侧式悬臂堆料机（共3篇）
侧式悬臂堆料机 篇1
1概述
侧式悬臂回转堆料机包括悬臂, 来料车及大车行走等机构组成, 具有悬臂俯仰及大车行走、连续进行人字形堆料的功能, 各机构可单独或联合动作, 主要应用于两个相邻的长形料场的堆料, 堆料能力大及堆料均匀是理想的堆料设备, 本项目中的回转堆料机的电气控制室包括司机室和配电室, 配电室设有电控柜, 司机室固定在来料车上, 司机室里设有电控柜和操作台。
2控制方式
侧式悬臂回转堆料机的控制方式是三种方式, 分别是自动控制方式、手动控制方式和现场维修控制方式, 自动控制方式包含中控室自动控制和机上自动控制, 控制方式的选择开关设置在司机室的操作台上, 三种控制方式具有互锁性, 当选择其中一种控制方式时, 其他操作方式均无效。
2.1自动控制方式:在回转堆料机备妥和允许启动的情况下, 由中控室或堆料机操作台上的按钮进行启动和停止操作实现自动控制, 所有的设备会按照设计好的自动堆料程序顺序启动和停止。
2.2手动控制方式:当通过操作台上的选择开关选择了手动控制时, 设备的各个驱动动作的内部联锁解除, 每个驱动动作都需要操作人员通过司机室里的操作台上的按钮和触摸屏上的按键来完成。
2.3现场维修控制方式:通过操作位于现场的按钮站来启动和停止各个驱动, 从而为设备的保养和检修提供了方便。
3变频器与回馈单元:近年来, 随着电力电子技术、微电子技术、大规模集成电路的发展和生产工艺的改进, 变频调速越来越被工业上所采用, 通过对变频器参数的设定, 可以使交流电机工作在需要的理想状态下, 这个过程涵盖电机的启动、加速、匀速、减速、停止的各个过程, 同时还会对电机的过载、电源的故障、本身的故障进行判断, 并反馈给PLC故障信号, 同时还会记录以往的数次故障信息, 以供检修调试人员发现问题, 并及时修正。
3.1为了保证回转堆料机在每一层布料的均匀性, 行走的驱动是采用变频器驱动, 设置了两个行走速度, 逆料流行驶时的速度和顺料流行驶时的速度。
3.2为了保证回转堆料机在回转工作中, 电机能平稳地运行和停止, 回转的驱动采用变频器驱动。
3.3在变频调速系统中, 电动机的降速和停机的过程中, 电动机处于发电状态, 为了变频器的安全稳定性, 变频器配接了回馈单元, 将电机处于发电状态时所产生的能量通过回馈单元反馈到电网。
4限位开关
限位开关分工作限位开关和极限限位开关, 限位开关的主要用途是对设备的运行状态进行监测, 并反馈给PLC信号, 从而PLC做出相应的操作指令。
4.1回转限位开关:悬臂回转设置了四个限位开关, 其中两个回转极限开关和两个回转工作开关, 当回转时首先会触动工作开关, 此时回转停止, 一旦工作开关发生故障时, 会触动极限开关, 此时会向反方向回转。
4.2行走限位开关:行走限位开关设置了四个限位开关, 其中两个行走极限开关和两个行走工作开关, 当堆料机正常堆料时是在两个工作开关之间反复堆料, 当极限开关动作时行走停止同时其他的驱动停机。
4.3悬臂俯仰限位开关:在悬臂俯仰设置了三个限位开关, 悬臂上极限开关、悬臂下极限开关和悬臂堆满开关。
5物料检测
料位计:在悬臂前端配置两个物料探测计, 一个长的和一个短的, 长的料位计用于工作, 随着堆料机一边往复行走, 一边堆积物料, 料堆逐渐升高, 当悬臂靠近料堆时, 料位计向PLC发出信号, PLC发出指令启动变幅液压系统, 抬高悬臂到设定的高度, 继续堆料工作, 短的料位计用于报警停机。
6编码器
是一种将旋转位移转换成数字脉冲信号的传感器
6.1行走编码器:定位堆料机在料场的位置
6.2悬臂俯仰旋转编码器:编码器的脉冲信号进入到PLC系统, 经过PLC的逻辑指令, 能运算出布料的每一层悬臂上升的角度。
7 PLC系统
