王鹏
[摘 要]6.25 m捣固型焦炉是现阶段国内焦化企业常用的一种捣固型焦炉，其组成装置包括捣固机、拦焦车、推焦车、液压交换机等。为了响应节能减排号召和满足环境保护要求，需要对现行的6.25 m捣固型焦炉设备进行优化改进，达到节能提效的目的。文章以某焦化厂6.25 m捣固型焦炉设备为例，首先，介绍设备的基本组成以及各部分的主要参数;其次，选择拦焦车、煤槽侧壁支架、装煤车捣固煤箱3部分，简要概述了优化改进的内容。最后，基于推焦杆的机械疲劳问题，在分析机械振动原因的基础上，提出了相应的减震措施，为延长推焦杆的使用寿命、改良焦炉设备性能提供了一定的帮助。
[关键词]6.25 m捣固型焦炉设备;拦焦车;推焦杆;机械疲劳
[中图分类号]TQ520.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–00–03
6.25 m Tamping Type Coke Oven Equipment Structure
Calculation and Optimization Improvement
Wang Peng
[Abstract]The 6.25 m tamping coke oven is a kind of tamping coke oven commonly used by domestic coking companies at this stage. Its components include a tamping machine， a coke blocking car， a coke pushing car， and a hydraulic switch. In order to respond to the call for energy saving and emission reduction and meet the requirements of environmental protection， it is necessary to optimize and improve the existing 6.25 m tamping coke oven equipment to achieve the purpose of energy saving and efficiency improvement. This article takes the 6.25 m tamping coke oven equipment of a coking plant as an example. First， it introduces the basic composition of the equipment and the main parameters of each part; then selects the coke car， the sidewall support of the coal trough， and the coal loading car to tamping the coal box 3 Section， a brief overview of the optimization and improvement content. Finally， based on the mechanical fatigue problem of the coke pushing rod， and on the basis of analyzing the reasons of mechanical vibration， corresponding shock absorption measures are proposed， which provide certain help for extending the service life of the coke pushing rod and improving the performance of the coke oven equipment.
