短后懸裝船機(jī)液壓俯仰裝置計(jì)算分析

張金貴 段志強(qiáng)

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

裝船機(jī)俯仰裝置的主要功能是根據(jù)裝船的實(shí)際情況來調(diào)整臂架的上下俯仰角度。目前應(yīng)用較多的一種俯仰形式是卷筒鋼絲繩式，其優(yōu)點(diǎn)是俯仰角度變化大，運(yùn)行平穩(wěn)可靠；缺點(diǎn)是組成部件較多，包含電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、減速箱、鋼絲繩、滑輪組、制動(dòng)器等，重量大并且所占空間多，且由于鋼絲繩的柔性使得俯仰裝置存在只能受拉不能受壓的特性。另一種形式是液壓油缸俯仰裝置，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)布置緊湊、重量較輕、構(gòu)件少，抵抗負(fù)載冗余度大，能夠承受拉壓雙向受力；缺點(diǎn)是俯仰角度變化幅度小(通常在30°范圍內(nèi))，對管路油品密封等條件更為嚴(yán)苛[1]。另外由于裝船機(jī)臂架俯仰位置的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重心改變，力矩容易突變，所以需要詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算來明確是受壓工況還是受拉工況，以免發(fā)生危險(xiǎn)。下面對短后懸裝船機(jī)的液壓油缸式俯仰裝置進(jìn)行計(jì)算分析。

2 液壓油缸載荷工況

現(xiàn)場的裝船碼頭為突堤式，兩側(cè)靠船。碼頭縱向全長369.6 m,碼頭寬度15.54 m,軌距10.973 m,碼頭護(hù)舷外伸尺寸2 m,裝載船型為10 000～200 000 DWT的散貨船。裝船機(jī)的設(shè)計(jì)額定生產(chǎn)能力為6 000 t/h,最大裝船能力6 600 t/h,最大設(shè)計(jì)風(fēng)速27.8 m/s,裝載物料為鐵礦石，工作俯仰角度-12°～13°，非工作俯仰角度為13°～21°。最大下俯角度時(shí)，應(yīng)滿足最小船型在滿載低潮位置時(shí)溜筒底部停留在艙口下300～500 mm；最大工作上仰角度時(shí)，應(yīng)滿足最大船型在空載高水位時(shí)，臂架結(jié)構(gòu)距離艙口至少2 m[2]。

由于碼頭為兩側(cè)裝船且寬度較小，要求裝船機(jī)后懸不能超過對側(cè)護(hù)舷，故采用了液壓油缸俯仰和臂架短后懸加大配重的結(jié)構(gòu)形式。整機(jī)上部回轉(zhuǎn)中心至臂架后懸配重中心的距離為7.6 m，臂架前端溜筒中心線至整機(jī)上部回轉(zhuǎn)中心的距離為40.6 m,俯仰液壓油缸的兩端分別鉸接在回轉(zhuǎn)平臺(tái)和臂架上。考慮結(jié)構(gòu)和工況特點(diǎn)需要受力均衡穩(wěn)定，故采用雙液壓油缸頂升的結(jié)構(gòu)形式，臂架左右兩側(cè)各布置1根液壓油缸(見圖1)。

圖1 液壓油缸布置位置示意圖

根據(jù)力矩平衡定理計(jì)算液壓油缸受力情況，由于液壓油缸的力臂值在臂架俯仰過程中是不斷變化的，因此液壓油缸受力的情況也在不斷變化。

為了明確液壓油缸的受力情況，找出液壓油缸受力規(guī)律，需要根據(jù)臂架俯仰角度與液壓油缸受力情況，繪制液壓油缸受力曲線，以找出曲線的極值點(diǎn)。

通過整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算得知需要配重230 t，當(dāng)配重全部加上并且臂架水平時(shí)，計(jì)算得出：在內(nèi)臂架最大外伸時(shí)，整個(gè)臂架部分包含物料總力矩為16.36 MNm，在內(nèi)臂架最小外伸并且空載時(shí)整個(gè)臂架部分總力矩為3.63 MNm。據(jù)此計(jì)算得出其他角度力矩值，再分別算出油缸受力值見表1。