本项目中的回转堆料机的PLC选择了AB公司的1756系列的产品, CPU选用1756-L71产品, 采用用以太网通讯, 设置司机室的PLC系统为主站, 配电室的PLC系统为从站。
7.1冗余系统:冗余系统的设计目的是防止由于故障或断电引起的PLC程序的中断, 为了保证PLC程序的完整性和连续性, 本项目中的回转堆料机设计了电源冗余系统和CPU冗余系统, 冗余系统需要在PLC主站上设计两个单独独立的机架, 在适配器模块后面再分别放置一个CPU模块、一个以太网模块和一个冗余模块, 通过一根冗余电缆把两个机架上的冗余模块连接起来, 就构成了CPU冗余系统。
7.2以太网通讯:和Device Net通讯相比较, 以太网通讯具有传输数据量大, 传输速度快, 成本低的优势, 在PLC的主站和从站上分别配置I/O模块机架, 机架上放置了电源模块、以太网模块和I/O模块, 冗余系统两个机架上的以太网模块分别通过两台交换机, 再和PLC的主、从站的I/O模块机架上的以太网连接起来, 进行以太网通讯。
8触摸屏
在回转堆料机的操作台上配置了AB公司的触摸屏, 通过以太和PLC通讯, 触摸屏设置了操作画面、报警画面和设置画面, 可以通过触摸屏的操作画面上的按钮来驱动设备, 在报警画面上显示故障报警信息, 在设置画面上可以设置更改变频器的频率。
9无线通讯
为了保证无线通讯信号的可靠传递及程序的完整性和独立性, 在中控室放置一台PLC控制柜, 由中控室提供控制电源, 回转堆料机与中控室的PLC柜的通讯方式是无线通讯, PLC柜与中控室的通讯室硬线干接点方式。
结语
随着科技技术的不断发展, 电气设计的发展也是与时俱进, 本项目中的回转堆料机应用了PLC系统、冗余功能设计、以太网通讯, Device Net通讯和无线通讯等先进的技术, 大大地提高了侧式回转堆料机的安全可靠性, 操作更加方便灵活。
摘要：侧式悬臂回转堆料机的电气控制系统的设计主要是通过PLC的数据和逻辑运算来发出和接受控制指令, 从而完成堆料机的堆料工作。
关键词：PLC,以太网通讯,DeveiceNet通讯,触摸屏,编码器,变频器,回馈单元,无线通讯,冗余
参考文献
[1]陶权.变频器应用技术[Z].
[2]胡向东.传感器与检测技术[Z].
侧式悬臂堆料机 篇2
北方重工集团是在沈阳重型机械集团和沈阳矿山集团合并重组基础上组建的国有独资企业, 2007年并购德国维尔特控股公司/法国NFM公司后, 成为跨国经营企业。2008年进入中国机械和世界机械500强行列。主要生产水泥生产线设备、轧钢设备、皮带机等大型钢结构设备。侧式悬臂堆料机属于料场设备, 是北方重工散料装卸分公司的主要产品之一。
侧式悬臂堆料机主要配合取料机共同使用, 其作用主要是物料的仓储及混匀。侧式悬臂堆料机是缠绕在皮带机上, 并沿着皮带方向在轨道上进行往复运动, 由于顺逆皮带运行时分别受到皮带的推、拉力的作用, 这使得堆料机在往复两个方向上受力不同, 导致了行走驱动正反向的不同速度。为了满足现场需要行走驱动正反向同速, 所以采用了变频调速的方法。但在皮带运行中存在堆料机顺皮带运行时电机发生反发电现象, 这使变频器直流母线电压增高, 如果不能把这部分能量消耗掉, 使得直流母线电压保持在正常范围内, 变频器将出现直流过电压报警故障而不能正常工作。为了消耗掉这部分再生能量, 以往的方法是使用制动单元及制动电阻互相配合, 在制动单元检测到直流母线电压超过正常工作范围值时, 打开直流母线和制动电阻之间的电路通道, 将电动机产生的再生电能消耗在制动电阻上, 从而避免直流母线电压上升超过变频器的工作电压上限造成报警停车, 保证降速过程正常进行。由于制动电阻本身属于耗能产品, 当电压加载至制动电阻上时, 将电能转换为热能, 将产生大量热量。
