斗輪堆取料機(jī)底層取料能力挖潛的研究和應(yīng)用

黃文俊

（國家能源集團(tuán)黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

0 引言

斗輪堆取料機(jī)作業(yè)是散貨港口裝船作業(yè)流程的起點(diǎn)。當(dāng)裝船作業(yè)流程前方故障停機(jī)時，為避免流程后方持續(xù)給料、造成大面積堵料或?yàn)⒙洌×献鳂I(yè)會立即停止。但是實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)遇到流程前方皮帶線或者裝船機(jī)出現(xiàn)故障，斗輪堆取料機(jī)懸皮立即停止后，懸皮積料過多，再次啟動懸皮需要重載啟動，通常情況需要多次啟動，對懸皮驅(qū)動壽命和安全穩(wěn)定性都有影響。同時，當(dāng)斗輪堆取料機(jī)正在底層作業(yè)，如果遇到故障，因懸皮出現(xiàn)回溜、造成導(dǎo)料槽塞煤較多，斗輪堆取料機(jī)懸皮將無法重載啟動，則需要聯(lián)系清理積煤，占用了大量人力物力，故障處理也會占用較多的生產(chǎn)時間。重載停機(jī)時斗輪堆取料機(jī)臂架積料過多、取料過程中出現(xiàn)塌垛、峰值，均會引發(fā)臂架自落啃地，造成料斗頻繁損壞，對取料作業(yè)過程安全性和穩(wěn)定性帶來極大隱患。基于上述現(xiàn)狀，斗輪堆取料機(jī)在底層作業(yè)時往往需要被動限制作業(yè)流量，最大能力只能達(dá)到額定取料能力的80%。根據(jù)堆場模型核算，垛位底層煤炭量占到整個垛位1/2，也就說斗輪堆取料機(jī)單裝時，有50%的情況在限量作業(yè)。綜合起來，如果斗輪堆取料機(jī)單裝概率50%，則單臺斗輪堆取料機(jī)效能影響接近5%。因此，斗輪堆取料機(jī)底層取料能力問題成為了限制裝卸能力的瓶頸，解決上述問題迫在眉睫。

1 斗輪堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)和問題探索

斗輪堆取料機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、懸皮機(jī)構(gòu)和斗輪機(jī)構(gòu)等組成，通過各機(jī)構(gòu)互相配合，類似一個機(jī)械手，經(jīng)過斗輪轉(zhuǎn)動、懸皮帶式傳動、臂架回轉(zhuǎn)、行走進(jìn)給和臂架俯仰五類動作，完成取料作業(yè)。取料作業(yè)過程中，斗輪體繞斗輪軸自轉(zhuǎn)，在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動下持續(xù)挖取物料，物料隨著斗輪體自轉(zhuǎn)到頂部經(jīng)過斜溜槽，落入懸臂皮帶機(jī)，后經(jīng)懸臂皮帶機(jī)倒運(yùn)到下游皮帶。斗輪堆取料機(jī)完成一個回轉(zhuǎn)回合后，經(jīng)行走機(jī)構(gòu)直線進(jìn)給。整個煤垛高度往往遠(yuǎn)大于斗輪體半徑，為避免出現(xiàn)踏垛造成斗輪堵轉(zhuǎn)，提高取料流量平穩(wěn)性，往往需要分層作業(yè)。切換至不同垛層的上升或下降動作，需要俯仰機(jī)構(gòu)來完成。

斗輪堆取料機(jī)底層作業(yè)需要限量的問題，在斗輪堆取料機(jī)投產(chǎn)之初就已經(jīng)存在。近年來，針對以上問題，已有一定的摸索經(jīng)驗(yàn)，均未能有效解決上述問題。

1.1 斗輪堆取料機(jī)頭部增加可翻轉(zhuǎn)擋板

該方案原理為在懸皮重載停機(jī)后，打開頭部擋板，通過啟動懸皮，利用料流重力從懸皮頭部回溜出去，達(dá)到排除懸皮物料效果。弊端在于懸皮依然需要多次重載啟動，煤流才能徹底回溜出去，高壓電機(jī)頻繁啟動，對懸皮驅(qū)動、供電系統(tǒng)壽命和安全穩(wěn)定性有影響。頭部擋板因距離落料點(diǎn)過近的緣故，在煤流沖擊下存在關(guān)閉不嚴(yán)的問題，煤塊易從頭部擋板縫隙竄出，存在煤塊摩擦導(dǎo)料槽過熱自燃的風(fēng)險。為避免上述風(fēng)險存在，原有頭部擋板均已處于焊死狀況。

