斗輪堆取料機堆取料工藝及液壓缸計算

摘 要：本文主要研究了斗輪堆取料機的堆取料工藝及其液壓缸壓力計算。通過分析斗輪堆取料機的結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細闡述了手動和程序控制下的取料與堆料過程，并重點探討了液壓俯仰機構(gòu)在空載和滿載狀態(tài)下的重心偏移量及液壓缸的壓力計算。計算結(jié)果表明，液壓缸在不同工況下的壓力需求不同，需要根據(jù)具體工況合理選擇液壓缸規(guī)格及系統(tǒng)壓力等級，以確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。本文可以為其他斗輪堆取料機的設(shè)計提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機；俯仰機構(gòu)；重心計算；壓力計算；堆料工藝；取料工藝

中圖分類號：X 32" " 文獻標(biāo)志碼：A

斗輪堆取料機是指一種用于大型干散貨堆場的既能堆料又能取料的連續(xù)輸送的高效裝卸機械。隨著生產(chǎn)能力提升，人們對物料堆取能力要求提高，臂式斗輪堆取料機越來越廣泛地應(yīng)用于鋼廠、電廠等各重工行業(yè)。斗輪堆取料機主要有操作簡單、使用壽命長、能耗小和效率高4個特點，它將取料和運輸一起進行，提高堆取料的整體工作效率。

斗輪堆取料機主要由斗輪機構(gòu)、上部金屬結(jié)構(gòu)、膠帶機、俯仰機構(gòu)、轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、門座、行走機構(gòu)、中心落料系統(tǒng)、尾車、配重、梯子欄桿、灑水系統(tǒng)、照相系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部件構(gòu)成。

斗輪堆取料機主要是在長形料場中，利用走行、俯仰、回轉(zhuǎn)三大運動旋轉(zhuǎn)斗輪裝置[1]，將料場中的物料取出，卸到懸臂帶式輸送機上，再經(jīng)過地面膠帶機運出，完成取料作業(yè)；懸臂帶式輸送機可正反運行。堆料時，地面膠帶機的物料由尾車卸到懸臂帶式輸送機上，同樣利用走行、俯仰、回轉(zhuǎn)三大運動按要求將物料堆積到料場中[1]。

斗輪堆取料機分為手動控制、半自動控制及程序控制，隨著科技進步，斗輪堆取料機更是實現(xiàn)了無人值守功能，斗輪堆取料機正向智能化發(fā)展。

1 取料及堆料工藝

斗輪堆取料機料堆截面形狀為梯形或三角形料堆，堆料形狀主要由料場寬度及斗輪堆取料機臂長、料堆高度、工藝需求來決定，最常見為梯形料堆。

以圖1斗輪堆取料機為例，要求料堆寬42.5m，料堆高14m。

1.1 手動取料及程控取料

1.1.1 手動取料

接到中控室的取料指令，操作人員先打開錨定器及夾軌器，開機聲光報警。調(diào)整該機到指定的工作位置。此取料方式由現(xiàn)場操作人員完成即可。

起動順序為地面皮帶機運行→懸臂皮帶機取料運行→斗輪機構(gòu)運行，即可完成取料作業(yè)（地面皮帶機→懸臂皮帶機→斗輪機構(gòu)聯(lián)鎖）。

手動取料的工藝方式是以回轉(zhuǎn)取料來完成的。此取料方式由現(xiàn)場操作人員完成即可。

手動回轉(zhuǎn)取料除了回轉(zhuǎn)速度不能按1/cosθ的規(guī)律無級調(diào)速及各項操作應(yīng)用人工外，取料過程與半自動取料是一樣的。

現(xiàn)定手動回轉(zhuǎn)取料時設(shè)定高、中、低3個擋位。對應(yīng)速度為0.12r/min、0.08r/min、0.03r/min（根據(jù)現(xiàn)場實際情況，轉(zhuǎn)速可以向下略有調(diào)整）。

大臂回轉(zhuǎn)和俯仰的操縱采用一個操作桿來完成，操作桿由上向右轉(zhuǎn)的檔位依次為右轉(zhuǎn)的低、中、高，中間為零位。由上向左轉(zhuǎn)的檔位依次為左轉(zhuǎn)的低、中、高。而前后搬動操作桿則為大臂的下降與上升。

手動取料的另一種工藝方式是走行取料方式，這種方式只適用于在遠離軌道處的少量條形物料。

1.1.2 程序控制取料作業(yè)操作方式

接到中控室的取料指令，駕駛員手動利用走行、俯仰、回轉(zhuǎn)將斗輪裝置驅(qū)動到指定取料點，再進行半自動程控取料。PLC對設(shè)備進行控制，按1/COSΦ方式完成取料作業(yè)。當(dāng)取料值達到機上設(shè)定的值時，機器自動停機。

