PL380/52特大型散料门式耙料机的设计*

王存明 蒋文荣 张锁龙 刘 麟 王 光 陆宪辉

（1.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司 2.常州化工设备有限公司3.常州大学机械工程学院 4.常州市过程装备工程技术中心)

PL380/52特大型散料门式耙料机的设计*

王存明**1蒋文荣2，4张锁龙3，4刘 麟3，4王 光2，4陆宪辉2，4

（1.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司 2.常州化工设备有限公司3.常州大学机械工程学院 4.常州市过程装备工程技术中心)

PL380/52特大型散料门式耙料机是大型化肥生产装置的重要配套设备。详细论述特大型散料门式耙料机设计的目的、依据和方法，为设计更大耙料能力和更大跨度的散料门式耙料机提供参考。

门式耙料机 设计 散料 化肥 自动化

0 前言

近十几年来，我国化肥工业在产业布局和集中度、技术装备水平、资源综合利用、环境保护等方面取得了一定的进步。我国化肥工业基本形成了产、供、销相对独立和完善的体系，走出了一条适合我国国情的、基本自给的、资源利用和环境友好协调发展的路子。

在产业发展过程中，化肥产业组织结构调整及重组，由大型化肥企业替代小型化肥企业的生产模式，不仅是我国化肥行业提高生产效率和能源利用率、降低环境污染的必要手段，而且也是保障我国化肥行业又好又快发展的重要措施。

耙料机作为化肥生产包装的重要设备，是大型化肥厂最大的移动设备 （见图1）。一般大型化肥厂都设有一座大型化肥散装库，在无包装条件时由胶带输送机将化肥均匀撒入散装库中，当需要包装时再由耙料机将化肥耙到胶带输送机上，送到包装工段进行定量包装。

1 我国大型散料门式耙料装备的现状及发展趋势

我国一些化肥生产企业 （中国石化安庆分公司、四川泸天化股份有限公司、沧州大化集团有限责任公司等）从20世纪70年代开始从德国、法国等国家引进耙料机成套设备。由于当时包括耙料机成套设备在内的数种类型的大型化肥装置核心技术由国外企业所垄断，开发具有自主知识产权的耙料机就成了当务之急。1980年前后我国组建了由六部委参与的 “引进设备国产化办公室”，由原化工部牵头，对大型化肥装置中的重要设备进行国产化开发，使之具有自主知识产权。

图1 散料门式耙料机

近年来，随着化肥产业结构调整及重组的深入开展，化肥生产企业的大型化和集中化迫切需要其生产过程中的设备进行更新换代。例如，目前尿素装置生产能力正由原 “30-52工程”（即年产30万t合成氨/52万t尿素工程）向 “50-80工程”方向发展，并正向 “70-120工程”等更大规模发展，而与之配套的耙料机却无法满足生产装置的需求。现有的耙料机由于吨位过小，成为化肥生产企业大型装置的短板，不但严重制约了现有大型装置的生产效率，而且耙料机单位产值的能耗较高，造成能源的较大浪费。国内能生产此类设备的企业有常州化工设备有限公司、常州第二化机厂和上海大神力公司等。虽然国内有企业在原有PL240/48门式耙料机基础上进行了放大设计，生产了PL350/50门式耙料机，但只是几何放大，并未真正掌握其核心技术，所以在业主索要设计依据时无法提供。为了提高化肥生产大型装置的生产效率和能源利用率，掌握开发大吨位、高性能、环保节能、安全可靠的大型耙料机技术已迫在眉睫。

掌握特大型散料门式耙料机的设计，对提高我国化肥生产大型装置技术水平，有效降低化肥生产成本，增强我国化肥行业在国际市场的竞争力，有效节约能源都是有益的；同时，也是在我国耕地面积减少和人口增加的双重压力下，保障我国粮食和农产品持续稳定丰产增收的重要前提。该装备的开发将拓展我国在东南亚的化肥设备市场，增强企业核心竞争能力，对参与大型机电设备国际竞争创造了有利条件。另外该技术还可以推广应用于粮食、建筑、矿产等行业散料的输送，极大地提高产品的适应性和应用领域。

2 特大型散料门式耙料机的设计

PL380/52型耙料机是跨度为52 m、耙料量为380 t/h的特大型散料门式耙料机，其设计须解决以下三个方面的关键技术问题：

（1）以减轻设备自重、降低材料消耗为目标的耙料机整机钢结构受力分析与优化设计；

（2）以提高耙料能力和耙料效率、降低能源消耗为目标的耙料系统结构优化设计；

（3）以创新耙料机操作控制理念，提高设备自动化、智能化控制水平，提高耙料机操作效率为目标的操作控制系统的优化设计。

以上三方面的关键技术具体细分为以下内容。

2.1 耙料机整体门架的受力分析与优化设计

由于耙料门架质量达180 t，跨度达52～54 m，自重引起的变形和受力是耙料机门架优化设计主要影响因素之一。由于在制造和安装两种不同状态下耙料机的变形都达到300～400 mm，其自身的变形直接影响产品的正常运行和安装的精确度，故其受力状态对结构设计和承载能力有很大影响。通过对耙料机整体门架的受力分析，利用理论和数值模拟相结合的方法，分别计算下述项目:

（1）门架在制造时应预留的反变形量；

（2）门架安装后的初次变形量；

（3）将耙臂耙链等附件装上后的最终变形量，以及门架中的应力水平和应力分布情况；

（4）当门架两端出现一定量 （如300 mm）的行走偏斜时门架中的应力水平和应力分布情况。

以上计算包括空载静止时的载荷和工作运行时的载荷两种状态。

2.2 耙料机最大行走误差估计和纠偏设计

首先计算行走轮作用于轨道上的压力载荷，而后对水平导轮作用于轨道的水平力和力矩进行计算，估算耙料机行走轮的最大行走误差，进而对行走轮的行程和轨道进行纠偏设计，达到控制行走轮行走误差的目的。由于跨度达50～54m，其行走偏差将对控制系统提出很高的要求。

2.3 耙料机端梁的优化设计

分别对A、B端梁的强度、刚度及挠度进行校核计算，并确定耙料机A、B端梁在制造时的反变形量 （或称预变形量），根据计算结果对A、B端梁进行优化设计。

2.4 耙料机主副耙臂结构优化设计

对耙料机主副耙臂的强度、刚度及挠度进行校核计算，重新对耙臂结构进行全面优化设计。

2.5 耙料机耙料能力及能耗的优化设计

通过数值分析和试验相结合的方法，对耙料机的耙料过程进行模拟分析，计算耙料机耙料能力，并建立耙料量与耙板高度、宽度、间距、速度之间的关系式，进而优化耙板和耙链结构。

2.6 耙链结构优化设计

在耙料机工作运行过程中，耙链承受巨大的工作载荷，一旦耙链断裂，不但会造成生产停工，甚至会导致严重的安全事故，因此需对耙链工作时所承受的最大工作载荷进行计算和强度校核。在此基础上对耙链进行全新优化设计，以滚子链取代老式的板式链，使耙链与轨道由滑动摩擦改为滚动摩擦，从而大幅降低动力消耗。对链轮及轨道进行优化降噪设计，以降低运动噪声。独创性地对耙链进行润滑设计，以改善耙链关节润滑状态，延长耙链使用寿命，最大程度地节约能源。

2.7 耙板结构优化设计

针对原有耙板自重大、过于平直、耙板有效高度小、耙板效率较低的状况，通过模拟试验和理论研究，开发出自重小、板效率高的耙板，从而提高耙料机耙料能力，降低能源消耗。

2.8 主副耙臂组合结构的优化设计

现有耙料机无论是进口产品还是国产产品，由于其结构及操作控制上的原因，耙料机在自动运行结束后仍残存有10%～15%的余料，必须通过繁琐的、效率低下的手动操作来完成余料回收作业；且由于耙料机结构原因，最终仍残存约1%的余料无法耙送，形成死料，只能另行安排人工清理。以设计总库容量为25 000 t计，1%的余料也将达250 t，且都是压实了的僵死料，人工清理特别费时费力。新设计的耙料机从操作控制理念和结构等入手，取消了手动操作的余料回收作业程序，在全自动操作状态下实现尿素耙取完毕的功能，从而可大幅度提高操作效率，显著减少能源、人工消耗，降低工人操作强度，提高经济效益。

2.9 操作控制系统设计

耙料机操作控制系统将摒弃原来的机械僵化操作控制模式，创新操作控制规则，充分利用现有先进控制技术，在耙料机大车运行、大车行走纠偏、耙臂角度控制、主副耙臂安全距离保持控制、耙板吃料深度调节、各种安全保护措施设置以及耙料机各运行参数的检测、反馈、控制等方面实现高度自动化、智能化。要求耙料机的运行状态、故障信息方便可查，对故障具有一定的自诊断能力。耙料机的操作从自动运行程序到具体手动操作动作都进行人性化改进，以改善操作人员的劳动环境，降低劳动强度。

耙料机整体优化设计流程如图2所示。

图2 耙料机整体优化设计流程

3 总结

PL380/52特大型散料门式耙料机是大型化肥生产装置的重要配套设备。本文详细论述了特大型散料门式耙料机的设计方法，可为设计更大耙料能力和更大跨度的散料门式耙料机提供参考。本文论述的全新优化设计的耙料机操作控制理念先进、耙料能力大、耙料效率高、能源和人工消耗低、运行安全可靠，完全满足化肥装置大型化、自动化、信息化、环保节能、安全可靠的要求。这种优化设计代表了耙料机今后发展的方向。

Design of PL380/52 Oversize Bulk Portal Harrower

Wang Cunming JiangWenrong Zhang Soulong Liu Lin Wang Guang Lu Xianhui

PL380/52 oversize bulk portal harrower is an important matching equipment for large fertilizer plant.Detailed discussed the design objective,basis and method of oversize bulk portal harrower,to provide reference for design of harrower with larger capacity and greater span.

Portal harrower;Design;Bulk;Fertilizer;Automation

TQ 051.23

2012-12-12）

常州市科技支撑项目资助 （CE20120094）。

**王存明，男，1978年生，工程师。无锡市，214071。