龙卷风吸尘罩设计中油缸的选型与计算
2017-12-28陈仁杰
陈仁杰
（常州三思环保科技有限公司，江苏 常州 213000）
龙卷风吸尘罩设计中油缸的选型与计算
陈仁杰
（常州三思环保科技有限公司，江苏 常州 213000）
通过分析龙卷风吸尘罩的运动情况，在液压站提供的压力情况下，对龙卷风吸尘罩的基本运动进行了介绍，并给出了油缸选型的计算依据和计算过程。
龙卷风吸尘罩；油缸；液压
龙卷风吸尘罩属于环保设备，是用于提高城市环境质量的设备，在中频炉熔炼金属时对大气处理起到了决定性作用。近年来，随着环保意识的逐渐加深，国家相继颁布了一系列重磅文件，并将环境治理作为“十三五”的重要工作进行。而作为环保产业中的一个组成部分，大气环保设备任重道远。本文以大气处理设备龙卷风吸尘罩为例，结合一定的模型基础，介绍了龙卷风吸尘罩的主要组成部分和作用，并述说了吸尘罩的基本动作，最后给出龙卷风吸尘罩设计中油缸的选型与计算。
1 龙卷风吸尘罩基本组成和作用
龙卷风吸尘罩的结构如图1所示，其主要组成部分包括外盖、安装底座、大臂、主管道连接口、中频炉炉体。
图1 龙卷风吸尘罩的结构
龙卷风吸尘罩中的外盖，在中频炉融化过程中，外盖始终处在炉体上方位置，既起到保温，又起到除尘作用；外盖内侧含有耐火材料，增长设备使用寿命。外盖独特的流线型设计使得气流能够像龙卷风一样被吸入除尘管道内，这样的设计大大的增加了除尘的效果，龙卷风除尘罩中的龙卷风也是因为此设计而被命名的。龙卷风吸尘罩中的安装底座起到固定整个吸尘罩的作用，安装底板焊接在炉体平面结构上，然后与安装底座螺钉连接，并使吸尘罩牢牢固定在炉台上，防止吸尘罩因脱落而造成人身财产损失。此外安装座方便快捷的安装方式备受客户和安装维修人员的喜爱。龙卷风吸尘罩中的大臂是整个吸尘罩主梁机构，吸尘罩的运动都要在此机构上完成。吸尘罩的打开与关闭，油缸受力的固定端，回转机构都安装在这个机构上面，因此，特别对大臂做了分析与加强，从而使龙卷风吸尘罩能够顺利的完成所要求的动作。龙卷风吸尘罩中的主管道连接口起到连接吸尘罩与主吸尘管路的作用，当炉前风阀打开时，整个除尘系统通过主管道产生的负压与流量，将中频炉熔炼过程中产生的粉尘颗粒与有害气体，通过设计的龙卷风吸尘罩全部吸进主管道内，这样起到废气的处理作用。中频炉的炉体，客户现场提供，主要熔炼金属，但会产生粉尘、废气等物质，因此，为中频炉配备龙卷风吸尘罩是必不可少的。
2 龙卷风吸尘罩的基本动作
龙卷风吸尘罩主要有初始状态，即油缸均不动作吸尘罩停留在中频炉上方；外盖向后方打开状态，即小臂油缸伸出推动回转机构，打开外盖从而进行扒渣处理；龙卷风吸尘罩向前方打开状态，即加料小车进行加料，操作人员对融化样品测试等操作，都需要吸尘罩在此状态下完成。正常熔炼状态下、出铁水状态下，龙卷风吸尘罩是闭合在中频炉上方，除尘管道风阀关闭，这样既可以保证炉体内的温度，保证金属融化的效率，又可以对熔炼时产生的粉尘颗粒与有害气体进行处理，达到国家环保生产的要求。当中频炉需要进行扒渣处理的时候，操作人员拉下操作台拉杆，小臂油缸伸出，龙卷风吸尘罩炉盖外盖打开。随后操作人员进行扒渣处理；扒渣完成后，在确保安全的情况下，拉上操作台拉杆，小臂油缸做收回动作，龙卷风吸尘罩缓慢回归至初始状态，停留在中频炉上方。当中频炉出铁水完成时，加料小车进行金属加料处理。操作人员切换旋钮至大臂油缸端，拉下拉杆，此时大臂油缸伸出，整个龙卷风吸尘罩炉盖打开，加料小车缓缓驶入后方进行加料，待加料完成后，操作加料小车驶出至初始位置。随后操作人员控制拉杆，使龙卷风吸尘罩恢复至初始状态。