1.2 斗輪堆取料機(jī)懸皮驅(qū)動加大、帶速增加

該方案原理為對懸皮驅(qū)動加大、帶速增加，通過帶速增加，減少皮帶上積煤存量，懸皮驅(qū)動功率加大，避免重載啟動功率不足問題。弊端在于投資費(fèi)用較高，重載啟動問題未解決。由于頭部斗輪體無法制動，斗輪體停止會滯后于懸皮，導(dǎo)致懸皮導(dǎo)料槽塞煤，帶來啟動困難。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，懸皮重載壓停后再次啟動，往往懸皮因張力不足會出現(xiàn)打滑故障。部分斗輪堆取料機(jī)采用重錘張緊形式，增加配重質(zhì)量，會增加臂架質(zhì)量，存在加劇臂架自落、輪斗啃地的風(fēng)險。

1.3 斗輪堆取料機(jī)懸皮鋼制托輥改造為高分子托輥

該方案原理為通過懸皮所有托輥改造為質(zhì)量更輕的高分子托輥，減輕臂架處的質(zhì)量，當(dāng)出現(xiàn)重載停機(jī)時，通過俯仰油缸漲到0 度，在水平方向放煤。通過托輥改造，臂架托輥總質(zhì)量預(yù)計能夠減輕約1.5t，根據(jù)機(jī)構(gòu)受力分析，折算到臂架俯仰油缸壓力約1MPa，解決上述問題效果有限。

上述改造都是在重載停機(jī)發(fā)生之后進(jìn)行的改造，導(dǎo)致底層作業(yè)時懸皮無法避免重載啟動、臂架自落啃地，對于懸皮重載壓停再次啟動僅僅起到緩解作用。

2 理論研究和方案優(yōu)化

該問題為斗輪堆取料機(jī)底層作業(yè)不能滿足原有設(shè)計能力，一方面原因?yàn)橹剌d停機(jī)后啟動困難或故障影響時間長，另一方面為底層作業(yè)出現(xiàn)踏垛等情況時，會產(chǎn)生啃地的問題。上述問題均是針對重載停機(jī)后或者踏垛之后進(jìn)行的被動改造，耗費(fèi)人力物力多，實(shí)效性卻很低。

技術(shù)人員研究了一種重載停機(jī)發(fā)生之前的改造，包含斗輪堆取料機(jī)懸皮延時停止、俯仰控制優(yōu)化和俯仰系統(tǒng)優(yōu)化，尋求將問題消滅在萌芽狀態(tài)。該改造能夠極大減少斗輪堆取料機(jī)重載啟動頻次和斗輪啃地頻次，提高設(shè)備壽命和安全穩(wěn)定性，能夠使斗輪堆取料機(jī)恢復(fù)原始設(shè)計能力，底層作業(yè)不限量作業(yè)。

2.1 斗輪堆取料機(jī)懸皮延時停止

2.1.1 改造原理

重點(diǎn)解決停機(jī)后啟動困難或故障影響時間長的問題。設(shè)計思路為在斗輪堆取料機(jī)接收到前方故障后，充分借助自身中心漏斗緩沖和下游地面皮帶停機(jī)響應(yīng)慢的特點(diǎn)，在地面皮帶給定停機(jī)信號后，斗輪堆取料機(jī)先發(fā)送取料停止指令，懸皮持續(xù)運(yùn)行，待將懸皮承載面物料倒運(yùn)至中心漏斗后再發(fā)送懸皮停止指令。延時停機(jī)T1 的時間長短，主要根據(jù)懸皮轉(zhuǎn)速和臂架回轉(zhuǎn)中心長度確定，還應(yīng)考慮地面皮帶停機(jī)響應(yīng)和懸皮停機(jī)響應(yīng)的差值、中心漏斗容量等，即延時時間T=臂架回轉(zhuǎn)中心長度/懸皮轉(zhuǎn)速+T，其中T為微調(diào)值。