表1 液壓油缸受力計(jì)算簡表

根據(jù)表1中兩種工況建立坐標(biāo)系，油缸受力情況見圖2。

圖2 油缸俯仰受力情況圖

根據(jù)曲線圖可以看出，受力均為正值，說明液壓缸只承受壓力，最大值為物料滿載內(nèi)臂架最大外伸同時(shí)上仰角度為13°時(shí)，壓力值約為232.1 t；最小值為空載內(nèi)臂架最小外伸同時(shí)下俯角度為-12°時(shí)，壓力值約為48.7 t。

3 液壓系統(tǒng)計(jì)算

3.1 液壓油缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上文中得出油缸受力值范圍約為480～2 330 kN。根據(jù)圖紙油缸最短安裝長度為6 025 mm，最大長度為10 085 mm，油缸兩端分別安裝在臂架和轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)上，左右對稱布置。

設(shè)計(jì)油缸缸徑350 mm，桿徑280 mm，安裝距為6 000 mm，行程4 110 mm，額定工作壓力為25 MPa，減壓閥設(shè)置工作壓力為22 MPa，試驗(yàn)壓力為31.5 MPa[3]。

3.1.1 油缸額定壓力計(jì)算

計(jì)算油缸的額定壓力為：

F=2pπd2/4

(1)

式中，p為液壓油缸壓力，MPa；d為液壓缸活塞桿直徑，mm。代入數(shù)值，得出設(shè)定工作壓力下F=6 770 kN，試驗(yàn)壓力為F=9 700 kN。

設(shè)定工作壓力下受力安全系數(shù)n=6 770/2 330=2.9。假設(shè)1根油缸出現(xiàn)問題，那么單根油缸受載安全系數(shù)n=3 385/2 330=1.45。

3.1.2 液壓泵站電機(jī)功率計(jì)算

液壓泵站電機(jī)功率為：

P=2Fv×9.8/η/60

(2)

式中，v為液壓缸速度，m/min；η為液壓系統(tǒng)效率，通常取0.8。

油缸行程約為4 110 mm，液壓站最大流量為100 L/min，俯仰速度v=0.615 m/min。計(jì)算得液壓站電機(jī)功率為28.8 kW，選用電機(jī)功率為45 kW，安全系數(shù)1.56。兩根油缸容積變化量總和為506 L，油箱容積取750 L。

3.2 液壓油缸的穩(wěn)定性校核

根據(jù)前面計(jì)算得知，在臂架滿載并且最大外伸，上仰角度為13°時(shí)，液壓油缸受到壓力最大為2 330 kN，查看圖紙得知油缸伸出3 145 mm，自由彎曲長度為9 145 mm。

油缸的壓桿穩(wěn)定性根據(jù)歐拉公式來計(jì)算：

(3)

計(jì)算得F=21 360 kN>2 330 kN，安全系數(shù)達(dá)到3.5，完全滿足油缸的工作要求。

油缸筒壁厚度校核,根據(jù)公式：

(4)

式中，P為工作壓力，取25 MPa；D為缸徑，0.35 m；σp為材料許用應(yīng)力，355 MPa。

計(jì)算結(jié)果δ=11.8 mm；按照試驗(yàn)壓力31.5 MPa，計(jì)算得δ=15.3 mm。實(shí)際油缸筒壁厚度是35 mm，強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語

針對短后懸裝船機(jī)俯仰裝置的液壓油缸和其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為深入的載荷分析、設(shè)計(jì)計(jì)算和穩(wěn)定性校核，確保裝船機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)為零，并且能夠從經(jīng)濟(jì)效益上做到最優(yōu)化，為類似工況的裝船機(jī)俯仰裝置設(shè)計(jì)提供一定的參考。