自移式環(huán)形堆料機(jī)伸縮臂架的運(yùn)動(dòng)特性與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

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(jiǎn)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(diǎn)及結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)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(dòng)伸縮臂架在其伸縮過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性，并詳細(xì)描述用于移動(dòng)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(dòng)臂架伸縮的卷?yè)P(yáng)機(jī)的功率等參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：環(huán)形堆料機(jī)；伸縮機(jī)構(gòu)；鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)；自移式

中圖分類號(hào)：X 32" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

環(huán)形堆料機(jī)（以下簡(jiǎn)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(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、占地面積小、無(wú)需土建施工等特點(diǎn)。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。可由液壓油缸俯仰機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，用來(lái)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(dòng)臂架沿固定臂架內(nèi)部預(yù)定軌道進(jìn)行伸縮動(dòng)作，根據(jù)移動(dòng)臂架伸出的長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)不同的堆料半徑，達(dá)到用戶對(duì)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(dòng)檢測(cè)物料堆高，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的堆料高度后，自動(dòng)移動(dòng)到下一工位繼續(xù)堆料，可實(shí)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(shí)際使用工況來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，選擇合適的卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)梯形，即設(shè)備在回轉(zhuǎn)堆料或橫向行走堆料的過(guò)程中，臂架機(jī)構(gòu)內(nèi)的移動(dòng)臂架也可進(jìn)行伸縮動(dòng)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(shí)，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(kāi)始時(shí)，在尾部履帶不動(dòng)的情況下，移動(dòng)臂架處在最長(zhǎng)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(diǎn)回轉(zhuǎn)堆料至預(yù)定角度后，移動(dòng)臂架回縮，進(jìn)行下一環(huán)的定點(diǎn)回轉(zhuǎn)堆料，之后移動(dòng)臂架逐步回縮直到完成預(yù)定的堆料任務(wù)。長(zhǎng)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(diǎn)為設(shè)備在堆料時(shí)依靠履帶及輪帶可水平移動(dòng)，即可堆出長(zhǎng)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(wú)需在料場(chǎng)另外增設(shè)供電電纜，使設(shè)備可以在料場(chǎng)內(nèi)任意位置、任意方向的靈活移動(dòng)，具有超高的靈活性與機(jī)動(dòng)性，使其在某些特殊的堆料狀況下具有卓越的優(yōu)勢(shì)。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(shí)可以沿船身方向橫向行走，與定點(diǎn)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(wú)法移動(dòng)，限制了堆料半徑，需要頻繁的移動(dòng)貨船，增加時(shí)間成本。自移式堆料機(jī)則可在不挪動(dòng)船的前提下，通過(guò)環(huán)形堆料機(jī)沿船身方向的橫向移動(dòng)的方式進(jìn)行堆料，更容易達(dá)到裝船效果，可以節(jié)省時(shí)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(jì)

此機(jī)構(gòu)的主要目的是使移動(dòng)臂架在固定臂架中沿預(yù)定軌道進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，從而使設(shè)備具有不同的堆料半徑，這一目的需通過(guò)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)、輪組、鋼絲繩等多個(gè)部件的協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此雙繩雙聯(lián)伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖及簡(jiǎn)化示意圖分別如圖2、圖3所示，圖2為移動(dòng)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(dòng)臂架的伸縮行程。

當(dāng)移動(dòng)臂架在固定臂架中進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)這一情況，在固定臂架與移動(dòng)臂架之間設(shè)置圖2中序號(hào)6托輪組及側(cè)擋輪組，可使摩擦變?yōu)橄禂?shù)更小的滾動(dòng)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(lái)承載移動(dòng)臂架的質(zhì)量，側(cè)擋輪組的作用是限制移動(dòng)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(dòng)臂架可沿預(yù)定的正確的方向移動(dòng)斜。以上各輪組中均配置滾動(dòng)軸承，以減小伸縮過(guò)程中的摩擦阻力，并配置手動(dòng)注油油杯，可在指定的潤(rùn)滑周期內(nèi)通過(guò)人力加注潤(rùn)滑油脂，以防移動(dòng)臂架在伸縮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中阻力過(guò)大造成不利的影響。

雙繩雙聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力單元為電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，圖2中序號(hào)1卷?yè)P(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?yè)P(yáng)機(jī)出繩方向始終與臂架保持平行。序號(hào)5鋼絲繩改向滑輪組、序號(hào)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(hào)7平衡機(jī)構(gòu)及連接座則栓接于移動(dòng)臂架尾部。

