成品仓放料门气缸选型的理论分析

朱冰伟(廊坊德基机械科技股份有限公司,河北廊坊　065600)

成品仓放料门气缸选型的理论分析

朱冰伟
(廊坊德基机械科技股份有限公司,河北廊坊065600)

针对沥青拌和站的成品料仓门气缸选型的问题,以某沥青混合料生产设备的成品料仓为例,从仓门形状、受力关系、气缸运行速度与开合时间之间的关系等方面对成品料仓放料门进行了理论分析和计算,得出了仓门的合理形状与气缸选型的依据,可为同类设计提供参考.

成品料仓门;气缸选型;开合时间;理论计算

0　引　言

气缸在沥青拌和站中发挥着至关重要的作用,其选择是否合理,直接影响着整套设备的运行.若选择缸径过小,则输出力不够,气缸不能正常工作;若缸径过大,不仅使设备笨重、成本高,同时耗气量会增大,造成能源浪费.一般情况下,沥青混合料拌和站常处于全天不间断的工作状态[1-4],如果某一个气缸出现故障,将直接影响整台沥青拌和站的生产,造成经济损失.因此,本文通过对成品仓气缸选型的分析,提出选择气缸的理论依据.

1　成品仓放料门受力分析

1.1受力分析

选则气缸时,首先要计算出需要的作用力.开关放料门的力与其本身结构和所受外力有关,后者属于局部压力,并取决于物料的物理特性、料仓形状的尺寸、刚度以及料仓的操作方式等因素.对于水平的放料门,考虑到物料颗粒内部的摩擦力和粘着力产生的剪应力τ会抵消部分物料重力,使其上的压力要比流体静压力小得多,尤其是对未全部卸空的料仓.成品仓水平料仓门的受力模型如图1所示.

作用于水平放料门上的平均压强可用下式近似计算[5]式中:RH为放料口的水力半径(m);ρ为物料的容积密度(kg·m－3);g为重力加速度(m·s－2);k0为考虑料仓操作特点的系数,对于整个工作中全部卸空的料仓,取k0＝1;对于每开启一次并非都是全部卸空的料仓,取k0＝1.5;对于每开启一次便全部卸空的料仓,取k0＝2.

图1　成品仓水平料仓门受力模型

作用于倾斜和垂直闸门上的压强,可近似按下式计算[5]

式中:β为仓门对水平面的倾斜角;λ为侧压系数,λ＝0.18/μ,μ为物料的内摩擦系数.

则作用于放料门的压力为

式中:A为料仓卸料口的面积(m2).

CP120成品仓的放料门为水平方向,则沥青混合料与仓门间的摩擦力为

式中:μ0为沥青混合料与成品仓仓门间的摩擦系数.

1.2仓门形状的选取

由计算可知,摩擦力f越小就越有利于仓门的开合.想使f减小,则要求压强p或者卸料口面积A减小,但由于在卸料时,需要保证规定时间内的卸料量,因此卸料口面积A不能变,所以需要减小压强p.由式(1)可知,在k0、ρ和g不变的情况下,只能减小RH,由RH＝A/L(L为卸料口的周长)可知,由于卸料口面积A不变,只能增大卸料口的周长L.

CP120成品仓放料门的形状为长方形,边长分别为a和b,由A＝ab和L＝2 a＋b()可得

取A＝1,由式5可得周长L的变化规律如图2所示.

图2　L变化规律

由图2可知,a值越大或者越小,周长L会越大,因此CP120成品长方形仓放料门的一边长尽可能取较大的值.在保证放料门面积的情况下,一边长a越大,RH会越小,压强p也会越小,则打开放料门所需要的力也就越小,也就越有利于气缸的选型.

2　成品仓放料门气缸的选型

气缸的理论输出力是在最理想状态下的输出力,但实际中会因为摩擦、气压等有损失.所以实际输出力要小于理论输出力.一般设计时都按照理论输出力的50%～70%来选型.

气缸最主要的数据是缸径和行程,气缸的输出力主要与活塞的受力面积有关,而气缸的受力面积则取决于气缸的缸径.一般来说,气缸的缸径和行程成一定比例,行程越长,缸径也会随之变大.

根据需要的输出力换算出气缸的活塞面积S,由F0＝np S可得

式中:F0为气缸所需要的输出力(N);P为系统压力(Pa);S为活塞面积(m2);n为安全系数,一般气缸水平使用取0.7,垂直使用取0.5.

计算出气缸的活塞面积后,再根据S＝πD2/4计算出气缸的缸径D.为了安全考虑,在计算出缸径后,都会选择比计算值大一级别的缸径.

气缸的行程可根据料仓门完全打开所需要的行程来预选,为了安装调试,对预选的行程要留有余量,一般使用满行程或者根据实际情况选择合适的行程,这样可保证供货速度,降低成本.

3　实例计算

3.1气缸选型的计算

以德基CP120成品仓为实例进行计算,过程如下.

