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焦炭塔自动顶盖机的设计

发布时间:2020-05-02 09:04

  哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 136 - 焦炭塔自动顶盖机的设计 机电工程学院江亮 指导教师黄文涛 摘 要本文设计了焦炭塔自动顶盖机的总体方案包括机械结构、液压系统和控制系统。机械结构设计了顶盖机主要零部件的结构尺寸验算校核了其工作性能并利用有限元分析软件 COSMOSWorks 对液压螺栓、转动臂进行了应力应变分析和结构参数优化液压系统计算了液压执行元件的载荷力和载荷转矩获得了液压系统的特征参数制定了液压系统原理图选择对应的液压元件并验算了系统工作性能控制系统在详尽分析控制...

  哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 136 - 焦炭塔自动顶盖机的设计 机电工程学院江亮 指导教师黄文涛 摘 要本文设计了焦炭塔自动顶盖机的总体方案包括机械结构、液压系统和控制系统。机械结构设计了顶盖机主要零部件的结构尺寸验算校核了其工作性能并利用有限元分析软件 COSMOSWorks 对液压螺栓、转动臂进行了应力应变分析和结构参数优化液压系统计算了液压执行元件的载荷力和载荷转矩获得了液压系统的特征参数制定了液压系统原理图选择对应的液压元件并验算了系统工作性能控制系统在详尽分析控制过程的基础上独立地设计了继电接触器控制系统和带有位置检测的 PLC 控制系统。 关键词自动顶盖机液压螺栓有限元分析PLC 控制 AbstractThis paper designed the overall scheme of coke drum automated unheading device, including the mechanism, the hydraulic system and the control system. The machine part designed the structure and dimension of main components, checked the operating performance, and made use of finite element analysis software COSMOSWorks to analyze stress-strain of the hydraulic bolt, the rotating arm and optimize the corresponding parameters. The hydraulic part calculated hydraulic actuators loading force and the load torque, acquired hydraulic systems characteristic parameters, formulated the hydraulic system schematic diagram, selected corresponding hydraulic components, and checked performance by calculation; based on the precise analysis of the control process the electric control part designed the relay-contactor control system and PLC control system with position detection independently. Key wordsautomated unheading device hydraulic bolt finite element analysis PLC control 1 引 言 焦炭塔是延迟焦化装置的重要设备与塔口法兰采用螺栓连接的顶盖机是开启焦炭塔的重要部件现有的顶盖机大多是采用人工开启自动化程度低工人劳动强度大并且容易发生人身安全事故。因此采用成熟的液压操纵技术、自动控制技术等设计一种适用于 150 万吨/年延迟焦化装置焦炭塔[1]市场上较为通用的自动顶盖机对于提高生产效率和保证安全生产具有显著的社会效益和经济效益。 本文是在参照国内外同类产品的结构原理和控制方案基础上[2] 根据设计要求以及焦炭塔自身的温度场和腐蚀情况[3]来进行焦炭塔自动顶盖机的机械结构、液压系统和控制系统的设计并验算校核所设计的自动顶盖机的工作性能。 2 自动顶盖机的设计方案 根据技术要求结合实际的生产条件和技术资源拟采用水平旋盖、液压螺栓以及 PLC 操纵控制技术。表 2-1 论述了主要的技术及其特点 表 2-1 自动顶盖机使用技术以及特点 拟采用技术 水平旋盖技术 液压螺栓技术 螺栓均布于法兰钢性密封垫圈 锁环集中锁紧 特点 节约空间提高安全性 成熟、安全功率密度大 密封力均匀提高密封性能 密封力同步、可靠 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 137 - 预留人工螺栓位置 带位置检测的 PLC 控制 提高安全性 可靠、完善 自动顶盖机的开盖过程如图 2-1在初始锁紧状态的情况下如图a高压泵将液压油注入液压螺栓液压螺栓解除锁紧如图b再由提升油缸带动密封头盖上升至和连接法兰完全脱离如图c由转角油缸通过转动臂带动密封头盖旋转平移至暴露出塔口如图d。 