圖3中，序號(hào)1電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)為雙進(jìn)雙出鋼絲繩卷?yè)P(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(hào)2為鋼絲繩上出繩，兩側(cè)的序號(hào)3為鋼絲繩下出繩，上、下出繩經(jīng)過(guò)多個(gè)序號(hào)4支撐滑輪組及序號(hào)5改向滑輪組改向之后，分別與安裝于移動(dòng)臂架尾部的序號(hào)7平衡機(jī)構(gòu)及連接座連接。序號(hào)6鋼絲繩托輪組的目的是防止部分位置鋼絲繩的懸垂過(guò)大。序號(hào)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(dòng)臂架外伸時(shí)，電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)正轉(zhuǎn)，圖3中序號(hào)2鋼絲繩上出繩為放繩狀態(tài)，圖3中序號(hào)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(dòng)臂架沿預(yù)定方向拽引，控制移動(dòng)臂架外伸。當(dāng)設(shè)備需要將移動(dòng)臂架回縮時(shí)，圖3中序號(hào)2鋼絲繩上出繩為收繩狀態(tài)，圖3中序號(hào)3鋼絲繩下出繩為放繩狀態(tài)，但承力繩依然為下出繩，因?yàn)楣潭ū奂茉谠O(shè)備上存在一定的俯仰角度（6°～18°），所以在移動(dòng)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)臂架的回縮功能。以上所有操作均可通過(guò)機(jī)上控制柜控制或遠(yuǎn)程遙控手柄一鍵操作，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臂架的自動(dòng)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(dòng)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(gè)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(guò)銷軸連接，使平衡機(jī)構(gòu)可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(shí)，調(diào)節(jié)兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)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(dòng)臂架的位置不動(dòng)，防止移動(dòng)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(huì)立即倒向未斷開(kāi)的一側(cè)，隨即觸動(dòng)放置于平衡機(jī)構(gòu)上的行程開(kāi)關(guān)，將故障信號(hào)傳遞至設(shè)備控制柜，設(shè)備控制柜接受信號(hào)后使設(shè)備立即停機(jī)并發(fā)出報(bào)警警報(bào)。

3 受力分析及卷?yè)P(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計(jì)算

3.1 計(jì)算電機(jī)功率的所需的各主要參數(shù)

計(jì)算電機(jī)功率的所需的各主要參數(shù)如下。1）V為移動(dòng)臂架外伸及回縮的移動(dòng)速度。2）D為卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒的筒體直徑。3）M總為移動(dòng)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(dòng)臂架由靜止加速至V所需的時(shí)間。6）μ為托輪中軸承滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

3.2 卷?yè)P(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計(jì)算

3.2.1 總體受力分析

鋼絲繩受力分析如圖5所示，移動(dòng)臂架及滿載物料總重為M總，計(jì)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(jì)手冊(cè)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(jì)算

移動(dòng)臂架由靜止?fàn)顟B(tài)加速至運(yùn)動(dòng)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(jì)算

綜和以上公式計(jì)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?yè)P(yáng)機(jī)出繩處鋼絲繩的受力

鋼絲繩在單個(gè)滑輪處的阻力系數(shù)為f1，根據(jù)鋼絲繩所經(jīng)過(guò)的滑輪數(shù)，可計(jì)算卷?yè)P(yáng)機(jī)出繩出鋼絲繩的力F卷?yè)P(yáng)，如公式（5）所示[3]。

F卷?yè)P(yáng)=F繩?f1?n （5）

式中：n為滑輪個(gè)數(shù)；f1為鋼絲繩滑輪阻力系數(shù)[4]。

3.2.5 卷?yè)P(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計(jì)算

根據(jù)鋼絲繩出繩處的力，可以計(jì)算卷?yè)P(yáng)電機(jī)功率，如公式（6）所示[3]。

P電機(jī)=F卷?yè)P(yáng)?V繩?f3 （6）

式中：f3為驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)系數(shù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

以實(shí)際項(xiàng)目為例，已知某設(shè)備要求的移動(dòng)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?yè)P(yáng)機(jī)型式選用此種卷?yè)P(yáng)機(jī)雙進(jìn)雙出伸縮結(jié)構(gòu)。

根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算得F1=180000×sin18=55623N、f2=180000×cos18×0.004=685N。

設(shè)定卷?yè)P(yáng)速度由0m/min增至9m/min所用的時(shí)間為1s。

根據(jù)公式（3）計(jì)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(jì)手冊(cè)可知，單個(gè)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(jì)算得卷?yè)P(yáng)出繩出鋼絲繩受力為F卷?yè)P(yáng)=83308×

1.024=90175N，根據(jù)公式（6）計(jì)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?yè)P(yáng)電動(dòng)機(jī)可以選擇18.5kW電機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從自移式環(huán)形堆料機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性入手，簡(jiǎn)單講述了自移式環(huán)形堆料機(jī)堆料工藝，重點(diǎn)講述了鋼絲繩雙繩雙聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)布置以及在移動(dòng)臂架的伸縮過(guò)程中卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩的受力分析，并介紹了卷?yè)P(yáng)機(jī)電機(jī)功率的計(jì)算方法。但在設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中，隨著設(shè)備使用及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化，部分系數(shù)或許會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐驗(yàn)證，本文中的計(jì)算公式及各種系數(shù)的選取是可行的，對(duì)工程上的實(shí)際應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

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