摘 要:環(huán)形堆料機(jī)作為一種新型高效的智能環(huán)保型設(shè)備,主要應(yīng)用于港口、露天礦、煤礦等行業(yè)。本文簡單介紹了環(huán)形堆料機(jī)的堆料工藝,并根據(jù)環(huán)形堆料機(jī)的結(jié)構(gòu)特點及結(jié)構(gòu)形式,針對目前在港口及露天礦中所使用的環(huán)形堆料機(jī)設(shè)備,分析環(huán)形堆料機(jī)的移動伸縮臂架在其伸縮過程中的運(yùn)動特性,并詳細(xì)描述用于移動臂架伸縮的雙繩雙連伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置以及用于移動臂架伸縮的卷揚(yáng)機(jī)的功率等參數(shù)的設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞:環(huán)形堆料機(jī);伸縮機(jī)構(gòu);鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī);自移式
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環(huán)形堆料機(jī)(以下簡稱堆料機(jī))是一種輕型高效智能環(huán)保型堆料設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保、占地面積小、無需土建施工等特點。主要使用于沿海碼頭裝船系統(tǒng)、堆存系統(tǒng)、露天排土系統(tǒng)、堆浸系統(tǒng)等。
堆料機(jī)由膠帶機(jī)系統(tǒng)、臂架機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、臂架變幅機(jī)構(gòu)、履帶輪胎行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部件組成。
臂架機(jī)構(gòu)包括2組臂架,2套膠帶機(jī)系統(tǒng)分別放置于臂架上??捎梢簤河透赘┭鰴C(jī)構(gòu)帶動其進(jìn)行俯仰運(yùn)動,用來調(diào)整設(shè)備的堆料角度。也可在伸縮機(jī)構(gòu)的作用下,使移動臂架沿固定臂架內(nèi)部預(yù)定軌道進(jìn)行伸縮動作,根據(jù)移動臂架伸出的長度即可實現(xiàn)不同的堆料半徑,達(dá)到用戶對設(shè)備堆料半徑及料堆高度的要求。設(shè)備由機(jī)上電控柜控制,也可由遙控手柄遠(yuǎn)距離控制,能夠自動檢測物料堆高,當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的堆料高度后,自動移動到下一工位繼續(xù)堆料,可實現(xiàn)安全智能化操作。
本文根據(jù)堆料機(jī)的堆料工藝與實際使用工況來設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的伸縮機(jī)構(gòu),確保設(shè)備可以安全、穩(wěn)定地達(dá)到預(yù)定的堆料效果。且進(jìn)一步分析臂架機(jī)構(gòu)及伸縮機(jī)構(gòu)的受力情況,計算各項參數(shù),選擇合適的卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)功率。
1 堆料工藝介紹
與傳統(tǒng)的堆取料機(jī)堆料工藝相比,自移式環(huán)形堆料機(jī)堆積的料堆形狀多為環(huán)狀梯形或長梯形,即設(shè)備在回轉(zhuǎn)堆料或橫向行走堆料的過程中,臂架機(jī)構(gòu)內(nèi)的移動臂架也可進(jìn)行伸縮動作,以達(dá)到預(yù)定的堆料堆形工藝。而在設(shè)備橫向行走堆料的同時,懸臂膠帶機(jī)的伸縮可使設(shè)備進(jìn)行人眾形堆料法,即可使堆料的橫截面形狀形成鱗狀,以達(dá)到混勻物料的作用。
