振动理论在锅炉给煤机中的应用—为公司提供设计过程

1振动理论在锅炉给煤机中的应用（初步讨论稿2009.04..15）摘要：介绍电厂煤仓新型疏松振动给煤机的设计理念、理论的计算方法、性能参数的测试；和行业中的双质体活化给煤机进行了定性比较，显示了新型疏松振动给煤机的强大优势。关键词：振动理论；锅炉给煤机；设计理念；理论的计算方法；性能参数的测试引言电厂燃煤锅炉的炉前都有一定大小的炉前煤仓，另外为了保证锅炉给煤的连续性，在煤场附近还要设置一定大小的储煤筒仓。无论是炉前煤仓还是集中的储煤筒仓，松散煤粒的仓底一般都设有称重运输皮带溜放煤粒的专用设施，例如分料斗、截门等。这些设施特别是大出口的设施，在溜放煤粒的时候有时会失控，使运输皮带承受不了过大的冲击。然而对于较小出口的设施，尤其是在煤质水分大、粘度高的情况下，则会使仓内原煤出现结拱、堵塞的现象。北京派通电力设备有限公司研制的新型疏松振动给煤机，把煤仓传统的重力自溜放给煤变为强迫振动给煤，有效地疏松了煤仓底部的煤料，大大增强了煤仓内底部煤粒的流动性，彻底解决了煤仓内物料的结拱、堵塞等不正常现象，同时还能在线控制煤的流量，绝对不会出现洪流失控的局面。1新型疏松振动给煤机的结构和工作原理新型疏松振动给煤机属于单质体单轴或双轴机械式振动机构，如图1所示，主要由具有橡胶软接头的给煤机进口装置、具有人字形托板及对称的C形通道的给煤机主体、具有偏心轮的回转主轴、可紧固的两组共4个偏心块装置、轮胎式挠性联轴器、电动机、具有软接头的给煤机出口装置、两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧、给煤机刚性支座等部分组成。具有软接头的进口装置，上面与煤仓的底部相密封连接，下面与给煤机主体的上端面相连接；给煤机主体的下面，通过一组耐酸碱橡胶墩弹簧支撑在给煤机刚性支座上；具有偏心轮的回转主轴通过轮胎式挠性联轴器与电动机相连接；电动机固定于给煤机的刚性支座上；给煤机的刚性支座固定于地面上的水泥混凝土基础上。其工作原理是：电动机带动具有偏心轮的回转主轴，以每秒980r/min的速度转动，使偏心轮产生的激振力促使给煤机的主体作椭圆形轨迹振动，其中竖直方向的的振动将疏松煤仓底部的煤粒，从而增加煤粒向下的流动性，水平方向的振动，将煤仓内的煤粒均匀地从人字形托板分流入对称的C形通道，然后汇合从给煤机的出口溜放到称重式动态运输皮带上；调整成对偏心块的角度或变更电动机的转速，可以在线改变给煤机的给煤量；当电动机停止时，由于对称的C形通道的特殊结构，按流体力学、散体力学的有关理论，已被设计为关闭状态，使煤仓内的煤粒停止溜放，起到了常规截门的作用。试验和实践表明，新型疏松振动给煤机，兼有常规给煤机、截门、煤仓疏松机的功能，是一种结构简单、多种功能、节能可靠、检修方便、寿命超长的给煤机。2单质体单轴机械式振动给煤机（北京派通电力设备有限公司研制）双质体单振动电机机械式振动给煤机（＊＊GK公司—北京＊＊＊＊＊＊＊＊有限公司代理，专利申请人＊＊＊）和行业中刚问世不久的＊＊GK公司的所谓活化给煤机相比，在设计理念上具有明显的不同。为了便于分析、计算和比较，笔者绘出了它们的力学模型，北京派通电力设备公司研制的新型疏松振动给煤机，设计比较传统，其力学模型见图2，而＊＊GK公司的所谓活化给煤机（实际并非是这个名称，而是它在中国代理申请的实用新型专利—高效环保节能给煤机），属于双质体，其力学模型见图3。xyxyωｍｚｄｒ＝ｘ＋ｙ　22ｍ0×ｒ　Ａ≈ｍｐｍ0无阻尼受迫振动的振幅具有质量的煤粒对振动主体的阻尼力xyyxω22ｒ＝ｘ＋ｙ　ｍｚｄｍ0具有质量的煤粒对振动主体的阻尼力图2图3因为本文主要是介绍单质体单轴机械式振动给煤机（新型疏松振动给煤机）的设计计算，所以这里只简要说一下关于图3中的几个原则性问题。