CP120成品仓的仓门为水平仓门,仓口为长方形,尺寸为400 mm×850 mm,卸料时成品仓并非全部卸空,所以k0＝1.5;一般情况下,沥青混合料的密度ρ为1 800～2 200 kg·m－3,在计算时取最大值2 200 kg·m－3;经过多篇文献的相互验证,普通钢板与混凝土的摩擦系数大致为0.6,因此取沥青混合料与仓们的摩擦系数μ0＝0.6.由式(1)可得

由式(3)、(4)得

则打开料仓门所需要的力最大为F0＝f＝5 024.55 N

CP120成品仓的仓门为水平仓门,故取n＝0.7,系统压力为0.8 MPa和1 MPa时,分别由式(5)得

D1＝107 mm,D2＝96 mm

从气缸列表中选出标准缸径的气缸为125 mm.一般情况下活塞与推杆的直径之比d/D为0.2～0.3[6],则气缸推杆的直径选取范围为25～40 mm.

CP120成品仓的仓门完全打开至少需要移动400 mm,而选择气缸的行程应大于400 mm,所以选取标准行程L＝500 mm.

在上述计算中,各系数选取均偏向安全,因此计算出的缸径能完全满足要求.

3.2气缸的运行速度分析

对选出的气缸需要进一步进行运行速度分析,以此来验证成品仓开合门是否能达到工作状态下所要求的时间.

由于空气具有可压缩性,而且气缸运动受很多因素影响,导致气缸的运动特性很复杂,是一个复杂的非线性运动,因此难以建立准确的数学模型,并进行理论分析.为了便于分析计算,作以下假设.

(1)设定工作时的气源为理想气体,符合理想气体特性.

(2)假设气源的供气能保证气缸进气腔的压力恒定.

(3)假设气缸的进气和排气是一个等熵过程,即气体与外界热交换可以忽略.

CP120成品仓仓门开合是直线运动,则成品仓仓门的气动工作模型如图3所示.

图3　气缸工作系统模型

当电磁阀换向后,压缩气体进入A腔,A腔压力上升,同时B腔气体排出,B腔压力下降,当活塞两侧的压力差大于负载时,气缸活塞杆推动负载动作.在实际工作中,受各种因素影响,气缸中压缩空气产生的压力能不可能完全转化成负载的动能.一般情况下气缸的效率值在0.7～0.95之间[7].气缸动作速度和成品仓仓门的开合时间计算过程如下.

在成品仓仓门完全打开过程中A腔气体推动活塞所做的功为

B腔气体阻碍活塞运功所做的功为

式中:p1为气缸A腔内气体压力即气源供给力(Pa);p0为标准大气压(Pa);L为气缸行程(m); S1、S2分别为气缸活塞两侧的面积(m2).

在成品仓仓门开合的过程中,仓门所受的压力是不断变化的,准确计算很困难.为了便于分析计算,把打开仓门时所受的摩擦力转换为恒定的质量块,即设仓门受到的摩擦力F＝mg,再由公式(4)可得,f＝mgμ即得出

根据功能守恒定律得

式中:η为气缸的工作效率;v为气缸运行的最大速度(m·s－1).

由式(7)可得气缸的最大速度为

则气缸的平均速度为

则成品仓仓门完全打开需要的时间为

同理可以计算出成品仓仓门完全闭合的过程大约为0.6 s.

根据在工地实测的沥青混合料拌和站CP120成品仓仓门打开的时间在0.5～1 s之间,因此可以看出选出的气缸型号完全符合实际需要,也验证了上述方法的合理性,可以为其他成品仓仓门气缸的选型提供实际参考.

4　结　语

本文以德基公司的CP120成品仓放料门为基础,对放料门的气缸选型进行了理论分析,得出如下结论.

(1)传统的仓门受力分析只考虑了沥青混合料自身的重力,本文考虑了沥青混合料的物理特性,即物料颗粒内部的摩擦力和粘着力,使受力分析更为合理,计算结果更加准确.

(2)对成品仓长方形仓门的选取进行了分析.在保证放料口面积的情况下,长方形仓门的一边越长,放料门的受力越小,越有利于气缸的选型.

(3)通过实例计算选取的气缸缸径与德基公司在实际应用的成品仓放料门气缸的型号相符合,并进一步对气缸运行速度进行了合理分析与计算,得出气缸的运行速度和仓门的开合时间与成品仓放料门在实际工作下的状态相符合,以此为其他型号的成品仓放料门气缸的选型提供了理论依据和参考.

[1]沈禅,路波,惠伟安.气动技术的发展与创新[J].流体传动与控制,2011(4):7-10.

[2]李小宁.气动技术发展的趋势[J].机械制造与自动化.2003 (2):1-4.

[3]程森林,王辉甫,卢婉冰.基于量纲分析的气缸动力学系统建模与仿真[J].液压与传动,2008(7):10-13.

[4]张春铮.沥青混合料搅拌设备的安装与调试[J].筑路机械与施工机械化,2012,29(7):89-92.

[5]朱昆泉,许林发.建材机械工程手册[M].武汉:武汉工业大学出版社,2000.

[6]王文深,王保铭.液压与气动[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[7]吴国良.气缸综合性能测试系统的研究[D].杭州:浙江大学, 2007.

[责任编辑:杜卫华]

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