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压球机的成型数学模型及功率计算

2020-02-18朱全

赤峰学院学报·自然科学版 2020年1期
关键词:微积分数学模型功率

朱全

摘 要:压球机是粉末冶金的一种常用设备,挤压成型时物料处于一种复杂的物理变形过程,挤压功率一直难以精确计算.本文介绍了压球机的设备组成及工作原理,通过数学方法建立了挤压成型时的模型,利用微积分计算实际消耗的功率,这种算法对与此类近似设备的生产研发具有一定的参考价值.

关键词:压球机;数学模型;微积分;功率

中图分类号:TF124  文献标识码:A  文章编号:1673-260X(2020)01-0061-02

压球机用于将经过充分混均润湿的还原铁混合原料,如铁精粉、除尘灰与煤粉的混合物等,进行压制成球的生产设备,其广泛应用于钢铁、水泥等可回收粉尘较大的企业.其成品可作为二次烧结原料,既完成了生产废弃物的回收利用,又实现了节能减排.压球机的额定功率应符合实际消耗功率,而实际消耗功率采用一般方法往往难以计算,本文通过对压球机的工作状态进行分析,建立其工作原理的数学模型,利用微积分计算实际消耗功率,这对于设备的设计改造具有一定指导意义.

1 压球机的工作原理及设备组成

压球机由预压装置、传动系统、压辊装置、液压系统、机架等组成(见图1).压球机的工作原理是:物料由预压螺旋预压,形成一定的致密度,然后经加料口强制喂料,落入两个压辊之间,压辊表面有相对应的呈棋盘式布置的半球碗,压辊呈水平布置,物料咬入对辊并压缩成连续的球条带.在两个压辊的中心线平面上挤压停止,当压辊继续旋转时,压力降低,所压得之型球因弹性变形尺寸稍增大,使型球与碗壁的贴合受到破坏,从而使型球顺利脱模.

预压装置由变频电机驱动预压螺旋,通过调节电机转速实现定量给料,以此来保证物料均匀进入对辊之间.物料经预压螺旋形成一定致密度,再被强制连续压入主进料口.

传动系统包括:主电机、液力耦合器、减速机、万向联轴器.主电机提供工作动力,经液力耦合器、减速机,将扭矩传递至同步齿轮箱,主动轴与从动轴采用同步齿轮啮合,以保证两轴同步相对转动.因从动轴压辊在工作中产生径向位移,因此选用万向联轴器用于同步齿轮箱与压辊的联接.

压辊装置包括主辊和副辊,两辊在工作时保持一定的压力,并做同步相对转动,将落入其中的物料压实成型.主辊为主动辊,其轴承座为固定式,与机架框架的梁连接;副辊作为从动辊,其轴承座为活动式,由液压缸顶住其活动端,保持两辊间的工作压力.

液压系统由油箱、油泵、过滤器、溢流阀、单向阀、蓄能器等组成,在从动轴压辊处承座设有两个液压缸,主要功能是向两压辊间提供稳定的工作压力,并具有蓄能和安全溢流及保压的作用.

机架为框架式结构,由基座、方梁、壳体组成,内部安装有固定轴承座和活动轴承座,分别作为主辊和副辊的基础.

2 压球机成型的数学模型及功率计算

主电机通过减速机传动产生较大的扭矩,作用于压辊的主辊,通过同步齿轮驱动副辊做同速反向旋转.送入压辊前,物料作自由流动,从压辊表面的某点起被压辊咬入,随着压辊的旋转,物料占有的空间逐渐减小,逐渐被压缩,达到成型压力最大值,随后则压力逐渐减小.所压得的型球因弹性回复而产生尺寸增大,球与球碗内壁的粘合受到破坏,加上其本身的重量而顺利脱模.

压球机通过压辊间的压力将粉状物料压制成椭球实体,其间粉料发生了如下变化:1)固体颗粒的塑性变形和弹性变形;2)固体颗粒互相移近和靠拢;3)气体在颗粒间隙中的移动;4)气体受压后经压辊以及物料的缝隙逸出.由此可见,椭球实体的压制成形过程实质上是粉料的互相移动、变形,迫使孔隙率减少和椭球实体结构致密化的过程.

根据压球机的工况分析,建立挤压数学模型,取垂直于压辊轴线平面为参考平面,以两个压辊的切点为原点,以原点至球碗另一端点所在直线为y轴(假定球碗的一端位于原点处),取该直线的垂线为x轴,建立平面直角坐标系(见图2).下面以此数学模型为基础,结合压球机的实际工况,计算挤压成型所做的功.

根据实际工况条件,压球机压辊直径D=1000 mm,压辊宽度L=900mm,压辊角速度ω=10r/min=π/3ran/s,球碗尺寸为40×30×20mm,线压比q=6t/cm=6×103×9.8N/cm.

用q×y表示挤压力,dx表示微位移,则在成球过程中,每排型球在压辊挤压力作用下产生微位移所做的功dW可表示为:dW=q·y·dx  (1)

根据计算结果,压球机的主电机、减速机、液力耦合器等相关设备在此基础上选取的功率,符合实际工况,设备运转平稳、可靠.

3 结论

通过对压球机工作原理的分析,构建了压球机的挤压数学模型,采用微积分方法计算出压球机的实际消耗功率,为压球机设备的设计及选型提供了依据.本文所采用的计算方法同样适用于类似的挤压工况,对于相关设备的功率校核、设备选型具有一定的指导作用.

参考文献:

〔1〕蔣晓妍.高压压球机轴承箱设计方案的改进[J].有色设备,2008(4):10-12.

〔2〕向峰,雷霆,张玉林.锰粉矿压制冷压球团时对辊压球机设备改造的研究[J].云南冶金,2007,36(6):22-24,43.

〔3〕康茂.浅析新型大功率LED球面成型模压机控制系统设计[J].中国设备工程,2019(15):168-169.

〔4〕宁夏亘峰嘉能能源科技股份有限公司.型煤压球机:CN201821193512.4[P],2019-07-26.

〔5〕天津瑞利鑫环保科技有限公司.压球机出料装置:CN201821816570.8[P],2019-06-21.

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