連續(xù)卸船機(jī)臂架俯仰液壓油缸密封選擇及機(jī)構(gòu)設(shè)計

毛 兵 訚耀保

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 2 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)以其環(huán)保、高效、智能等優(yōu)勢在散貨碼頭得到廣泛應(yīng)用。連續(xù)卸船機(jī)主要由鏈斗提升驅(qū)動機(jī)構(gòu)、臂架伸縮機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、臂架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、臂架俯仰機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成[1]。其中臂架俯仰機(jī)構(gòu)主要用于起吊推耙機(jī),因此俯仰角度較大,一般為-18°～+35°。隨著卸船能力的增加,臂架自重和后端配重較大,臂架俯仰負(fù)載也越來越大。為增加卸船效率并縮短進(jìn)出倉時間,一般設(shè)置臂架筒體中心速度為15 m/min。上述要求導(dǎo)致臂架俯仰行程長、載荷大且速度快,給臂架俯仰油缸和系統(tǒng)設(shè)計提出了更高要求。

為此,以某一散貨碼頭連續(xù)卸船機(jī)為例,分析各工況下油缸的負(fù)載情況,設(shè)計最合理的密封形式和油缸結(jié)構(gòu),并對油缸壓桿穩(wěn)定性做出校核,為連續(xù)卸船機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

2 臂架俯仰不同工況下的載荷

該3 600 t/h鏈斗式連續(xù)卸船機(jī),設(shè)計作業(yè)船型為30萬t級兼顧35～40萬t級散貨船卸料作業(yè)。以散貨船空載高水位狀態(tài)下起吊推耙機(jī)時的角度為臂架俯仰角度上限,以散貨船半載高水位和滿載高水位狀態(tài)的角度為臂架俯仰工作角度上限,以散貨船半載低水位狀態(tài)確定臂架的俯仰工作角度下限。根據(jù)最大船型吃水水位可得出,臂架俯仰上下極限角度為-17°～31.5°(見圖1)。

1.空載高水位 2.半載低水位圖1 鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)總體布置圖

求得連續(xù)卸船機(jī)臂架的上下極限角度后,根據(jù)機(jī)構(gòu)總圖相關(guān)尺寸可以計算出油缸在臂架俯仰各個角度時對應(yīng)的安裝距。在臂架俯仰上下極限位置,適當(dāng)考慮余量,得出俯仰油缸的最大和最小安裝距和行程。油缸和上部機(jī)構(gòu)計算簡圖見圖2,計算原點(diǎn)為配重梁變幅鉸點(diǎn)O,X軸為臂架方向(陸側(cè)指向海側(cè)),Z軸豎直向上,Y軸符合右手定則,臂架回轉(zhuǎn)半徑為R,油缸運(yùn)行在XOZ平面內(nèi)。當(dāng)油缸完成伸縮動作時,以油缸鉸點(diǎn)B為原點(diǎn),帶動鏈斗機(jī)上部結(jié)構(gòu)和BE筒體部分完成擺動。

1.前拉桿 2.后拉桿 3.中間撐桿 4.前平衡梁 5.俯仰油缸 6.配重梁 7.臂架 8立柱圖2 鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)上部機(jī)構(gòu)簡圖

以臂架俯仰零度為基準(zhǔn),通過機(jī)構(gòu)固定尺寸測量油缸上鉸點(diǎn)A的X軸和Z軸坐標(biāo),分別記為XA0和ZA0,測量油缸下鉸點(diǎn)B的X軸和Z軸坐標(biāo),分別記為XB0和ZB0。根據(jù)俯仰不同的角度可以計算出臂架在不同角度時油缸上鉸點(diǎn)的坐標(biāo),油缸下鉸點(diǎn)B在臂架俯仰過程中固定不動,因此下鉸點(diǎn)B坐標(biāo)不變。根據(jù)各個角度時油缸上下鉸點(diǎn)AB的X軸和Z軸坐標(biāo),計算液壓油缸長度見表1。

表1 液壓油缸鉸點(diǎn)坐標(biāo)

