斗輪機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)受力分析與方案優(yōu)化

徐永南

摘 要：作為物料輸送裝備，斗輪機(jī)在港口、電廠、煤礦、化工等行業(yè)運(yùn)用廣泛，是提高物料輸送效率，節(jié)約輸送時(shí)間，降低輸送成本的高效運(yùn)輸裝置，但斗輪機(jī)常常在俯仰運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)臂架振動(dòng)，產(chǎn)生原因一般有對(duì)受力狀態(tài)掌握不清導(dǎo)致選擇不合理配重，以及因系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致使用了不滿足工作條件的液壓元件。本文主要分析斗輪機(jī)在空載、取料以及堆料這三種狀態(tài)下，俯仰運(yùn)動(dòng)下液壓缸的受力情況，并針對(duì)斗輪機(jī)做俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力特點(diǎn)探討如何改進(jìn)液壓系統(tǒng)，解決臂架振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：斗輪機(jī)；俯仰運(yùn)動(dòng)；臂架振動(dòng)；受力分析

斗輪機(jī)是斗輪堆取料機(jī)的簡稱，被廣泛應(yīng)用在建材、煤礦、港口等貨流量較大的場地中，是裝卸物料的大型運(yùn)輸機(jī)器，其主機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)是斗輪機(jī)的主要工作環(huán)節(jié)，且能量消耗較大，同時(shí)伴隨有臂架的振動(dòng)問題。為了解決振動(dòng)問題，提高斗輪機(jī)工作壽命，提高裝卸效率，以下將對(duì)DQ1250.35整體型斗輪機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)在空載、堆料、取料狀態(tài)下的液壓缸受力進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致臂架振動(dòng)的原因，并提出改進(jìn)措施。

1液壓缸受力狀況

斗輪機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)主要有液壓變幅和機(jī)械變幅兩種方式，目前廣泛使用的是液壓變幅。傳統(tǒng)液壓結(jié)構(gòu)有能源消耗大、油源裝置體積大、對(duì)油液敏感等不利因素，而交流變頻技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了直驅(qū)式液壓系統(tǒng)，具有對(duì)電機(jī)控制靈活、液壓機(jī)構(gòu)出力大等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，節(jié)能效果明顯，體積較小，對(duì)油污染不敏感，因此常適用于斗輪機(jī)。

斗輪機(jī)一般有整體和非整體兩種，整體型的俯仰系統(tǒng)一般只設(shè)計(jì)為液壓缸既受拉力也受壓力；非整體型的主機(jī)俯仰系統(tǒng)通常將液壓缸設(shè)計(jì)為既受拉力又受壓力，或者只受壓力。本文分析的DQ1250.35斗輪機(jī)為整體型，整體型俯仰系統(tǒng)中，液壓缸常受到負(fù)壓，會(huì)出現(xiàn)由受拉到受壓的轉(zhuǎn)變過程，這種特殊狀況的出現(xiàn)導(dǎo)致若要保證臂架工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，要求液壓缸出油腔具有足夠壓強(qiáng)。

1.1空載時(shí)液壓缸受力狀況

空載運(yùn)行時(shí)，對(duì)斗輪機(jī)臂架轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩作用的為部件m1～m16自重以及液壓缸作用力 F。設(shè)各部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 Ji（i=1～16），根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律，臂架上各部件的重力對(duì)轉(zhuǎn)軸的合外力矩與液壓缸作用力 F 對(duì)臂架轉(zhuǎn)軸的力矩之和等于臂架對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與臂架在合外力矩作用下所獲得的角加速度 α 的乘積。

式中：mi為各分載荷質(zhì)量，t；Lmi為各分載荷重心到轉(zhuǎn)軸距離，m；F 為液壓缸輸出力，N；αmi為載荷重心到轉(zhuǎn)軸連線與水平線夾角；γ為液壓缸作用力方向與對(duì)轉(zhuǎn)軸垂直分力之間的夾角；L2為液壓缸前臂架上的鉸接點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸距離，m。臂架傾角與液壓缸長度的關(guān)系如下：

液壓缸作用力方向與液壓缸對(duì)轉(zhuǎn)軸垂直分力之間的夾角表示如下：

式中，θ 為液壓缸與水平線夾角。以上各式共同構(gòu)成空載時(shí)液壓缸受力 F 與臂架傾角φ 的關(guān)系。

1.2 取料時(shí)液壓缸受力分析

斗輪機(jī)取料時(shí)液壓缸的受力計(jì)算與空載時(shí)的分析類似。不同之處在于計(jì)算時(shí)增加斗輪內(nèi)物料重、挖取力、取料時(shí)皮帶上物料重、斗輪積料等 4 個(gè)載荷，計(jì)算公式如下：