3 油缸选型与计算
（1）模型基本参数。液压站提供液压压力12 MP a；液压油介质：植物油；油缸工作温度：高温（≤80℃）；小臂总负载：1500 k g；大臂总负载：3800 k g；龙卷风吸尘罩组件间摩擦系数：μ=0.3。
（2）计算步骤。油缸计算基本原则：油缸推力大于（负债作用力×安全系数f s）。
在龙卷风吸尘罩应用中公式为：T≥M×μ×f s
式中，T为油缸推力产生的扭矩；M为负载产生的扭矩；μ为回转支承摩擦系数；f s为安全系数。
T=F×l×c o s γ
式中，F为油缸推力；l为油缸推力力臂；γ为油缸推力方向与切线方向的夹角。
F=p×s
式中，P为油缸压强；s为油缸受力面积。
S=πr²
M=G×L
式中，G为负载重力；L为负载重心力臂。
G=mg
式中，m为负载质量；g为重力加速度，约等于9.8 N/k g
小臂油缸计算：
初选小臂油缸缸径D=80 mm，带入公式计算得：
T≥M×μ×f s
T=F×l×c o s γ
p=12 MP a,D=80 mm,l=630 mm,γ=[0，51.43]
T=[23.69 K NM,38 K NM]
M=G×L
m=1500 k g,L=1353 mm
M=20.295 K NM
μ=0.3
f s=3.89
安全系数f s=3.89，符合安全要求。但是安全系数过大，增加研发制作成本。减小小臂油缸缸径D=60 mm，代入公式计算得：
I f D=60 mm
T=[18.81 K NM,112.68 K NM]
f s=1.17
安全系数f s=1.17≤1.2，不符合安全制造要求。
综合考虑到油缸缸径80 mm以下只有60 mm或者更小，因而得出小臂油缸缸径取D=80 mm。
大臂油缸计算：
初定大臂油缸缸径D=120 mm，带入公式计算得：
T≥M×μ×f s
T=F×l×c o s γ
p=12 MP a,D=120 mm,l=610 mm,γ=[0，80.39]
T=[13.82 K NM,82 K NM]
M=G×L
m=3800 k g,L=1162 mm
M=44.156 K NM
μ=0.3
f s=1.04
计算得出安全系数f s=1.04≤1.2，不符合安全制造的要求。因而继续增大大臂油缸缸径D=140 mm，带入公式计算得：
I f D=140 mm
T=[18.81 K NM,112.68 K NM]
f s=1.4
计算得出安全系数f s=1.4≥1.2，符合安全制造要求。
得出大臂油缸缸径取D=120 mm。
综上所述，小臂油缸缸径取D=80 mm、大臂油缸缸径取D=120 mm。
4 结语
通过对龙卷风吸尘罩主要组成部分的研究、龙卷风吸尘罩要求完成动作的分析，大臂小臂在负载情况下要完成动作所需的推力，计算出油缸缸径。根据以上所述，所选油缸缸径在设备上运行良好，并实现了龙卷风吸尘罩所要求的相关动作。
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[4]范钦珊，薛克宗，程宝荣等，理论力学[M].高等教育出版社.
P 445
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：1671-0711（2017）12（下）-0078-02