2.1.2 原有懸皮停止控制方法

當(dāng)前方皮帶線或裝船機(jī)出現(xiàn)故障時，對應(yīng)斗輪堆取料機(jī)通過以太網(wǎng)接收到故障信號，立即發(fā)出停止取料指令，斗輪堆取料機(jī)立即停止斗輪轉(zhuǎn)動和回轉(zhuǎn)，斗輪堆取料機(jī)懸皮立即停止。因斗輪體無制動器，由于慣性作用，會持續(xù)轉(zhuǎn)動數(shù)十秒鐘，滯后于懸皮停止，造成導(dǎo)料槽物料塞死，懸皮無法啟動。即觸發(fā)條件為斗輪堆取料機(jī)在取料狀態(tài)和接收到皮帶機(jī)、裝船機(jī)前方運(yùn)行信號故障。控制方法為斗輪堆取料機(jī)行走、回轉(zhuǎn)、斗輪、懸皮立即停止。

2.1.3 控制方法優(yōu)化之后

觸發(fā)條件為斗輪堆取料機(jī)在取料狀態(tài)和接收到皮帶機(jī)、裝船機(jī)前方運(yùn)行信號故障?？刂品椒槎份喍讶×蠙C(jī)行走、回轉(zhuǎn)、斗輪運(yùn)行指令立即停止，懸皮延時一定時間T后停止。

2.1.4 試驗(yàn)方法

在斗輪堆取料機(jī)作業(yè)過程中，人為觸發(fā)下游地面皮帶拉繩故障，觀察懸皮停機(jī)耗時、懸皮承載面存煤情況和中心漏斗物料情況，再次啟動，觀察沿線溜槽有無撒漏，結(jié)合實(shí)際，對延時時間T微調(diào)。

2.1.5 改造后的效果

采用上述試驗(yàn)方法，對某港斗輪堆取料機(jī)測試。試驗(yàn)結(jié)果為懸皮積煤已排空，斗輪堆取料機(jī)中心漏斗未出現(xiàn)堵塞，均排到地面皮帶。再次啟動，沿線流程未出現(xiàn)堵料、撒漏。試驗(yàn)證明了此改造方法可行。

2.2 斗輪堆取料機(jī)俯仰控制優(yōu)化

2.2.1 改造原理

重點(diǎn)解決底層作業(yè)出現(xiàn)踏垛等情況時產(chǎn)生的啃地問題。斗輪堆取料機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)為液壓油缸驅(qū)動形式的四連桿機(jī)構(gòu)，斗輪堆取料機(jī)臂架質(zhì)量通過俯仰油缸上下腔壓力差進(jìn)行保持。臂架俯仰停止后，隨著臂架煤流質(zhì)量的增加，無桿腔壓力會上升，有桿腔壓力會保持不變，當(dāng)重載壓停時斗輪堆取料機(jī)臂架積料過多、取料過程中出現(xiàn)塌垛、峰值，G質(zhì)量上升，油缸支撐力上升。當(dāng)油缸無桿腔壓力超出安全閥壓力時，均會引發(fā)臂架自落，如果在底層就可能會出現(xiàn)啃地，對料斗和穩(wěn)定性帶來極大安全隱患。因此，斗輪堆取料機(jī)油缸有桿腔壓力越小越好。通過俯仰控制優(yōu)化，降低油缸有桿腔壓力值。

受力分析如公式（1）～公式（3）所示。

式中：F為油缸支撐力；P為油缸無桿腔壓力；P為油缸有桿腔壓力；A 為油缸面積。

式中：L 為油缸支撐力相對后鉸點(diǎn)力臂；L為配重重力相對后鉸點(diǎn)力臂；L為后拉桿拉力相對后鉸點(diǎn)力臂；L為后拉桿拉力相對前鉸點(diǎn)力臂 ；L為臂架重心相對前鉸點(diǎn)力臂。

2.2.2 原有控制方法和效果

單純降低俯仰系統(tǒng)下降速度，能夠在降低背壓P的同時，有桿腔壓力值P也會降低，但是降低俯仰系統(tǒng)下降速度后，會對生產(chǎn)作業(yè)效率造成影響。根據(jù)對液壓系統(tǒng)分析和測量，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有運(yùn)行速度下，下降時有桿腔壓力值為4000kPa，上升時為1000kPa?；诖?，對俯仰控制優(yōu)化，在換層到位后，再次短時間啟動上升命令，將有桿腔壓力釋放到1000kPa，從而達(dá)到降低油缸有桿腔壓力的目的。原有控制方法為斗輪堆取料機(jī)接收到換層命令后，俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)動、液壓閥打開，臂架在油缸作用下開始上升或者下降，俯仰角度等于設(shè)定角度時，換層命令消失，俯仰動作停止。

