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              環鏈斗式提升機的改進分析

              0 前言

              中國長城鋁業公司是以氧化鋁生產為主的大型綜合企業,在原料輸送、氧化鋁、水泥的生產中,都安裝有環鏈斗式提升機。

              環鏈斗式提升機因其結構和制造比較簡單,與料斗的連接也很牢固。在高速狀態下離心慣性小,所以經常用于離心卸料式的垂直斗提機中。但是,這種天然的優勢,隨著其中間某些薄弱環節,設計結構的不完善,制造質量的降低,致使其故障多發,壽命顯著降低。因此,如何分析這種設備的失效情況,怎樣改進,是工程技術界研究的一個重要課題,筆者就一般情況做如下介紹和分析。

              1 環鏈斗式提升機的一般介紹

              環鏈斗式提升機,簡稱為斗式提升機,它是把裝有煤、礦石、水泥或其它一些散狀物料的料斗,用鏈條連接起來進行垂直輸送的輸送機,如圖1所示。鏈斗式提升機在底部自動裝料,料斗繞過頂部鏈輪后又自動卸料。

              對于圓環鏈斗式提升機,機械部標準JB3926.1-85規定圓環鏈斗式提升機為TH型,適用于輸送物料比重小于1.5t/m3的粉狀、粒狀、小塊狀的無磨琢性、半磨琢性物料,輸送溫度不超過250℃。

              我公司主要用TH315、TH400、TH500、TH8004種規格,環鏈式斗式提升機,主要輸送粉狀物料。

              2 對于離心力引起附加張力可做如下分析:  

                     
                    離心力引起的張力Fu。
              環鏈斗式提升機示意圖

              由于,所有位于鏈輪上的鏈節均受離心力的作用,因而會使整個鏈條產生附加張力?;剞D物體所產生的離心力為

              C=mk2p

              式中 m——物體質量,kg

              k——回轉角速度,s-1

              p——回轉中心至物體重心間的距離,m可求得單個鏈節的離心力C為

              C=(9.8q0/g)k2r·cos(U/2)=9.8pg/g×V2/r·cosU/2=qv22·sinU/2·cosU/2=qv2·sinU

              式中 q0——單個鏈節重量,kg

              q——每米鏈條重量,kg/m

              r——鏈輪分度圓半徑,m

              v——鏈輪圓周速度,m/s

              U——單個鏈節節距對準的中心角度

              g——重力加速度,g=9.8m/s2

              對全部圍在鏈輪上的鏈節所產生的離心力進行分析后,可得它們所引起的鏈條附加張力Fc為:

              Fc=qv2Y

              式中 Y——鏈條的節距系數

              當鏈條節距較小時用下式計算已足夠準確。即 Fc≈qv2 (N)

              由上式可知,離心張力與速度平方成正比。高速時,Fc會大大加重鏈條的負荷。

              3 環鏈組的失效分析與改進

              3.1 環鏈組的受力狀況環鏈組在工作中,隨驅動輪的轉動,而呈現周期性的受力狀態,如圖2所示。

              環鏈組周期性的受力狀態

              從圖2中可看出,鏈條受力的周期為L/πD,圖線上的小鋸齒狀為振動及嚙合沖擊力的數值。即環境承受著大諧波及高頻周波力的作用,特別是料斗較密、單重較大,速度又較高時,則高頻周波在低頻線上的波動會加大。根據MiNir疲勞累積損傷理論,會使環鏈在周期載荷C作用下產生疲勞破壞。作為工程設計,可將此時的外力狀態,看成是使零件靜載能力降低到1/10。

               