環(huán)狀梯形堆料工藝多為由外向內(nèi)堆料,即當(dāng)堆料機(jī)堆料開始時,在尾部履帶不動的情況下,移動臂架處在最長的伸出狀態(tài)下進(jìn)行堆料,設(shè)備依靠前方輪胎進(jìn)行回轉(zhuǎn),在設(shè)備定點回轉(zhuǎn)堆料至預(yù)定角度后,移動臂架回縮,進(jìn)行下一環(huán)的定點回轉(zhuǎn)堆料,之后移動臂架逐步回縮直到完成預(yù)定的堆料任務(wù)。長梯形料堆與環(huán)狀梯形料堆一樣,均為由外向內(nèi)堆料,不同點為設(shè)備在堆料時依靠履帶及輪帶可水平移動,即可堆出長梯形料堆。
自移式環(huán)形堆料機(jī)與傳統(tǒng)的固定式堆料機(jī)相比,具有更便捷靈活的自移功能,由隨車搭配的柴油發(fā)電機(jī)組供電,無需在料場另外增設(shè)供電電纜,使設(shè)備可以在料場內(nèi)任意位置、任意方向的靈活移動,具有超高的靈活性與機(jī)動性,使其在某些特殊的堆料狀況下具有卓越的優(yōu)勢。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示(自移式堆料機(jī)用于裝船作業(yè))。堆料機(jī)在伸縮堆料的同時可以沿船身方向橫向行走,與定點式堆料機(jī)相比,因固定式堆料機(jī)受供電及其他因素的限制。每次完成堆料作業(yè)后無法移動,限制了堆料半徑,需要頻繁的移動貨船,增加時間成本。自移式堆料機(jī)則可在不挪動船的前提下,通過環(huán)形堆料機(jī)沿船身方向的橫向移動的方式進(jìn)行堆料,更容易達(dá)到裝船效果,可以節(jié)省時間成本及人力成本,還可以提升工作效率。
2 雙繩雙聯(lián)伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
此機(jī)構(gòu)的主要目的是使移動臂架在固定臂架中沿預(yù)定軌道進(jìn)行伸縮運(yùn)動,從而使設(shè)備具有不同的堆料半徑,這一目的需通過電動卷揚(yáng)機(jī)、輪組、鋼絲繩等多個部件的協(xié)同工作來實現(xiàn)。
此雙繩雙聯(lián)伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖及簡化示意圖分別如圖2、圖3所示,圖2為移動臂架在回縮狀態(tài)及外伸狀態(tài)下的位置情況。其中,L代表移動臂架的伸縮行程。
當(dāng)移動臂架在固定臂架中進(jìn)行伸縮運(yùn)動時,其與固定臂架之間的摩擦阻力是其需要克服的主要阻力之一。針對這一情況,在固定臂架與移動臂架之間設(shè)置圖2中序號6托輪組及側(cè)擋輪組,可使摩擦變?yōu)橄禂?shù)更小的滾動摩擦,大大減小其間的摩擦阻力。其中,托輪組的主要作用是用來承載移動臂架的質(zhì)量,側(cè)擋輪組的作用是限制移動臂架在固定臂架中的橫向位移,且起到導(dǎo)向的作用,確保移動臂架可沿預(yù)定的正確的方向移動斜。以上各輪組中均配置滾動軸承,以減小伸縮過程中的摩擦阻力,并配置手動注油油杯,可在指定的潤滑周期內(nèi)通過人力加注潤滑油脂,以防移動臂架在伸縮運(yùn)動過程中阻力過大造成不利的影響。
雙繩雙聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力單元為電動卷揚(yáng)機(jī),圖2中序號1卷揚(yáng)機(jī)布置在固定臂架尾部鋼結(jié)構(gòu)上,可隨固定臂架俯仰,卷揚(yáng)機(jī)出繩方向始終與臂架保持平行。序號5鋼絲繩改向滑輪組、序號6托輥組及側(cè)擋輪組均栓接于固定臂架鋼結(jié)構(gòu)上,序號7平衡機(jī)構(gòu)及連接座則栓接于移動臂架尾部。