1.3 堆料時(shí)液壓缸受力分析

斗輪機(jī)堆料時(shí)液壓缸的受力計(jì)算與空載時(shí)的分析類似。不同之處在于計(jì)算時(shí)增加斗輪積料和堆料時(shí)皮帶上料種兩個(gè)載荷，計(jì)算公式如下：

2俯仰裝置液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

對(duì)斗輪機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)受力分析可以看到，在某些工作狀態(tài)中，液壓缸受到負(fù)負(fù)載，此時(shí)需要選擇使用正確液壓鎖以保證液壓鎖穩(wěn)定開啟的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選擇適合的液壓元件建立穩(wěn)定的系統(tǒng)背壓，從而保證俯仰運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1液壓鎖的改進(jìn)

系統(tǒng)中選用內(nèi)泄式液控單向閥作為液壓鎖。該液壓鎖在液壓缸伸出狀態(tài)下的開啟條件為P1（A2-A1）+F≥A2/A3f。式中：P1為無桿腔壓強(qiáng)，Pa；A1為無桿腔作用面積，m2；A2為有桿腔作用面積，m2；F為液壓缸受力，N；A3為控制活塞截面積，m2；f為單向閥開啟壓力，包括彈簧力、摩擦力等，N。顯然 A1>A2，由液壓鎖開啟條件可知，液壓缸伸出狀態(tài)下，若液壓缸受負(fù)負(fù)載時(shí)，液控單向閥無法正常反向開啟。斗輪機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸受負(fù)負(fù)載時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的反向?qū)?，進(jìn)而導(dǎo)致俯仰運(yùn)動(dòng)臂架振動(dòng)現(xiàn)象。外泄式液控單向閥的開啟條件為：Pst≥[PB·A2-PA（A2-A4）]/A3+C。式中：Pst為先導(dǎo)錐閥開啟需要的油口 X 的控制壓力，Pa；PA為油口 A 的壓力，Pa；PB為油口 B 的壓力，Pa；A2為先導(dǎo)閥錐部截面積，m2；A3為控制活塞截面積，m2；A4為控制活塞桿截面積，m2；C 為系數(shù)，所選閥 C=0.5 MPa。

由以上分析可知，外泄式液控單向閥的開啟壓力 Pst與主油路壓強(qiáng)的比值，主要取決于先導(dǎo)閥錐部截面積 A2與控制活塞截面積 A3的比值。由于控制活塞截面積 A3比先導(dǎo)閥錐部截面積 A2大的多，故外泄式液控單向閥在很小的控制油壓下便可以反向?qū)ā?/p>

因此若要解決斗輪機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)問題，解決由液壓鎖斷續(xù)產(chǎn)生的臂架振動(dòng)問題將液壓鎖換為外泄式液控單向閥。

2.2 單向順序閥代替單向節(jié)流閥

斗輪機(jī)俯仰運(yùn)動(dòng)液壓缸受負(fù)負(fù)載時(shí)，液壓缸回油腔需要建立背壓，以維持受力平衡。單向節(jié)流閥建立的壓強(qiáng)隨流量變化很大，低速時(shí)無法建立有效背壓以平衡負(fù)負(fù)載。由單向順序閥流量壓強(qiáng)特性曲線可知，其壓強(qiáng)受流量變化很小，可以給液壓缸回油腔建立穩(wěn)定壓力，保證系統(tǒng)受力平衡，避免因背壓不穩(wěn)定造成的臂架振動(dòng)問題。

3結(jié)語

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使對(duì)礦產(chǎn)、建材、等需求量增多，與此同時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定高效的物料裝卸設(shè)備極其必要，斗輪機(jī)能夠很好地滿足裝卸需求，但在斗輪機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)中常出現(xiàn)液壓缸受力不當(dāng)，臂架發(fā)生振動(dòng)的問題，本文對(duì)斗輪機(jī)在空載、堆料、取料狀態(tài)下的液壓缸受力狀況作出分析，發(fā)現(xiàn)在某些工作狀態(tài)中，液壓缸有受到負(fù)負(fù)載問題的影響，針對(duì)此問題，提出了使用外泄式液控單向閥作為液壓鎖的解決措施，和使用單向順序閥建立穩(wěn)定背壓的解決方案，以此解決臂架振動(dòng)問題的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 段新業(yè).斗輪機(jī)活動(dòng)梁升降故障的原因分析及處理[J]. 中外企業(yè)家. 2014（33）

[2]基于可靠性斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 金海龍，張健睿. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2014（20）