图 2-1 自动顶盖机开盖过程 关盖过程与开盖过程相反。 焦炭塔自动顶盖机系统主要由机械结构、液压系统、电气控制系统组成。机械结构是整个系统工作的基体如图 2-2 所示主要由塔口法兰、锁环及锁环油缸、连接法兰、液压螺栓、转角油缸、转动臂、提升油缸及密封头盖等组成。 图 2-2 自动顶盖机系统组成 3 自动顶盖机机械结构设计 3.1 典型零部件设计 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 138 - 塔口法兰是整个装置的设计基准。本设计中塔口法兰的公称通径 DN 为通用的 900mm。参考美国标准中 ASME B 16.47~2006 Large Diameter Steel Flanges 中的结构尺寸材料选择 15CrMoR。 塔口法兰和连接法兰以及连接法兰和密封头盖之间的连接为螺栓连接并选用钢制管法兰连接用八角形金属环垫密封。八角垫中心圆直径为 965.20mm厚度为 22.2mm高为 27mm两法兰间隙距离为 8mm。 连接法兰承担了整个装置的大部分重量。它通过 16 个螺栓与焦炭塔上塔口法兰连接上部通过16 组液压螺栓与密封头盖连接之间用八角垫加以密封。其径向结构尺寸和塔口法兰相同轴向尺寸参照 ASME B 16.47~2006 Large Diameter Steel Flanges 的结构尺寸。 与轴承底座通过焊接方式接合。 双头螺柱的作用主要是连接塔口法兰和连接法兰。主要考虑关盖时的受力状态。螺柱受到 F1高温油气在密封头盖上面产生的压力F2塔口法兰上面所有零部件的重量M 偏离塔口法兰轴心的质量产生的力矩的综合作用经过受力分析选择 16×M36材料为 40Cr均布直径为 1092.2mm。 密封头盖主要由法兰、封头和提升油缸连接体组成。法兰盘的径向尺寸同连接法兰相同周围均布 32 个螺栓孔包括 16 组液压螺栓孔和 16 组预留的人工螺栓孔间隔均布在直径为 1092.2mm的圆周上。法兰盘长度为 115mm。采用标准椭圆形封头。封头上面焊接了一个圆筒状的焊接体圆筒的中心攻一个与提升油缸活塞杆外螺纹连接的螺纹孔。 锁环是一个外径和连接法兰外径相等内径与法兰颈外径相等的钢环与连接法兰水平贴合端面上间隔铣有、○形状通孔。厚度为 22mm通孔两圆心间距为 4。 液压螺栓安装时被连接螺栓固定在密封头盖的法兰端面上可看作是缸体内活塞上装有一组碟簧的液压缸。其工作原理如图 3-1 所示当系统压力达到设定值时油泵提供动力推动活塞压迫碟簧收缩活塞杆深入到连接法兰上的法兰孔内此时锁环油缸带动锁环转动一定角度由于形通孔的作用螺塞头部被锁环锁紧切断供油活塞缩回由碟簧提供密封力。 图 3-1 液压螺栓工作过程 液压螺栓由液压缸缸体活塞活塞杆碟簧散热片锁紧螺母螺塞组成。 转动臂的作用为在转角油缸的作用下带动密封头盖转开、转回实现开盖、关盖动作。转动臂采用圆柱形其外径与转角油缸连接法兰外径相等 240mm壁厚为 20mm转动臂基体的长度为 500mm薄板加强筋的厚度为 15mm。 利用 AutoCAD 仿真求得转角油缸最小转过的角度为 104如图 3-2 所示 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 139 - 图 3-2 转角油缸最小转动角度 轴承位于转动臂的下部主要承受轴向力和倾覆力矩根据受力分析选择 29430 型推力调心滚子轴承。 弹簧的作用为轴向固定住锁环选择标准弹簧型号为 YB4X45X60 GB/T 2089-94。 3.2 仿真校核 仿真校核主要是利用有限元方法对液压螺栓和转动臂进行分析。 据液压螺栓的设计活塞杆和螺塞之间的内螺纹连接完全能够满足性能要求把活塞、活塞杆和螺塞当作一个整体。材料为合金钢。约束状态为活塞杆导向段不能左右自由移动活塞顶部不能自由移动。载荷状态为活塞底部受到碟簧 1.47×105N 弹力螺塞头部受到锁环 1.47×105N 的压力。如图 3-3分析结果表明零件最低安全系数为 2.14螺塞头部位移为 0.227mm满足设计要求。 图 3-3 液压螺栓应力应变分布图 转动臂的材料为 45 钢 约束为转动轴底部被推力调心滚子轴承固定 可以绕轴线分析结果表明转动臂最低安全系数为 4.56应变最大为 0.550mm满足设计要求。 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 140 - a 应力分布图 b 应变分布图 图 3-4 转动臂应力应变图 4 自动顶盖机液压系统设计 以开盖为例液压系统的工作循环为液压螺栓伸长-锁环油缸松开-提升油缸提升-转角油缸转开-关闭。 关盖与开盖相反。 4.1 液压系统主要参数计算 根据初步设定的压力计算得到液压螺栓的活塞直径为 Dy=125mm锁环油缸的活塞直径为Ds=50mm活塞杆直径为 25mm提升油缸的活塞直径为 Dt=90mm活塞杆直径为 63mm摆动油缸活塞直径为 Db=0.063m分度圆直径为 50mm。 