圖3中,序號1電動卷揚(yáng)機(jī)為雙進(jìn)雙出鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī),左右分別為2根鋼絲繩,2根鋼絲繩分別上、下出繩。序號2為鋼絲繩上出繩,兩側(cè)的序號3為鋼絲繩下出繩,上、下出繩經(jīng)過多個序號4支撐滑輪組及序號5改向滑輪組改向之后,分別與安裝于移動臂架尾部的序號7平衡機(jī)構(gòu)及連接座連接。序號6鋼絲繩托輪組的目的是防止部分位置鋼絲繩的懸垂過大。序號4鋼絲繩改向輪的作用是改變鋼絲繩的運(yùn)功方向,使鋼絲繩可沿預(yù)定的路徑收放。
在正常工作中,當(dāng)設(shè)備需要將移動臂架外伸時,電動卷揚(yáng)機(jī)正轉(zhuǎn),圖3中序號2鋼絲繩上出繩為放繩狀態(tài),圖3中序號3鋼絲繩下出繩為收繩狀態(tài),承力繩為鋼絲繩下出繩,將移動臂架沿預(yù)定方向拽引,控制移動臂架外伸。當(dāng)設(shè)備需要將移動臂架回縮時,圖3中序號2鋼絲繩上出繩為收繩狀態(tài),圖3中序號3鋼絲繩下出繩為放繩狀態(tài),但承力繩依然為下出繩,因為固定臂架在設(shè)備上存在一定的俯仰角度(6°~18°),所以在移動臂架重力分力的作用下,使下出繩始終承受拉力,隨著下出繩的逐漸放繩,臂架沿預(yù)定方向下降回縮,實現(xiàn)移動臂架的回縮功能。以上所有操作均可通過機(jī)上控制柜控制或遠(yuǎn)程遙控手柄一鍵操作,實現(xiàn)移動臂架的自動伸縮功能。
此機(jī)構(gòu)中,鋼絲繩下出繩為主要承載繩,特在鋼絲繩下出繩與移動臂架連接處增設(shè)鋼絲繩平衡機(jī)構(gòu),目的是起到必要的安全作用。下出繩經(jīng)多個改向滑輪后與鋼絲繩平衡機(jī)構(gòu)連接,平衡機(jī)構(gòu)與連接座通過銷軸連接,使平衡機(jī)構(gòu)可繞銷軸轉(zhuǎn)動,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示,避免當(dāng)一側(cè)鋼絲繩斷裂或脫槽后,設(shè)備的移動臂架發(fā)生溜車或其他嚴(yán)重事故。原理如下:當(dāng)設(shè)備安裝時,調(diào)節(jié)兩側(cè)鋼絲繩長度,使鋼絲繩平衡機(jī)構(gòu)如圖4中正常狀態(tài)所示處于中間位置。當(dāng)發(fā)生特殊情況,如果與其相連的2根鋼絲繩下出繩的某一根鋼絲繩因某種原因斷裂,由于存在另一根鋼絲繩,因此就可保持移動臂架的位置不動,防止移動臂架因在固定臂架內(nèi)發(fā)生溜車的墜落現(xiàn)象而撞擊尾部的其他部件。當(dāng)一側(cè)的鋼絲繩斷裂后,鋼絲繩平衡機(jī)構(gòu)會立即倒向未斷開的一側(cè),隨即觸動放置于平衡機(jī)構(gòu)上的行程開關(guān),將故障信號傳遞至設(shè)備控制柜,設(shè)備控制柜接受信號后使設(shè)備立即停機(jī)并發(fā)出報警警報。
3 受力分析及卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計算
3.1 計算電機(jī)功率的所需的各主要參數(shù)
計算電機(jī)功率的所需的各主要參數(shù)如下。1)V為移動臂架外伸及回縮的移動速度。2)D為卷揚(yáng)機(jī)卷筒的筒體直徑。3)M總為移動臂架及機(jī)上物料的總質(zhì)量。4)θ為設(shè)備臂架的最大俯仰角度。5)t為移動臂架由靜止加速至V所需的時間。6)μ為托輪中軸承滾動摩擦系數(shù)。
3.2 卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計算
3.2.1 總體受力分析
鋼絲繩受力分析如圖5所示,移動臂架及滿載物料總重為M總,計算得其重力分力F1、摩擦阻力f2,分別如公式(1)、公式(2)所示(μ查機(jī)械設(shè)計手冊取值為0.004)[1-2]。