[Keywords]6.25 m tamping coke oven equipment; coke block car; coke pushing rod; mechanical fatigue
1 6.25 m搗固型焦炉设备结构组成与参数
某焦化厂使用的6.25 m捣固型焦炉设备主要有拦焦车、装煤车、推焦车、熄焦车等组成。
（1）拦焦车位于焦炉操作台一侧的轨道上，主要功能为在推焦时用导焦栅将红焦炭导入熄焦车内，同时把出焦烟尘导入集尘干管。4台走行电机的功率均为30 kW，最大走行速度可达60 m/min;走行车轮直径为710 mm，共14个，每个车轮可承受最大压力320 kN;导焦运行周期设定为10 min;设有2台辅助除尘风机，功率为37 kW。
（2）装煤车的位置在焦炉机一侧，在装煤车运行过程中，煤塔内的洗精煤在摇动给料机的作用下，从煤塔下方的落料口掉入装煤车的煤槽中。同时，经过捣固机的处理，形成的煤饼通过运煤车进入焦炉内。装煤车还具有自动收集余煤和烟尘的功能，装煤时洒落的煤料、辅助消除装煤时产生的烟尘，都能由装煤车收集起来，创造良好的作业环境。整车行走速度7.5～75 m/min，单轮最大承压600 kN;有2台液压油泵，另外配备容积为4 m3的余煤回收装置。
（3）推焦车通过安装在焦炉机一侧的轨道定向行驶，基本流程为：先打开炉门，将炉内碳化室里的红焦推出;然后关闭炉门，并对炉门外侧、炉框进行清理。
（4）熄焦车和电机车为配套使用，电机车提供的电力驱动气缸做功，将电能转化为机械能，然后控制熄焦车开门机构的开、闭。熄焦车内的红焦温度可以达到1 000 ℃以上，在电机功能与牵引下，将熄焦车送入熄焦塔内，从塔的上方喷水熄焦。当焦炭完全冷却之后，再由熄焦车将其运送至焦台，将冷焦卸下。
2 6.25 m捣固型焦炉设备的优化改进
2.1 拦焦车运行机构的计算
拦焦车在运行期间所受阻力主要有3部分，即静阻力（如车轮轴承内摩擦力、轮缘与轨道侧面的摩擦力），启动时的惯性阻力、风载荷阻力。具体计算方法为：
（1）静阻力的计算。静阻力（Wj）与车体自重（Gn）和静阻力系数（ω）有关，存在以下关系：
（1）
结合设备资料可知，车体重量为290 t，重力加速度取9.81 m/s2，静阻力系数可通过以下公式求出：
（2）
式中：μ为轴承摩擦系数，取0.015;d为轴承内径，取190 mm，f为车轮在轨道上滑动时的摩擦力臂，取0.05;D为车轮踏面直径，为710 mm;C为附加摩擦阻力系数，取1.35。根据上述已知量，可求ω=0.0056，将其带入式（1）中，可得拦焦车运行时的静阻力为：
Wj=Gn×g×ω=290×9.81×0.0056≈15.93 kN （3）
（2）启动惯性阻力的计算。启动惯性阻力（Wa）主要與启动时的加速度（α）、车体重量（Gn），以及旋转件的惯性阻力（K）这3个因素有关，并且存在以下关系：
Wa=k×Gn×α （4）
式（4）中，启动加速度取平均值，为0.16 m/s2，旋转件的惯性阻力为1.2，则Wa=1.2×290×0.16=55.68 kN。
（3）风载荷阻力的计算。风载荷阻力（Wf）与风力系数（C）、迎风面积（A）、风压高度系数（F）等因素有关，并且存在以下关系：
（5）
式（5）中，风力系数取1.1;风压取90 N/m2，风压高度系数取标准值1，迎风面积为64 m2，则上式计算结果为6.912 kN。
为了克服阻力使拦焦车正常运行，必须要提供足够大的功率。拦焦车的电机功率（P）可通过下式计算得出：
（6）
式中：Kh为海拔高度系数，该企业所在地区海拔不足1 000 m，故Kh取1;Kt为温度系数，取1.12;λcp为电机的启动力矩倍数，取2;Zm为驱动装置的数量，为4;Pj、Pa和Pf分别代表静阻力下的功率、惯性阻力下的功率和风阻力下的功率，可分别由以下公式计算得出：
（7）
（8）
（9）
根据上述已知量，要想克服拦焦车的运行阻力，电机总功率P必须要达到10.88 kW。而该厂的6.25 m捣固型焦炉设备中所用电机的额定功率为22 kW，完全能够满足拦焦车的运行要求。
2.2 煤槽侧壁支架结构优化设计