笔者的以下的观点，诚邀同行研讨：被振质量M是振动给煤机的主体，弹簧刚度C2与主体被振质量M构成一定固有频率（按振动理论：水平　02s；垂直　02c2g）的给煤振动系统；振动电机及其固定框架紧固后构成了激振源，其总质量为m，假设振动电机的转速为n，则激振源的激振频率就是602n，弹簧刚度C1与激振源质量m构成一定固有频率（按振动理论：水平　01s；垂直　0c1）激振源系统；根据图3力学模型，笔者认为激振源的振动应当是竖直方向的平面圆形振动，其垂直分量传递给被振质量M的量是极其有限的，其水平分量显然不会使被振质量M在垂直方向上产生多大的振幅，因此，给煤振动系统的振动，是以水平振动为主的长短轴相差较大的平面椭圆形振动（在竖直方向），不能获得活化给煤机原本理想的疏松活化效果；值得主意的问题是，虽然　ss21（　01s、　02s）但它们决不是亚共振的条件，因为它们都是固有频率，其中没有激振频率，所以，这里根本不存在什么共振、亚共振或近共振的问题。2新型疏松振动给煤机的主要技术参数(1)主要原始数据：1）给煤机主体的质量，按结构尺寸计算值为kgｍ　61.16021。被振质量M弹簧刚度C弹簧刚度C2弹簧刚度C1主振质量ｍ32）给煤机进口尺寸，截面积为mmF35.135.1，其当量直径为mD5233.135.135.14。3）回转主轴的质量kgｍ　09.2482。4）两套轴承装置共重为kgｍ　56.144228.723。5）一对单列圆柱滚子轴承2324NJ［10］P744：mmD260；mmd120；mmB86；kNCr602；kNCor542；min/1900maxrn；kgfG5.226）两对共4个偏心块装置共重为kgｍｍ　76.74469.18404。7）每个偏心块的偏心距mmｅ　08585.08）耐酸碱橡胶墩弹簧的外形尺寸初步定为14060140，要求当压强为2/1cmkf时，单个弹簧在垂直方向上的压缩量为mmh　86.6，，即弹簧的刚性系数mmkgfhａｃ/31.1886.66.1251　(弹簧的有效横截面积为26.125cmａ　)。而且，要求允许安全垂直方向变形量为27.93mm(按照允许的压缩变形20%计算，得高度允许的压缩量为mmＬ　93.27%20140，为了使振动载体与激掁源稳定同步振动，实践证明，应使振动载体的激掁频率与系统的固有频率之比λ＞2，按λ＝2.6计算，空载初始压缩量为6.28mm，满载时垂直方向的安全允许变形量27.93mm是计算所得，是必须要保证的）。需要指出的是，弹簧初始压缩量6.28mm是设计值，是不能改变的,就是说弹簧的刚性系数必须要满足设计要求；至于满载时的压缩量，要视具体条件来计算，弹簧的垂直方向允许的安全压缩量也必须要满足。9）电动机采用Y160M－6：转速为min/980rｎ　；功率为kWＮ　5.7。10）煤仓内的煤粒特性，查结构设计中松散物料的特性参数［8］附录H，煤的密度3/918mkg，煤的内磨擦角33，煤对钢板的磨擦系数3.0；煤仓的高度按20ｍ考虑。（2）主要技术参数：41）参掁体(振动载体)的质量：kgｍｍｉ　02.207041(注意：煤仓内煤粒对振动的影响虽然不具有通常阻尼力的特征，但是笔者认为，其影响毕竟不是全方位的，在计算中将其视为众多阻尼力中的一种，这样会更趋科学；忽略给煤机的上下软连接进出口的影响；忽略给煤机轮胎式挠性联轴器的影响)。2）激掁频率［3］P20：sradｎ/6254.102609802602　＝＝（振动次数ｎ＝980次/分钟）。