根據(jù)表1的計算結(jié)果,考慮上下極限位置余量,選取油缸行程為7 100 mm,最大安裝距為16 175 mm,最小安裝距為9 075 mm。

連續(xù)卸船機(jī)作業(yè)分為4種工況:無負(fù)載無粘附;無負(fù)載有粘附;有負(fù)載有粘附;吊推耙機(jī)有粘附。計算各工況下在俯仰不同角度時液壓油缸的實(shí)際載荷見表2(拉伸為“+”,壓縮為“-”)。

表2 俯仰油缸不同工況下各角度下實(shí)際載荷

由表2可以看出,可分別以無粘附無負(fù)載的受拉特性和有粘附有負(fù)載的受壓特性來校核液壓油缸的拉壓穩(wěn)定性。

3 油缸密封選擇及機(jī)構(gòu)設(shè)計

活塞桿密封采用多組件的活塞桿密封圈,包含1個壓力環(huán)和至少3個V型密封圈及1個支撐環(huán)(見圖3)。

1.活塞桿 2.防塵罩 3.防塵圈 4.壓蓋 5.導(dǎo)向套 6.V型圈 7.O型圈 8.擋圈 9.導(dǎo)向帶 10.缸筒圖3 俯仰油缸活塞桿密封形式

活塞密封采用多組合件活塞密封組,由1個壓環(huán),1個支撐環(huán)和1～2個V型活塞密封圈組成,主要應(yīng)用于苛刻和惡劣的工作條件(見圖4)。V型密封圈組可以用于一側(cè)承壓的活塞,也可用于活塞兩側(cè)承壓的密封系統(tǒng)。

1.O型圈 2.擋圈 3.活塞1 4.V型組合密封 5.支撐環(huán) 6.導(dǎo)向帶 7.活塞2 8.螺母 9.缸底圖4 俯仰油缸活塞密封形式

4 油缸壓桿穩(wěn)定性校核

該連續(xù)卸船機(jī)油缸規(guī)格為630/360-7100。根據(jù)計算的極端拉壓負(fù)載可知,臂架俯仰角度越高,油缸伸出安裝距越長,油缸受力逐漸變?yōu)槭芾?臂架俯仰角度越低,油缸縮回安裝距越短,油缸受力逐漸變?yōu)槭軌骸?/p>

液壓缸承受軸向壓縮載荷時,當(dāng)活塞桿直徑d與活塞桿的計算長度l之比大于10時,應(yīng)校核活塞桿的縱向抗彎強(qiáng)度或穩(wěn)定性[3]?？紤]臂架俯仰升降過程中載荷大小和方向均存在變化,偏心載荷難以計算,根據(jù)項目經(jīng)驗(yàn)和適當(dāng)放大安全系數(shù),按照無偏心載荷非等截面計算法計算,公式如下:

(1)

式中,Pk為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷;k為形狀系數(shù);E為活塞桿材料彈性模量;J為活塞桿的轉(zhuǎn)動慣量,mm4;l為液壓缸的安裝長度,m。計算臂架在有負(fù)載有粘附情況下各個工作角度時的臨界載荷,對比作業(yè)時實(shí)際工作載荷,得出安全系數(shù)(見表3)。

表3 臂架變幅油缸穩(wěn)定性校核(非等截面法)

根據(jù)上述計算表格可知,在臂架俯仰16°時安全系數(shù)最小,此時的安全系數(shù)為3.69,符合安全系數(shù)為2～4的要求,因此該油缸選型合理,且壓桿穩(wěn)定。

5 結(jié)語

分析了某型連續(xù)卸船機(jī)臂架俯仰油缸行程、負(fù)載等參數(shù)的計算方法,并進(jìn)行了大噸位、長行程、高速度工況下油缸密封形式的比較選擇。計算校核了油缸的壓桿穩(wěn)定性,驗(yàn)證了該散貨碼頭項目油缸選型的合理性,為該項目油缸設(shè)計與選型提供了技術(shù)支持。