F1=M總?sinθ (1)
f2=M總?cosθ?μ=F2?μ (2)
3.2.2 加速所需分力F加的計算
移動臂架由靜止?fàn)顟B(tài)加速至運(yùn)動狀態(tài)所需的力F加如公式(3)所示[3]。
F加=M總?V/t (3)
3.2.3 與臂架連接處的鋼絲繩受力計算
綜和以上公式計算鋼絲繩與臂架連接處的鋼絲繩所受的力F繩,如公式(4)所示[3]。
F繩=F1+f2+F加 (4)
3.2.4 卷揚(yáng)機(jī)出繩處鋼絲繩的受力
鋼絲繩在單個滑輪處的阻力系數(shù)為f1,根據(jù)鋼絲繩所經(jīng)過的滑輪數(shù),可計算卷揚(yáng)機(jī)出繩出鋼絲繩的力F卷揚(yáng),如公式(5)所示[3]。
F卷揚(yáng)=F繩?f1?n (5)
式中:n為滑輪個數(shù);f1為鋼絲繩滑輪阻力系數(shù)[4]。
3.2.5 卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計算
根據(jù)鋼絲繩出繩處的力,可以計算卷揚(yáng)電機(jī)功率,如公式(6)所示[3]。
P電機(jī)=F卷揚(yáng)?V繩?f3 (6)
式中:f3為驅(qū)動裝置傳動系數(shù)。
4 應(yīng)用實例
以實際項目為例,已知某設(shè)備要求的移動臂架伸縮速度為2m/min~9m/min,俯仰角度θ為6°~18°,伸縮臂架及其膠帶機(jī)、機(jī)上物料等的總重M總為18t,卷揚(yáng)機(jī)型式選用此種卷揚(yáng)機(jī)雙進(jìn)雙出伸縮結(jié)構(gòu)。
根據(jù)公式(1)、(2)計算得F1=180000×sin18=55623N、f2=180000×cos18×0.004=685N。
設(shè)定卷揚(yáng)速度由0m/min增至9m/min所用的時間為1s。
根據(jù)公式(3)計算得F加=180000×(9/60)/1=27000N,根據(jù)公式(4)得F繩=55623N+685N+27000N=83308N。
查起重機(jī)設(shè)計手冊可知,單個滑輪的阻力系數(shù)f1=1.02[4],此結(jié)構(gòu)共設(shè)置4組改向滑輪。
根據(jù)公式(5)計算得卷揚(yáng)出繩出鋼絲繩受力為F卷揚(yáng)=83308×
1.024=90175N,根據(jù)公式(6)計算的電機(jī)功率P電機(jī)=90175×(9/60)/0.778=17.38kW。
根據(jù)以上結(jié)果可知,卷揚(yáng)電動機(jī)可以選擇18.5kW電機(jī)。
5 結(jié)語
本文從自移式環(huán)形堆料機(jī)的運(yùn)動結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特性入手,簡單講述了自移式環(huán)形堆料機(jī)堆料工藝,重點講述了鋼絲繩雙繩雙聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)布置以及在移動臂架的伸縮過程中卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩的受力分析,并介紹了卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計算方法。但在設(shè)備的實際應(yīng)用中,隨著設(shè)備使用及現(xiàn)場環(huán)境變化,部分系數(shù)或許會受現(xiàn)場環(huán)境的影響。根據(jù)長期的實踐驗證,本文中的計算公式及各種系數(shù)的選取是可行的,對工程上的實際應(yīng)用有一定的參考價值。
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