利用回馈单元来替代以往的制动电阻, 既能节约能源, 还能提高自身的保护。能量回馈单元, 即变频器专用型能量回馈单元, 是变频器专用型制动单元的一种, 主要用于大惯量、拖动性的变频调速系统中, 帮助电机将其减速过程中所产生的再生电能回馈到电网, 同时协助系统实现快速制动功能。
1 回馈单元原理
能量反馈逆变, 是以高频电能变换理论为基础, 运用能量反馈的方法将各种待测试或进入试运行阶段的独立交、直流供电设备所输出的能量循环使用。它既能完成特定负载的功能, 同时又把无谓消耗在电阻型功率负载中的能量, 通过一系列变换, 以标准工频正弦波的形式将负载能量返回至输入端, 负载能量的循环使用率可达80%以上, 从而大大避免能源的无谓消耗。
电能回馈制动单元就是根据以上理论依据设计而成。在制动状态时, 电机处于发电状态, 电能回馈制动单元, 把变频器直流母线上的电动机再生电能变换成一个和电网电源同步同相位的交流正弦波, 把电动机再生电能反馈回电网再生利用。一般电能回馈制动单元热损耗为电阻制动的5%以下, 内部装有电抗器和噪声滤波器, 不会污染电网和干扰其他设备, 可直接和电网连接使用。其性能安全稳定可靠, 并且安装方便, 基本上免维护, 因为不再使用电阻, 更避免了制动单元和电阻故障。同时由于配电室温度下降, 变频器故障的机率降低很多, 还能改善配电室环境, 可提高电气控制系统的稳定性。
2 产品技术规格及特点
产品技术规格如表1所示。
其特点为:
1) 使用安全。设备具备完全故障保护功能。
2) 设置简单。数字输出功能可通过软件设置。
3) 多状态显示。产品使用操作面板, 具有多状态指示功能。
4) 多参数监控。产品可以监控直流母线电压、内部温度等运行参数。
5) 全程噪声过滤。不会污染电网和干扰其他设备, 可多台并联使用, 完全均流, 无容量限制。
3 回路设计方案
应用回馈单元作为变频器直流母线的高电压处理单元, 能将变频器制动时产生的再生电能反馈回电网。该功率转换单元比以前的制动电阻在性能上和供电成本上有了明显的改善。
主回路原理图如图1所示, 主要元件包括:5QM 断路器;4KM 接触器;2F 熔断器;U/F 变频器;PF 回馈单元;2EH, 3EH 电动机保护器。
第一步进行主回路的常规配置, 即断路器、接触器、熔断器、变频器、电动机保护器、电动机。第二步为接入回馈单元。其中变频器直流母线电压一般为500～600V左右, 最高可以达到700V, 故变频器与回馈单元之间连接电缆应为千伏级电缆。
4 节能分析
由于电能回馈制动单元接线简单, 仅需要将变频器的直流母线接在电能回馈制动单元的直流接线端子上 (接线的直流极性要正确) , 并将电能回馈制动单元的三相交流输出侧接到变频器电网输入侧, 这样既能简化接线, 又能使得电能回馈制动单元与变频器处在相同的电源保护装置的保护之下。对于11-55kW的电动机, IPC-PF-1s型电能回馈制动单元会自动测量再生电能的大小, 自动计算最佳制动力矩, 不必设定任何参数, 所以调试过程简洁。利用电能回馈制动单元在更加适应工艺要求的同时大幅地提高了生产效率, 减少用电量, 相应地降低了生产成本。
5 结语
能量反馈式制动单元在侧式悬臂堆料机中的成功应用, 通过检测直流母线上的电压波动, 在制动状态时将能量转换为三相电能送回电网中, 减少设备故障率的同时降低了设备运行和维护成本, 节约了电力费用, 同时降低了企业的生产成本。
堆料机悬臂的静力分析 篇3
侧式悬臂堆料机主要用于水泥建材、煤炭、电力、冶金、化工等工业行业, 可以对石灰石, 煤, 铁矿石、辅料等进行预均化处理, 可以根据需要设定堆料方式, 与取料机配合使用后可以大幅提高散料的均化效果, 保证原料的稳定性, 是散料储存及均化的必备设备。悬臂承载着用来输送物料的整个胶带机机构, 其受力状态随着堆料机的作业工况的改变而时刻变化着。本文对DB200/16.5侧式悬臂堆料机的悬臂进行静力学分析, 对其进行强度、刚度及稳定性计算。
