斗輪取料機(jī)斗輪自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的探究與遏制

靳文博

（河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

曹妃甸礦石一期堆場的斗輪堆取料機(jī)額定生產(chǎn)率7500 t/h，堆料最大生產(chǎn)率8625 t/h，取料額定生產(chǎn)率3600 t/h，取料最大生產(chǎn)率4140 t/h。該斗輪堆取料機(jī)可用于堆和取粒度小于75 mm的鐵礦石及粒度小于300 mm 的煤炭等散狀物料，適用于大中型碼頭、礦山、冶金等工礦企業(yè)的儲(chǔ)料場堆取散狀物料。

斗輪堆取料機(jī)的取料作業(yè)是通過臂架回轉(zhuǎn)和斗輪旋轉(zhuǎn)連續(xù)實(shí)現(xiàn)的。物料經(jīng)卸料板卸至反向運(yùn)行的臂架帶式輸送機(jī)上，再經(jīng)機(jī)器中心處下面的漏斗卸至料場帶式輸送機(jī)運(yùn)走。通過整機(jī)的運(yùn)行，臂架的回轉(zhuǎn)、俯仰可使斗輪將儲(chǔ)料堆的物料取盡。

由于日常工作量大，斗輪堆取料機(jī)取料斗更換頻繁。在實(shí)際的更換過程中，發(fā)現(xiàn)斷電后取料斗輪裝置產(chǎn)生了方向隨機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為保證取料斗輪裝置進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)過程的安全性，對自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生進(jìn)行系統(tǒng)性分析，并采取相應(yīng)技術(shù)措施，消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1 取料斗輪分析

取料斗輪傳動(dòng)裝置安裝于前臂架的端部，由驅(qū)動(dòng)裝置及圓弧擋料板、斗輪軸、圓弧擋料板、斗輪、軸承座等組成。斗輪驅(qū)動(dòng)裝置由低速大扭矩液壓馬達(dá)、液壓動(dòng)力站及連接油管等組成，液壓泵的進(jìn)油管直接與液壓馬達(dá)的回油管相連，工作液體在系統(tǒng)的管路中進(jìn)行封閉循環(huán)。大扭矩馬達(dá)與斗輪軸通過花鍵聯(lián)接，馬達(dá)上扭力臂通過支座鉸接在懸臂架上。取料斗輪的結(jié)構(gòu)形式為單腹板無格式，既保證斗輪體有良好的強(qiáng)度，又可使卸料快、回料少，比有格式斗輪出力大。

取料斗輪采用單腹板無格式斗輪，取料斗數(shù)9 只，旋轉(zhuǎn)直徑7500 mm，斗容V=0.75 m3，采用半軸式液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。在現(xiàn)場作業(yè)過程中取料斗輪呈現(xiàn)3 種狀態(tài)：①正常工作模式：取料斗輪以正向旋轉(zhuǎn)方式挖取物料，在取料斗輪取料作業(yè)完畢后，取料斗輪進(jìn)行反方向的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行清料；②緊急制動(dòng)模式；取料斗輪在遇到突發(fā)情況下進(jìn)行緊急制動(dòng)，取料斗停止在任意位置靜止（圖1a））。在對斗輪取料裝置取料斗進(jìn)行維修保養(yǎng)的過程中，斗輪取料裝置可旋轉(zhuǎn)至任意位置后啟動(dòng)緊急制動(dòng)模式，在保持緊急制動(dòng)的狀態(tài)下斗輪取料裝置靜止，并無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象；③斷電模式：取料工作完畢，排空斗輪取料裝置的料斗內(nèi)的殘存積料后，斗輪堆取料機(jī)進(jìn)入斷電模式。此時(shí)取料斗輪發(fā)生了正、反方向隨機(jī)自轉(zhuǎn)狀態(tài)，直至斗輪取料裝置達(dá)到自平衡后，取料斗輪裝置的某一取料斗位于旋轉(zhuǎn)中心的垂線上靜止，如圖1b）所示。