根据确定的液压缸结构尺寸计算出各个工况时液压执行元件实际工作压力和实际所需流量如表 4-2 所示 表 4-1 液压执行元件实际工作压力和实际所需流量 液压缸 液压螺栓 锁环油缸 松开 提升油缸 下降 转角油缸 转回 4.2 系统原理图 根据系统要求拟定系统原理图如图 4-1动作顺序表如表 4-3 工况 伸长 锁紧 载荷 F/ N 1.67×105 1500 1500 3.00×104 1.0×104 N 动力 222.2Nm 222.2Nm 背压力/MPa 0.5 4.0 工作压力/MPa 22 0.76 1.01 9.25 1.02 2.85 2.85 运动速度 8mm/s 40.4mm/s 8.16mm/s 9.8mm/s 9.8mm/s 4.2/s 4.2/s 结构参数 A1=0.0123m2 A1=0.002m2 A2=0.0015m2 A1=0.0064m2 A2=0.0032m2 A1=0.0031m2 A1=0.0031m2 流量/ L/s 0.0984 0.0808 0.0122 0.0636 0.0314 0.0057 0.0057 提升 转开 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 141 - 图 4-1 液压系统原理 4.3 液压元件选择 根据液压泵的工作压力和工作流量 选择液压泵型号为 5MCY-14-1B 和 10SCY-14-1B 一个工作一个备用油泵电机为 Y112M-4-B5功率 4kW考虑到焦炭塔自动顶盖机位于焦炭塔塔口几何空间比较狭窄液压阀采用叠加阀其他元件的选择主要是考虑工作压力和流量油管材料为 45 无缝钢管内径值分别为锁环油缸回路 4.5mm液压螺栓回路 5.0mm提升油缸回路 4.0mm转角油缸回路 1.3mm油箱尺寸分别为 300mm、600mm、900mm此时油箱的容量为 162L。 4.4 液压系统性能验算 回路中的压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失。计算得到沿程压力损失为 0.53MPa 局部压力损失 0.06MPa总的压力损失为 0.59MPa。而实际中系统有 6.5MPa 的压力裕度 综合考虑各个工况的需要确定系统的最高工作压力即溢流阀的调定压力为 22.6MPa。 开盖过程消耗功率较大发热功率也较大。开盖过程总的发热功率为 0.60kW而油箱的散热功率为 0.95kW可见油箱的散热满足了系统的散热要求而管路散热极小不需要另外设散热器。 5 自动顶盖机控制系统设计 5.1 继电器-接触器控制系统 继电接触器控制系统具有良好的经济性。 考虑到工作环境为低压高温油气 防爆等级为 dIIBT4并且工作、备用油泵电机主回路、控制回路整流变压器均装在防爆配电箱内。两台油泵电机主回路设有热继电器做过载保护整流变压器初次级线圈设有熔断器做短路保护防爆电磁阀、电动机、配电箱都设有接地保护。电磁阀要求的电压为直流 24V采用整流变压器供电。控制回路如图5-1~5-4 所示 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 142 - 图 5-1 电气主电路控制原理图 图 5-2 控制电路原理图 1 图 5-3 控制电路原理图 2 图 5-4 控制电路原理图 3 5.2 PLC 控制系统 相对于继电接触器控制系统PLC 控制系统添加了联锁和自锁控制以及位置检测增强了系统的安全性和稳定性。具体说来添加了液压压力传感元件液压油缸位置传感元件以实现对元件的位置检测与控制。 根据自动顶盖机工作过程描述PLC 输入元件点数为 19输出元件点数为 22因此选用松下可编程控制器 FP1-C56其输入点数为 32输出点数为 24满足设计要求。 系统的 PLC 控制的梯形图以及助记符如图 5-5 所示 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计论文选集 - 143 - 图 5-5 PLC 控制梯形和助记符 结 论 本文提出了系统总体方案。采用水平旋盖方式液压操纵及液压螺栓技术锁环集中锁紧的方式以及带有位置检测的 PLC 远程控制技术。 机械结构部分主要设计了典型零件的结构尺寸并对这些零部件的工作性能进行验算校核。利用有限元分析软件 COSMOSWorks 对液压螺栓、转动臂进行应力应变分析校核其工作性能并适当优化参数设计。液压系统在分析技术要求的基础上根据工作条件和经济性能适当地扩展了设计参数和要求计算了液压执行元件的载荷力和载荷转矩得到了系统的特征参数制定了液压系统原理图选择了对应的液压元件最后验算了系统工作性能和散热性能。机械结构设计与液压系统设计交替进行。电气控制系统在详细分析了系统控制过程的基础上分别独立的设计了继电接触器控制系统和带有位置检测的 PLC 控制系统。推荐采用 PLC 控制系统。 参考文献 1 2 刘文智150 万吨/年延迟焦化装置改造和工程设计天津大学硕士生优秀论文2005114-37 洛 阳 涧 光 石 化 设 备 有 限 公 司  DGJ- Ⅱ 型 自 动 顶 盖 机 用 户 安 装 、 操 作 和 维 修 说 明书 2008 陈孙艺焦炭塔的三维温度场及其应力分析石油化工设备技术19975-10 3

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