              另一方面,從環鏈組的組成看,其中的串連環節——鏈環鉤是其中的薄弱環節。這主要是因為料斗要用鏈環鉤與之連接,因此,鏈鉤設計多為圖3形式。

              鏈環鉤示意圖

              在圖3中可以看出,斗環鉤與料斗連接以后,料斗孔徑與斗環鉤的尺寸,在設計上,就有精度差。按正常情況鏈鉤直徑小,料斗孔徑大;在加工制作時,還會出現偏差,差值為1mm以上。鏈環鉤受到拉力后,將使尺寸d張開,量出d的大小(受限于料斗連接孔)。鏈環鉤除受正常的拉應力外,在與料斗連接處,還受到因料斗的反復滑動,引起的剪切應力。

              這時,由于這大約1mm的間隙變化量,料斗受到較大的離心力作用,帶動鏈環鉤。將使鏈鉤產生巨大的附加彎矩。按圖3的結構尺寸,可近似得出附加彎矩值,由材料力學可知:

              1/(a+b)=M/2EJ即M=2EJ/(a+b)

              式中 J——物體形心慣性距,m4

              E——材料彈性模量,N/m2

              a、b——具體尺寸,m

              當鋼鉤直徑d=20mm,a=25mm,b=45mm時代入具體a、b、J數值,大約相當于附加彎矩值為32.34kNm,即相當于鏈條增加了1617kN拉力k2。于是,當綜合作用的結果,即周期的疲勞載荷值k1為附加載荷值之和k1+k2,達到靜載的標定時,經過一定的循環周期即可破壞。此時,按最大的循環周期計算為6×106。若鏈束為1.5m/s,鏈長為45m,沖擊影響的大波動按1/3的鏈斗數計,當0.6m為1斗時,可得沖擊次數為45/0.6×1/3=25次,即6×106/25×45/1.5=6×45×106/25×1.5=7.2×106s=2×103h=80d,這個數字是最不利情況的最長天數,可見壽命很低。

              3.2 鏈環鉤現場使用損壞情況及原因分析

              (1)在鏈環鉤(1-1)載面處斷裂 主要原因為鏈環鉤受料斗離心力作用,螺絲根部受拉應力,而發生破壞。

              (2)在鏈環鉤(2-2)、(3-3)截面處斷裂 主要原因是受鏈條拉應力和離心力產生的彎矩,造成的破壞。

              (3)在鏈環鉤(4-4)截面處發生斷裂 主要原因為料斗與鏈環鉤之間,為動配合(≥1mm間隙),雖然有螺絲緊固,但在鏈條拉力作用下,斗環鉤與承重料斗之間,產生反復的上、下錯動,斗環鉤受到剪切應力的破壞。

              3.3 改進設想

              (1)改造鏈鉤形狀 如圖4所示,使環鉤的直邊通過受力中心,即按著吊鉤形狀及截面設計環鉤,會使其受力狀態得到最大程度的改善。

              改后鏈環鉤

              (2)改進環鉤與斗式的連接 為避免動截加彎矩造成的破壞,可將環鉤與料斗的連接,做成用螺栓與二者靜配合的結構。此時,造成的不良后果會因制造精度的不高,而帶來固定的靜截附加截荷。同時,會給安裝帶來較大的不便。

              (3)將環鏈改板鏈形式 因為板鏈結構,可以做到承載鉸鏈比壓低,節距精度高,(動截荷小),可大大地提高鏈條組的承載能力。更由于此時環鉤的開端已不存在,鏈斗與環鉤的連接處,又成為鏈條上的一個環節,使其產生較大的附加載荷可以忽略。因此,可以更大更安全地承受高速、大載荷工況。

              當鏈速小于1.8m/s時,查鏈條功率曲線表時,可知p=70.2mm,以下節距值,可滿足中速度的需要。

              另外,由于板式鏈可安裝導向,承重的滾動體,使輸送機可方便地設計、安裝與布置。

              總之,環鏈式斗式提升機在現場使用中,應根據不同的物料介質,選用最不易損壞的結構型式,而在設計制作中,根據物料情況,做成不同的設計,讓用戶選擇,以使環鏈式提升機發揮最大的效能。

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