取料深度：從上至下分為5層[1]，第一層2.6m，第二層到第五層每層2.8m，最下面保留0.2m鋪底料（防止斗輪機構(gòu)啃地），如圖2所示。

進尺量：進尺量為0.4m，即每回轉(zhuǎn)一次取料后，大車走行0.4m（進尺量以大于或等于半個斗子的厚度、小于一個斗子的厚度為最佳）

半自動程控取料采用回轉(zhuǎn)取料方式。現(xiàn)定義軌道中心線為0°，將斗輪中心與設(shè)備回轉(zhuǎn)中心連線置于與軌道中心線重合處，并由此位置開始計算角度變化，角度定為Φ。程控回轉(zhuǎn)取料Φ的取值限定在±12°～±70°[1]。在此范圍內(nèi)，回轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速且按1/CosΦ規(guī)律取料[1]。現(xiàn)定當(dāng)Φ為0°時，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0.03r/min，當(dāng)Φ為±70°時，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0.12r/min。如果超過此角度，回轉(zhuǎn)速度仍為0.12r/min（即轉(zhuǎn)速封頂）。

由于夾角Φ限定在±70°，料堆遠離斗輪機一側(cè)將留出1條物料沒有取盡，這將用手動方式采用大車走行來完成取料。每臺斗輪機軌道兩側(cè)都有料堆，其取料工作轉(zhuǎn)角的絕對數(shù)值是相等的。

1.1.3 半自動程控回轉(zhuǎn)取料工藝簡述

采用分段回轉(zhuǎn)分層取料，取料開始點由司機手動確定。首先，司機開機到位，進行程控回轉(zhuǎn)取料，每回轉(zhuǎn)一次完成一個回轉(zhuǎn)取料后，大車走行前移0.4m（進尺量），再進行回轉(zhuǎn)取料。其次，大車走行前移0.4m依此類推，完成在此段的第一層取料。再次，大車后退到第二層的始點，進行第二層的取料。依此類推，完成5個料層的分層取料，再進行第二段的分層取料。

1.2 手動堆料和程控堆料

1.2.1 手動堆料

司機可以根據(jù)實際情況采用定點走行堆料方式或采用以回轉(zhuǎn)為主的定點堆料方式完成堆料作業(yè)。

1.2.2 程控回轉(zhuǎn)堆料

程控定點堆料采用旋轉(zhuǎn)鱗狀堆料工藝。將14m高的料堆分為2層，第一層（下層）8.3m高，第二層（上層）為5.7m（如圖3所示）。

第一層堆料：手動將設(shè)備開至欲開始堆料的位置，回轉(zhuǎn)角度與軌道夾角為66°，懸臂架下俯至-10°，準(zhǔn)備完畢后，開始程控堆料；堆第一堆A1，當(dāng)超聲波傳感器探測到物料后，懸臂架自動抬高0.5m（可調(diào)），繼續(xù)堆料，依次抬起直至將第一堆到8.3m高（此時懸臂架與地面夾角約為2°）。懸臂架開始向軌道方向旋轉(zhuǎn)4°堆B1堆，當(dāng)B1堆積物料到8.3m高度時，懸臂架再旋轉(zhuǎn)4°堆C1堆，依此類推，堆料夾角為24°～66°。堆成A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1、J1、K1共11小堆，旋轉(zhuǎn)10次。大車后退3m進行回轉(zhuǎn)，向相反方向堆料，依次為A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、I2、J2、K2。大車再后退3m，此時完成了一個循環(huán)。照此工藝堆下去，直到達到業(yè)主要求料條長度，此時循環(huán)次數(shù)為n。

第二層堆料：大臂抬高至+9.5°，并旋轉(zhuǎn)大臂使之與斗輪中心約為47°，設(shè)備回到第一層堆料時的起始位置進行第二層的第一堆堆料，此堆為a1堆，每次轉(zhuǎn)角為3°，動作與第一層的方式相同。堆料夾角為35°～47°。堆成a1、b1、c1、d1共4小堆，循環(huán)次數(shù)為n-2次，即n-2次循環(huán)將第二層堆成。料堆中間部分空隙采用手動堆料填平。

2 重心計算機液壓缸壓力計算

按俯仰方式分類，斗輪堆取料機可以分為液壓俯仰和鋼絲繩俯仰。液壓俯仰即指斗輪機依靠液壓缸推動、拉伸，從而完成整機上部的俯仰動作，以滿足不同高度物料的堆取需求，而鋼絲繩俯仰則是靠電動葫蘆纏繞鋼絲繩增加、減少鋼絲繩長度來完成上部結(jié)構(gòu)的俯仰。

如果要計算液壓缸的壓力，首先就要知道液壓缸承受了多大的力矩，被液壓缸支撐的上部金屬結(jié)構(gòu)等部件類似于一個杠桿機構(gòu)[2]，而斗輪上部金屬機構(gòu)共有6種工況，即空載上仰、空載水平、空載下俯、滿載上仰、滿載水平、滿載下俯，其中重心偏移量最大的工況為空載上仰和滿載下俯2個工況，對這2種情況進行單獨計算，計算其重心偏移量。