为提升煤槽的牢固性，在两侧分别使用钢架结构进行加固。每侧共有9个侧板支架。每个支架均采用倾斜的钢结构。但是在实际输送煤时，受到捣固机的影响，经常会出现“涨箱”的问题。因此，需要通过优化设计，进一步提高煤槽侧板的强度，防止出现因煤饼频繁捣固而发生煤槽侧壁向外鼓起、位移的情形。设计思路是在原来的倾斜钢结构基础上，从靠近煤槽侧壁的一侧加装有一定弧度的箱型斜撑梁。通过有限元分析，结构改良之后的煤槽侧壁支架结构，抗位移能力是改良前的3倍，从而有效解决了捣固煤饼时侧壁受到挤压力向外突出的问题。
2.3 装煤车捣固煤箱的结构优化
捣固煤箱与捣固机联合作业，利用重锤不断夯击、振捣，使煤粉变成固定形状并且具有一定硬度的煤饼。从组成结构上看，捣固煤箱结构主要有3部分，即侧壁及底部钢板，用于加固结构的受力支撑以及用于连接钢板的槽钢。整体为长方体形状，箱体尺寸成为决定煤饼成型效果和捣固能耗的关键因素。因此，为了以较低的捣固能耗获得符合要求的煤饼，必须对装煤车的捣固煤箱进行尺寸优化设计。其基本方法如下。
（1）运行Abaqus软件，在“新建”选项中根据现有的煤箱尺寸，建立三维模型。此时煤箱的侧壁钢板尺寸参数为14 500 mm×5 415 mm×20 mm;材料为热轧轻型20号工字钢，热轧普型20号a钢、20号b钢，材料实际尺寸见表1。
（2）设计变量。将材料厚度作为变量。从“设置”选项中，调出“尺寸”面板，按照表1给出数据分别填入，点击确定。用数值1、2、3代表20号工字钢、20号a钢和20号b钢。则得到左侧尺寸L1、L2、L3，右侧尺寸R1、R2、R3，以及侧壁壁厚T共计7个设计变量。参数设计见表2。
在此基础上定义目标函数，即煤箱质量最小化。在Optisruct模块中，新建2个Load collect函数，并且分别定义约束、载荷。其中，约束类型设置为Spc，载荷类型设置为Pressure。利用Optisruct进行求解，计算得到最优尺寸。按照计算所得结果，使用应力云图进行分析，对比优化前后应力云图中的最大应力值。根据应力云图显示结果，优化后煤箱最大应力为52.54 MPa，而约束条件为55 MPa，最大应力小于约束条件，故此次优化设计可行。
3 推焦杆机械疲劳可靠性分析优化
3.1 推焦设备振动原因分析
推焦杆是推焦车的核心部件，在推焦过程中由于受到频繁、强烈的振动，推焦杆容易出现接头开裂、杆体变形等问题，继而导致推力不足，无法正常完成推焦，使得整个焦炉设备的运行效率下降。因此，需要对推焦杆进行优化改进。推焦杆的振动破坏主要来源于推焦时的共振现象，由此引起振动疲劳。引起共振的原因包括：①齿轮与齿条啮合时，因为齿轮弹性变形导致齿轮基节误差，改变了原来的啮合频率，在周期性运转中引起共振。②齿轮、齿条中心距不很恒定，尤其是使用年限较长的推焦设备，齿轮发生磨损的情况较为常见，这种情况下因为齿轮各处磨损程度不一致，由此产生啮合振动。
3.2 推焦杆减振措施
在明确了推焦杆振动引起机械疲劳的原因后，可尝试采取减振措施予以优化。其措施之一是检查并调整驱动齿轮和推焦杆齿条之间的间隙，保证间隙控制在1.2～1.5 mm。因为间隙过小则容易发生“咬齿”情况，间隙过大则会导致产生较大的冲击力;所以合理的间隙对解决振动疲劳问题和提高设备运行稳定性有积极帮助。措施之二是及时更换磨损的齿轮，或者将一对相同类型的齿轮分别布置在推焦杆的上、下方，保持对称。并且两个齿轮由同一台电机驱动，这样就始终保持齿轮齿条中心距恒定，也是一种减小振动的有效方法。
4 结束语
6.25 m捣固型焦炉备在使用时，通过合理设置拦焦车电机功率，能够在满足拦焦车运行需求的基础上，节约能源消耗。同时，对焦炉设备的煤槽侧壁支架和装煤车捣固煤箱进行优化，以及采取措施降低推焦设备的机械疲劳，这些改进措施的应用都能够达到节本增效的效果，符合焦化厂节能减排、绿色发展的理念，具有较强的实用价值。
参考文献
[1] 程世平.拦焦车导焦栅移动机构的设计与优化[J].机械管理开发，2018（10）：19-21.
[2] 李光辉，马俊生.7.3 m焦炉新型保护板结构优化及应用[J].山东冶金，2019，41（4）：67，69.
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