2侧式悬臂堆料机基本构造及工作过程
2.1堆料机结构主要分如下几部分:
(1) 悬臂部分;
(2) 导料槽;
(3) 胶带机;
(4) 来料车;
(5) 行走机构;
(6) 液压系统;
(7) 轨道部分;
(8) 电缆坑;
(9) 照明系统;
(10) 检测系统;
(11) 电缆布线系统等组成。
2.2来料车将地面皮带上的物料通过导料槽转送至悬臂胶带机, 悬臂胶带机将物料运送到头部卸料滚筒处, 利用挡料板调节落料点位置, 在行走机构的行走及俯仰机构的变幅动作下, 完成物料的定点式堆料或往复式的人字形堆料。
3悬臂的结构
悬臂架由两个变截面的工字型梁构成。横向用钢板和角钢连接成整体。工字型梁采用钢板焊接成型。因运输限制, 臂架分段制造、现场焊接成整体。悬臂架上面安有胶带输送机, 胶带机随臂架可上仰下俯。悬臂尾部设有配重箱, 箱内装有混凝土配重块。
悬臂两侧设有走台, 走台上铺设钢格板, 一直通到悬臂的前端, 以备检修、巡视胶带机。悬臂下部设有两处支撑铰点。一处是与行走机构的三角形门架上部铰接, 使臂架可绕铰点在平面内回转;另一处是通过球铰与液压缸的活塞杆端铰接, 随着活塞杆在油缸中伸缩, 实现臂架变幅运动。液压缸尾部通过球铰铰接在三角形门架的下部。如图1所示。
4悬臂的静力学分析
本设备中悬臂的工作范围为上仰6°、下俯8°, 本文取 (1) 工作风压满载下俯8°, (2) 工作风压满载水平, (3) 工作风压空载上仰6°, (4) 非工作风压空载水平四种工况进行分析。本文采用普通应力分析法进行构件设计, 结构材料的许用应力及载荷工况依照JB/T8849-2005移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范, 且悬臂在俯仰过程中速度很低, 不考虑惯性力的作用, 行走机构速度也较低, 不考虑冲击系数的影响。
由于悬臂结构主截面全部由钢板组焊而成, 所以模型采用板单元模拟, 横连角钢类似于空间桁架结构, 采用杆单元模拟误差不大, 并且可以提高计算效率, 节省计算成本。整体悬臂建模结束后, 施加约束条件, 臂架与液压缸、行走机构门架均为铰接。非工作风压下地面锚定装置与悬臂为铰接, 液压缸采用杆单元模拟, 板单元大小采用50mm, 计算模型如图2所示。
(1) 工作风压满载下俯8°。
边界条件施加结束后, 应力云图如图3所示。
此工况下载荷组合为Ⅱ, 由图3可以看出板单元的冯氏应力值最大为78MPa<[σ]=180MPa (此处板厚16mm, 材质Q235-B) , 出现在液压缸铰点附近板厚变化处, 强度满足要求, 悬臂最大总变形量是42mm, 许用挠度取L/350=16500/350=47mm, 整体刚度满足要求。
稳定性的验算包括悬臂的整体稳定性验算和局部稳定性验算, 为了简化计算过程, 提高计算效率, 下面运用电算和手算结合的方式进行分析:首先用软件做线性屈曲分析, 求出一阶特征值, 初步判断线性屈曲时的临界应力的大致范围, 再由一阶模态结果分析出结构失稳时是整体屈曲行为先发生还是局部屈曲行为先发生, 若为后者, 则确定出屈曲的板件为哪一块板件, 然后在利用电算的应力结果, 手算该板件的稳定性是否通过。若为前者, 则手算整体稳定性是否通过。现对此工况进行线性屈曲分析, 得到一阶特征值为5.8, 局部屈曲, 板件为靠近油缸支点处的腹板, 位置和形态如图4所示, 屈曲形态为波浪形, 应力几乎成上下对称性分布, 由此可以判定出该板件主要是由弯曲应力引起的局部屈曲, 由于剪切应力及局部压应力不大, 为了简化计算局部压应力和剪应力对板件屈曲的影响可以暂不考虑, 待计算结束后用通过适当增大系数的方法进行补偿。现将该板件提出单独进行稳定性计算, 计算简图如图5所示。