2.2.3 俯仰控制優(yōu)化方法

觸發(fā)條件為斗輪堆取料機(jī)在取料狀態(tài)和斗輪堆取料機(jī)換層。

控制方法為斗輪堆取料機(jī)換層完畢，延時數(shù)秒后斗輪堆取料機(jī)輸出上升命令，持續(xù)1s 后輸出俯仰停止命令（現(xiàn)場查看1s 內(nèi)，斗輪堆取料機(jī)俯仰角度未發(fā)生變化，油缸有桿腔壓力由4000kPar 降到1000kPa）。

2.2.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述公式理論核算，優(yōu)化俯仰控制形式后，作業(yè)流量超出現(xiàn)有最大流量200t/h 臂架不會發(fā)生自落。對比新舊兩種俯仰控制形式下，臂架自落時的作業(yè)流量和油缸壓力情況。在底層作業(yè)時，測量油缸有桿腔和無桿腔油壓，并實(shí)時觀察皮帶秤數(shù)值和俯仰角度值變化情況。

2.2.5 改造后的效果

采用上述試驗(yàn)方法對某港斗輪堆取料機(jī)進(jìn)行測試，并采用優(yōu)化后的俯仰控制形式作業(yè)，斗輪堆取料機(jī)臂架自落時皮帶秤作業(yè)流量要高于原先控制形式的作業(yè)流量。試驗(yàn)結(jié)果為符合預(yù)期，證明了此改造方法可行。

2.3 斗輪堆取料機(jī)俯仰系統(tǒng)優(yōu)化

2.3.1 改造原理

重點(diǎn)解決底層作業(yè)出現(xiàn)踏垛等情況時產(chǎn)生的啃地問題。俯仰機(jī)構(gòu)通過斗輪堆取料機(jī)液壓油缸、臂架自重和配重自重等作用力的作用下達(dá)到平衡。斗輪堆取料機(jī)在安裝之初，根據(jù)設(shè)計和安全要求，通過增加配重塊，將接地力調(diào)整到合理范圍，避免出現(xiàn)傾覆事故。同時，液壓缸受力也會處于適中的范圍。隨著設(shè)備長期使用發(fā)現(xiàn)，斗輪堆取料機(jī)接地力上升、臂架自落頻次增多的現(xiàn)象。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，重載壓停時斗輪堆取料機(jī)臂架積料過多、取料過程中出現(xiàn)塌垛、峰值，無桿腔壓力超出安全閥壓力時，均會引發(fā)臂架自落。如果在底層就可能會出現(xiàn)啃地，對料斗和穩(wěn)定性帶來極大安全隱患?？紤]到原機(jī)配重調(diào)整質(zhì)量不明，增加配重會導(dǎo)致整機(jī)自重增大，鋼結(jié)構(gòu)負(fù)荷會增大，可能會造成重大機(jī)損問題。故考慮俯仰液壓系統(tǒng)優(yōu)化的角度進(jìn)行解決。俯仰系統(tǒng)優(yōu)化方案包括俯仰液壓泵流量截斷壓力、液壓系統(tǒng)安全壓力和油缸安全閥壓力適度增大，重點(diǎn)研究方案的可行性和調(diào)整方法。

2.3.2 方案可行性研究

對俯仰系統(tǒng)優(yōu)化方案的可行性研究包括油缸工作壓力校核、液壓油管壓力校核和整機(jī)穩(wěn)定性校核。油缸無桿腔安全閥原有工作壓力為21MPa，檢查油缸工作壓力為25MPa，液壓主油管工作壓力為31.5MPa，液壓閥件的工作壓力為31.5MPa，液壓泵最大工作壓力31.5MPa，因此，按照對油缸無桿腔安全閥壓力增大10%，斗輪堆取料機(jī)安全閥壓力增大到23MPa，均在液壓系統(tǒng)安全范圍。根據(jù)上述核算方法和現(xiàn)場實(shí)踐，能夠確保作業(yè)流量超出現(xiàn)有最大流量300t/h 臂架不會發(fā)生自落。

斗輪堆取料機(jī)油缸壓力校核主要針對液壓缸伸出最長距離時的穩(wěn)定性。其計算如公式（4）～公式（5）所示。

式中：PK 為臨界壓力值； E 為材料彈性模量，取2.1×10MPa； I 為油缸活塞桿的最小慣性矩；L 為油缸伸出最長時上下鉸點(diǎn)的距離；d 為油缸缸桿直徑。