圖1 取料斗輪停止位置

2 取料斗輪裝置自轉(zhuǎn)現(xiàn)象分析

在對取料斗輪裝置的取料斗進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)的工作過程中，為了防止誤操作，取料斗輪需處于斷電狀態(tài)。在斗輪取料裝置進(jìn)入斷電模式后，取料斗輪旋轉(zhuǎn)后靜止，某個(gè)取料斗位于旋轉(zhuǎn)中心的垂線上，但它往往不是需要進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的取料斗。因此需要結(jié)合相關(guān)圖紙與作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況，對取料斗輪的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)性分析，采取必要的技術(shù)措施防止自轉(zhuǎn)，以確保在對斗輪取料裝置的取料斗進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)過程中的安全性。

為明確各取料斗在斗輪取料裝置上的關(guān)系，對斷電后取料斗輪的隨機(jī)位置狀態(tài)模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的定義：①斷電后的取料斗輪的隨機(jī)初始位置狀態(tài)，進(jìn)入自旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的臨界點(diǎn)；②在此狀態(tài)下，將右側(cè)最高位置的取料斗定義為1 號取料斗，其重量定義為G1；③其余取料斗依次定義為n～9 號取料斗；④將斗輪取料裝置的旋轉(zhuǎn)中心定為中心點(diǎn)O；⑤1 號取料斗的質(zhì)心與中心點(diǎn)O的連接線平面距離定位為R1；⑥則其余取料斗的質(zhì)心與中心點(diǎn)O 的連接線平面距離依次進(jìn)行相應(yīng)定義為Rn至R9；⑦1 號取料斗質(zhì)心位置與中心點(diǎn)垂直線的角度定義為α=α1；⑧由斗輪取料裝置相關(guān)圖紙可知，取料斗在取料斗輪體上呈現(xiàn)均布放置狀態(tài)，則相鄰兩取料斗的質(zhì)心與中心點(diǎn)的角度為40°；⑨可計(jì)算出n 號取料斗與中心點(diǎn)垂直線的角度分別為：αn=α+（n-1）×40°；⑩1 號取料斗與旋轉(zhuǎn)中心的垂直線距離為L1；其余取料斗與旋轉(zhuǎn)中心的垂直線距離分別為Ln至L9；將取料斗輪的所受扭矩定義為T。計(jì)算可知：

由于取料斗在取料斗輪體上呈現(xiàn)均布放置狀態(tài)，即：R1=R2=…Rn=R9=R。

可知在設(shè)計(jì)圖紙上取料斗的重量為G=5580 N，即：G1=G2=…Gn=G9=G。

從上述分析可以看出，斗輪堆取料機(jī)在正常作業(yè)模式結(jié)束進(jìn)入斷電模式，斗輪取料裝置整體受力力矩為0，即斗輪取料裝置在進(jìn)入斷電模式后達(dá)到平衡狀態(tài)，因此在斗輪取料裝置結(jié)構(gòu)上不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。

但是經(jīng)過作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際觀測，由于斗輪堆取料機(jī)所取物料的不同特性，取料斗內(nèi)會(huì)殘余粘連部分積料。由于各取料斗內(nèi)積料重量的不平衡性，導(dǎo)致斗輪取料裝置在斷電模式狀態(tài)下的自平衡受到破環(huán)。并且由于各個(gè)取料斗內(nèi)的物料重量分布的隨機(jī)性，從而產(chǎn)生輪取料裝置在隨機(jī)方向上的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3 取料斗內(nèi)積料對取料裝置平衡的影響

為了明確分析取料斗內(nèi)積料對取料裝置平衡狀態(tài)的影響，將各個(gè)取料斗內(nèi)的積料近似為固定物，不會(huì)隨著取料裝置的旋轉(zhuǎn)而分散或聚集，積料在各個(gè)斗內(nèi)的位置是相同的且固定不變，因此可定義：①在此狀態(tài)下，將右側(cè)最高位置的取料斗定義為1 號取料斗內(nèi)積料，即1 號積料，其重量定義為M1，其余取料斗內(nèi)積料依次進(jìn)行相應(yīng)定義為n～9 號積料；②將斗輪取料裝置的旋轉(zhuǎn)中心定為中心點(diǎn)O；③1 號取料斗的質(zhì)量中心與中心點(diǎn)O 的連接線平面距離定位為P1，其余取料斗內(nèi)積料的質(zhì)心與中心點(diǎn)O 的連接線平面距離依次定義為Pn～P9；④1 號取料斗內(nèi)積料質(zhì)心位置與中心點(diǎn)垂直線的角度定義為β=β1；⑤由斗輪取料裝置相關(guān)圖紙可知，取料斗在取料斗輪體上呈現(xiàn)均布放置狀態(tài)，因此各斗內(nèi)的積料同樣呈現(xiàn)均布放置狀態(tài)，則相鄰兩取料斗內(nèi)積料的質(zhì)心與中心點(diǎn)的角度為40°，n 號取料斗與中心點(diǎn)垂直線的角度分別為βn=β+（n-1）40°；⑥1 號取料斗內(nèi)積料與旋轉(zhuǎn)中心的垂直線距離為I1，其余取料斗內(nèi)積料與旋轉(zhuǎn)中心的垂直線距離分別為In～I(xiàn)9；⑦將取料斗輪的所受扭矩定義為極限力矩Tmax。