该板件最大的应力值为±60MPa, 参照板件稳定性理论, 临界应力按下式计算:σk=K (δ/h0) 2×103MPa, 其中系数K取值与腹板的固定情况和正应力分布情况有关, 参考相关资料, 翼缘板对腹板起弹性固定作用, K≈6300, 板厚δ=8mm, 腹板高度h0=1168mm, 带入公式得出临界应力σk=295MPa, 考虑到腹板受剪应力及局部压应力作用, 将临界应力降低10%, 临界应力取295×0.9=2 6 8 M P a, 稳定性安全系数达到了268/60=4.5, 再由于268MPa已然超过了材料的许用应力180MPa, 所以屈曲的发生是在强度失效之后, 无须考虑屈曲状态。综上所述可以得出, 悬臂主截面的控制因素为整体刚度要求。板件的验算全部通过。下面对杆件进行分析计算。
本结构中的杆件全部布置在受压翼缘板一侧, 与横隔板联合作用提高了悬臂的抗侧弯屈曲能力和抗扭转能力, 从而提高了悬臂整体稳定性。通过杆件的应力云图可知最大受力为-30MPa, 即此杆为轴心受压杆。悬臂中的杆件全部采用等边角钢∠50×50×5, 几何长度2220mm, 截面积480mm2, 毛截面的最小回转半径r=9.8 mm, 考虑到角钢的单边焊接造成的偏心影响, 将许用应力[σ]=180MPa降低15%, 取值153MPa, 强度计算通过。杆件的刚度由长细比λ衡量, 由于此结构中的杆系均为支撑类杆, 参照起重机设计规范和钢结构设计规范将许用长细比[λ]取值200。λ=μL/r=2220/9.8=226>[λ] (其中杆件视为两端铰接, 长度系数μ=1.0) , 刚度未通过。杆件的稳定性按σ=N/ (φA) <[σ]=153MPa判定, 查钢结构设计规范可知角钢∠50×50×5在长细比λ=226时的φ=0.149, 代入公式σ=30/0.149=201>[σ], 稳定性未通过。以上针对1) 工况 (工作风压满载下俯8°) , 全部验算完毕。
(2) 针对剩余三种工况, 将有限元模型进行旋转, 定义好边界条件后, 按照上面的步骤和方法进行计算, 计算结果按照杆件和板件进行分类, 分别汇总于表1、表2中。
由以上数据看出, 四种工况中整体刚度均满足要求, 板件强度除工况4) 情况需说明外, 其余均满足要求, 但考虑到工况4) 为非工作状态, 应力达到四种工况中的最高值86MPa, 且此载荷工况属于Ⅲ类载荷, 板件许用应力取200MPa, 杆件许用应力取170MPa, 强度、局部稳定性全部通过。杆件的受力最大工况是工况4) , 强度计算通过, 刚度和稳定性未通过, 工况4) 计算通过, 则前三种工况自然通过。现将角钢∠50×50×5全部换成角钢∠75×75×5, 计算后强度应力值σmax=27MPa, λ=148, 稳定性应力值σmax=130MPa, 全部通过。
结语
(1) 此侧式悬臂堆料机的悬臂的主截面由整体刚度控制。
(2) 工况4) 非工作风压下水平状态下的板件应力及杆件应力达到峰值。
(3) 利用FEMAP的强大分析能力结合传统手算, 可以大大提高计算效率, 保证了计算结果精度。
(4) 为其他类似的悬臂式堆料机的悬臂结构的设计计算提供了参考依据。
摘要：侧式悬臂堆料机是散料堆放的理想设备, 可以采用定点堆料方式或人字法堆料方式将物料堆积成长形料堆, 以达到物料的均化和贮存的目的。本文利用有限元分析软件并结合手算对DB200/16.5侧式悬臂堆料机的悬臂进行静力学计算, 对其典型的几种工况进行分析, 验算了其强度, 刚度及稳定性。
关键词：悬臂,应力,屈曲
参考文献
[1]成大先, 等.机械设计手册第四版第5卷[M].北京:化学工业出版社, 2006.
[2]徐克晋.金属结构[M].北京:机械工业出版社, 1982.
[3]JB/T8849-2005, 移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范[S].