与轴 向窜动 的控制 要及时投料 。停止生 产后 , 视 环境温 度不 同 , 滚筒 须空运 转 2 0~ 3 0 m i n左右, 待简体冷却后方可停机, 同时在运行 过程中必须 避免电源突然 中断 ; 同时 , 要 定期对 烘干滚 筒 进行保养与检查 , 及时清理滚筒内叶片上的集渣 , 发现叶 片磨损要及时更换。当发现 托轮与滚 圈 的接触 状态 出现 异常时必须及时调整。 参考文献 [ 1 ]陈元基 , 等. 压实机械与路 面机械设 计 [ M] . 北京 : 机 械工业 出版社 , 1 9 8 7 . [ 2 ]徐 灏 , 等. 机 械 设 计 手 册 [ S ] . 2版. 北 京: 化 学 工业 出 版 聿 十 . 2 0 0 0 . [ 3 ]何继东 , 朱开文 , 邓世新. 筑路机械 手册 [ S ] . 北京 : 人 民交通 出版社 , 1 9 9 8 . [ 4 ]秦荣荣 . 机械原理 [ M] . 北京 : 高等教育 出版社 , 2 0 0 6 . [ 5 ]徐芝伦 . 弹性力学 [ M] . 北京 : 高等教育 出版社. 1 9 9 0 . 收稿 日期 : 2 0 1 1—1 2—1 1 ( 上接第 6 8页 ) 其他要求 。 3 最优化数学模型 根据所确定的控制变量 、 目标 函数 、 约束条 件就 可 以 确定切削加工参数优化的数学模型: 控制变量 : , z , a 。 a )在满足: 1 )机床实际进给量 ; 2 )机床转速; 3 )切 削功率 ; 4 )工件表面粗糙度 。 b )等约束条件下, 求 目标函数 : 1 )生产率最大函数; 函数 的最优值 。 4 优化参数结果数值验证 所用机床为 V M C一1 2 7 0型数控铣床 , 刀具选用 d l O 0的 硬质合金刀具 , 工件毛坯材 料为中碳 钢, 下面采用 变形遗传 算法( V C G A ) 中的优化程序之一的综合评定法, 从科学的角 度求解出最优的工艺参数数值, 避免了传统的经验取值过于 保守造成的浪费, 随机方法产生初始种群, 群体规模为 1 0 0 , 最大迭代次数 2 0 0次 , 最大变异概率 n o 3 , 轮盘赌法进行选择 操作, 根据式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 、 ( 1 4 ) 计算出的优化数值与为优化 2 )生产成本最低函数; 3 )利润率最高函数; 4 )综合评定 之前的参数进行比较, 比较数据见表 1 。 表 1 优化参数与经验参数对 比 5 结论 以上例子验证得 出, 使用变形遗传算法优化 的切削工 艺参数 , 使 实际的加 工时 间明显 的减少 , 表 面品质得 到提 高, 可以很好地解决实际生产中切削参数设置纯粹依赖经 验值的问题, 为工厂获得较高的生产效率提供技术支持。 参考 文献 : [ 1 ]张津 , 王林 , 马立新. 数控 加工仿真 系统 的研究现状 [ J ] . 煤矿 机械 , 2 0 0 6 , ( 9 ) . [ 2 ]叶蓓华. 数字控制技术[ M] . 北京 : 清华大学出版社 , 2 0 0 2 . [ 3 ]北京市金属切削理论与实践编委会. 金属切 削理论与实践 中 册[ M] . 北京 : 北京出版社 , 1 9 8 5 . [ 4 ]王爱玲 , 李 梦群 , 冯裕 强. 数控 加工理 论与实用 技术 [ M] . 北 京 : 机械工业 出版礼 , 2 0 0 9 . [ 5 ]蒋展. 数控加工 切削参 数优化 匹配专 家系统 的研究 [ D] . 上 海 : 同济大学 , 2 0 0 6 . [ 6]艾兴 , 肖诗纲. 切削用量简 明手册 [ M] . 北 京 : 机械 工业 出版 社 , 1 9 9 4 . [ 7]韩荣第 , 周明 , 孙玉洁. 金属切削原理 与刀具 [ M] . 哈尔滨 : 哈 尔滨工业大学出版社 , 2 0 0 4 . 收稿 日期 : 2 0 1 1 —1 0— 2 9 低碳 经济的 内涵 低碳 经济是以低能耗、 低污染 、 低排放 为基础 的经济模 式 , 是 人类社会 继农业 文 明、 工业文 明之后 的又一 次重 大进 步, 其实质是高能源利用效率和清洁能源结构问题, 核心是能源技术创新、 制度创新和人类生存发展观念的根本性转 变。低碳经济的发展模式, 是实现经济可持续发展的必由之路 , 是不可逆转的划时代潮流, 是一场涉及生产方式、 生活 方式和价值观念的全球性革命。 8 2 h t t p : / / Z Z HD . c h i n a j o u rna 1 . n e t . c iq l E - m a i l : Z Z H D @c h a i n a j o u ma 1 . n e t . C ll《 机械 制造与 自动化》
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