斗輪取料裝置處于斷電模式下的隨機(jī)位置（圖1a）），在此定義極限狀態(tài)為：①右側(cè)的取料斗殘存為斗容V=0.75 m3的積料；②左側(cè)取料斗內(nèi)無殘存積料，且其余部位也無任何積料；③取料斗內(nèi)的積料不會(huì)隨著斗輪取料裝置的旋轉(zhuǎn)而掉落。則此時(shí)的極限力矩為：Tmax=M1×I1×sinβ1+M2×I2×sinβ2+M3×I3×sinβ3+M4×I4×sinβ4+M5×I5×sinβ5。

已知：V=0.75 m3，ρmax=6000 kg/m3，I1=I2=I3=I4=I5=3575 mm。

計(jì)算可得，在β=10°時(shí)斗輪取料裝置達(dá)到最大不平衡狀態(tài)，Tmax=405.75 kN·m。

4 斗輪取料裝置限位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核

為以確保斗輪取料裝置取料斗維護(hù)保養(yǎng)過程中的安全性，消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)防自轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)。在斗輪堆取料機(jī)的臂架前端焊接防自轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)（圖2），限制斗輪取料裝置上的方鋼條幅的正反方向旋轉(zhuǎn)，對取料斗輪進(jìn)行定位。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)由限位絲杠與支撐架組成，支撐架腹板上有相應(yīng)的螺紋孔，限位絲杠銑出方形槽，以便用扳手扭動(dòng)絲杠進(jìn)行前后相對運(yùn)動(dòng)，斗輪取料機(jī)的臂架前端適當(dāng)位置焊接支撐架。

圖2 防自轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)

支撐架由板塊焊接而成，材料為Q345。將支撐架焊接在斗輪堆取料機(jī)臂架前端的相應(yīng)位置處，限位絲杠軸心與旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O 的距離為L=2200 mm，支撐架與臂架前端的焊接要求有：①對接焊、坡口焊的焊接質(zhì)量等級應(yīng)為三級；②對角焊縫外觀質(zhì)量等級應(yīng)為三級；③在焊接后整形，以保證結(jié)構(gòu)的平行度、垂直度和平面度公差要求。限位絲杠材料為45#鋼，采用梯形螺紋形式，直徑Φ50 mm，為自制件。

使用操作步驟為：①斗輪取料裝置進(jìn)入正常工作模式，將所需維護(hù)的取料斗旋轉(zhuǎn)至適當(dāng)位置；②進(jìn)入緊急制動(dòng)模式，對取料斗進(jìn)行定位；③將限位絲杠旋進(jìn)，前端頂在斗輪取料裝置輻板上，由于方鋼條幅高于輻板，從而達(dá)到限制斗輪自旋轉(zhuǎn)的目的；④進(jìn)入斷電模式，進(jìn)行取料斗的保養(yǎng)維護(hù)工作。

在限位絲杠限制斗輪取料裝置自轉(zhuǎn)狀態(tài)下，絲杠受力為F，可知：Tmax=F×L，經(jīng)計(jì)算可知F=184.43 kN·m，則93.7 MPa＜τ0。

5 結(jié)束語

經(jīng)過結(jié)構(gòu)校核與實(shí)際操作，防自轉(zhuǎn)限位機(jī)構(gòu)滿足使用要求，能夠保證斗輪取料裝置取料斗維護(hù)保養(yǎng)過程的安全性。