安全系數(shù)N（N=PK/F，F(xiàn)為油缸工作時最大作用力），應(yīng)大于2。

2.3.3 斗輪堆取料機(jī)安全穩(wěn)定性校核

考慮到斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)上部結(jié)構(gòu)600t～700t，斗輪堆取料機(jī)出現(xiàn)峰值，臂架質(zhì)量增加2t～3t，對穩(wěn)定性影響較??；同時，原有設(shè)計資料中，6000t/h 斗輪堆取料機(jī)按照通過能力6700t/h 和3000t/h 斗輪堆取料機(jī)按照通過能力3300t/h 核算，整機(jī)穩(wěn)定性符合要求，斗輪堆取料機(jī)作業(yè)峰值通常不會超出上述范圍。所以，安全穩(wěn)定性符合要求。

2.3.4 調(diào)整方法

由于油缸溢流閥壓力超出系統(tǒng)最大壓力，線上調(diào)節(jié)較為復(fù)雜，技術(shù)人員結(jié)合溢流閥結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，利用現(xiàn)有千斤頂?shù)裙ぞ?，?chuàng)新設(shè)計溢流閥標(biāo)定簡易工裝進(jìn)行線下調(diào)節(jié)。溢流閥標(biāo)定工裝為φ100 圓鋼的加工件，通過車床加工而成，一側(cè)與加壓油管快速接頭連接，一頭與溢流閥閥口相連。溢流閥標(biāo)定工具需要使用溢流閥標(biāo)定工裝、千斤頂和臺鉗。臺鉗對溢流閥進(jìn)行夾緊，防止壓力標(biāo)定過程中標(biāo)定工裝出現(xiàn)晃動。千斤頂提供動力。

溢流閥標(biāo)定原理為加壓裝置采用現(xiàn)有千斤頂油鎬，手動打壓后，通過千斤頂壓力表確定調(diào)定溢流閥壓力的高低。當(dāng)溢流閥出口有油液溢流時，壓力表指示值即為溢流閥壓力值。根據(jù)壓力表的指數(shù)，調(diào)節(jié)溢流閥的調(diào)壓旋鈕，實(shí)現(xiàn)對溢流閥標(biāo)定值進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)俯仰液壓系統(tǒng)要求，油缸溢流閥壓力要高于液壓系統(tǒng)安全壓力，液壓系統(tǒng)安全壓力又要高于液壓泵截斷壓力。油缸安全閥壓力可以通過溢流閥標(biāo)定工具進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整另外兩個壓力，先啟動液壓泵，換向閥不動作，將DR 液壓泵截斷壓力調(diào)大，高于系統(tǒng)安全壓力將要調(diào)整的值。然后調(diào)整安全閥，將液壓系統(tǒng)壓力值調(diào)整到優(yōu)化值，液壓系統(tǒng)壓力調(diào)整完畢。之后再將DR 泵截斷壓力調(diào)整到優(yōu)化值。

2.3.5 改造效果

采用上述試驗(yàn)方法，對某港斗輪堆取料機(jī)測試，采用優(yōu)化后的俯仰系統(tǒng)作業(yè)，斗輪堆取料機(jī)臂架自落時皮帶秤作業(yè)流量要高于原先控制形式的作業(yè)流量300t/h。試驗(yàn)結(jié)果為符合預(yù)期，證明了此改造方法可行。

圖1 溢流閥標(biāo)定原理簡圖

3 結(jié)論

該文以某公司堆場斗輪堆取料機(jī)底層取料能力挖潛為研究對象，分析出了影響效能的關(guān)鍵點(diǎn)，創(chuàng)新提出了控制系統(tǒng)優(yōu)化和液壓系統(tǒng)優(yōu)化方法，通過理論測算和試驗(yàn)論證，證明了方案的正確性，并在某公司堆場所有斗輪堆取料機(jī)推廣使用。研究成果具有投入成本低、應(yīng)用效果明顯的特點(diǎn)，解決了斗輪堆取料機(jī)底層作業(yè)能力不足的問題，減輕了人員勞動強(qiáng)度。為提升斗輪堆取料機(jī)取料能力、發(fā)揮裝卸最大效能提供了可借鑒的方案。