3）激振力［5］P123：os241cｅｍＦｉｉ4）最大激掁力：kgfkNskgmｅｍＦｍａｘ　＝＝52.68976.67/74.67595102.625408585.069.184422205）单位振动载体质量所受到的最大激振力［2］P310：2220/67.3202.20706524.10208585.069.1844smｍｅｍｈ　6）空载静止时，两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧的平均压缩量：mmｃｇｍy　28.68.931.18188.902.20701807）满载静止时，两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧的平均压缩量：按《钢制焊接常压容器》［9］P102标准中所采用的詹森（Janssen）松散物料仓的压力理论，煤仓内任一高度处煤粒间的水平压力ｈｐ与垂直压力ｖｐ的比值，即侧压系数假定恒定为2948.033sin133sin1sin1sin1ｖｈｐｐｋ，于是，煤粒对人字形托板的压强225233.1203.02948.044/3915/33.3836613.02948.048.99185233.114mkgfmNeeukgDpDxukv　　　人字形托板上煤粒的压力kgfFppv　713535.135.139155由于煤粒对人字形托板的压力是动态的，根据资料［3］，真正对振动有影响的阻尼力，有一个折算系数mK，按资料［3］推荐2.01.0～Km，这里取0.1mK(计算表明，只要把煤仓内煤粒对振动的影响视为一种阻尼力，则mK的大小对最终的计算结果，几乎没有影响。由振动理论可知［2］P317，其实由Ax的计算式也不难看出，对于有阻尼的强迫振动，当激振频率与固有频率相差较大时，阻尼系数或阻尼力的大小，对最终的振幅的影响是很小的，可以忽略不计)，于是煤粒对振动载体的阻尼力为kgfKppmz　71350.17135考虑煤粒对振动载体的阻尼力影响，动态或静态时，两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧的平均压缩量mmｃPｇｍzzy　93.278.931.18188.971358.902.2070188.98）振动载体无阻尼时的固有频率［2］P30100xsgyy/150.3900628.08.900　　9）振动载体在有煤粒阻尼时的固有频率［2］P3010zxsgzyzy/174.180279.08.9　　10）煤粒对振动载体阻尼系数［2］P305、306、30900022220zxxxn77.3474.1850.3922220zyyyn11)振动载体的振幅［2］P316mnhAxXx　0031.06254.102046254.102067.3242222222220mnhAyyy　0036.06254.10277.3446254.10250.3967.32422222222206计算结果表明，振动载体的质心的振动轨迹，为长、短轴半径分别为0.0036m、0.0031m的椭圆，近似为圆。不过，需要说明的是，这个振幅值是只计煤粒阻尼影响且是理论上的最大值，实际的阻尼力还有其它多种，所以实际理论上的最大振幅值要小于上述的计算值，况且可以根据工作需要对振幅可以在线调节。12）振动给煤机的消耗功率振动给煤机的功率消耗通常定性为振动消耗和轴承摩擦消耗的总和，然而到目前为止，笔者还未曾发现过可以信赖的计算方法，为此笔者提出参照能量法［1］P182、［2］P307、［4］P103的概念，建议按下式计算：kWsmNAmN　　16.8/.5414.815598.0/26254.10246254.102)20036.00031.0(02.20705.0/24212222考虑到给煤机的重力在给煤机返回振动中心的振动过程中，能够起到有利的作用，笔者认为，采用kW.5.7的输入功率是可靠的。13）关于轴承的使用寿命按参考文献［10］表5-1-19得：载荷性质系数0.3pf；单一轴承的最大径向当量动载荷NFfPp61.10139374.675955.0321max；所选轴承的基本额定寿命是［10］P702）　（hpCnLrloh644561.1013936020009806010)(6