2.1 上仰時重心位置計算

主機的上仰極限為9.5°，把回轉(zhuǎn)中心到斗輪方向的距離定位正，把回轉(zhuǎn)中心到配重方向的距離定位負(fù)，以每個部件的質(zhì)量乘以其重心到回轉(zhuǎn)中心的距離來計算各個部件到回轉(zhuǎn)中心的力矩，所有力矩相加即為整個部件的合力矩，如公式（1）、公式（2）所示。

∑M上仰（L101×M1+L102×M2+L103×M3+…+L122×M22）×g=（40.828×2003+39.363×13071+38.177×1200+（-7.401×8960））×10=-4153.38kN?M （1）

∑G上仰總重=（M1+M2+…+M2）×g=（2003+13071+…+8960）×10=2241.02kN （2）

根據(jù)公式（1）、公式（2）可以計算整機重心相對于回轉(zhuǎn)中心的位置，如公式（3）所示。

L上仰=∑M上仰/∑G上仰總量=-4153.38/2241.02=-1.85 m" （3）

2.2 下俯時重心位置計算

計算下俯時受力情況，此時應(yīng)按最惡劣工況考慮，除設(shè)備本身質(zhì)量外，還應(yīng)考慮斗輪的挖掘力、斗輪整體黏料和皮帶機上物料。

2.2.1 斗輪挖掘力計算

計算挖掘力首先要計算斗輪功率，整機取料能力Q=1500t/h，物料密度ρ=2.2t/m3，斗數(shù)Z=8，轉(zhuǎn)速n=6.6r/min，斗輪直徑D=5.85m，取料容積能力Qm如公式（4）所示。

Qm=Q/ρ=1500/2.2=681.8 m3/h （4）

P挖掘功率如公式（5）所示。

式中：K為挖掘系數(shù)阻力，礦的K=22.5。

計算可得，P挖掘功率=45.3kW。

P提升功率如公式（6）所示。

P提升功率=2×Q×g×D/3×3600×η （6）

式中：η為斗輪機構(gòu)整體效率，η=0.9。

P提升功率=18.1kW，P摩擦功率=0.15×（P挖掘功率+P提升功率）=9.51kW，

P總功率=P挖掘功率+P提升功率+P摩擦功率=72.91kW。

出于安全考慮，取安全系數(shù)1.2，P電機功率=1.2×P總功率=87.5kW。

電機選用90kW電機，斗輪挖掘力功率按電機額定功率1.3倍計算，P挖掘力功率如公式（7）所示。

P挖掘力功率=1.3×P電機實際功率-P提升功率-P摩擦功率=1.3×90-18.1-

9.5=89.4kW （7）

得到挖掘力矩如公式（8）所示。

M挖掘力矩=9550×P挖掘力功率×η/n=9550×89.4×0.9/6.6=77615 N·m

挖掘力與挖掘力矩時間的關(guān)系如公式（9）、公式（10）所示。

M挖掘力矩=F挖掘力×D/2 （9）

F挖掘力=2×M挖掘力矩/D=26535 N （10）

2.2.2 物料質(zhì)量計算

已知取料量為1500t/h，皮帶帶速為2m/s，皮帶總長為42m，皮帶上運量為1500×1000÷3600=416.7kg/s，物料在皮帶上存在時間為42÷2=21s，皮帶上物料質(zhì)量為416.7×21=8751kg

2.2.3 下俯重心位置計算

下俯時合力矩∑M下俯、下俯時總重量∑G下俯總重、下俯時重心偏移量L下俯分別如公式（11）～公式（13）所示。

M下俯=（L201×M1+L202×M2+…+L221×M21+L223×M23+L224×M24）×

g+L222×F=（41.038×2003+39.486×13071+…+9.285×1140+39.486×1500+20374×8751）×10+41.069×26335）=4101.596 kN·m

∑G下俯總重=（M1+M2+…+M22+M24+M25）×g+F=2369.865 kN " （12）

L下俯=∑M下俯=/∑G下俯總重=4101.596/2369.865=1.73 m " "（13）

回轉(zhuǎn)支承選用直徑為4m規(guī)格，由于回轉(zhuǎn)半徑為2m，大于2個最差工況下重心所偏離回轉(zhuǎn)中心（回轉(zhuǎn)中心即為回轉(zhuǎn)支撐中心）1.85m和1.73m（為防止設(shè)備傾翻，需要保證重心位置在回轉(zhuǎn)直徑內(nèi)部），因此通過驗證，配重和回轉(zhuǎn)支承選型正確。

2.3 油缸壓力計算

以選用以下缸徑為例：選用油缸外徑為320mm，內(nèi)徑為200mm，雙缸。

液壓缸單缸無桿腔面積、液壓缸有桿腔面積分別如公式（14）、公式（15）所示。

S無桿腔面積=π（D外徑/2）2=80384 mm2 （14）

S有桿腔面積=S無桿腔面積-π（D內(nèi)徑/2）2=48984 mm2" " （15）

上仰時，重心在回轉(zhuǎn)中心后方，液壓缸整體受拉力，上仰時液壓缸合拉力、上仰時液壓缸壓強分別如公式（16）、公式（17）所示。

F上仰=∑M上仰/L上仰液壓缸力矩=4153.38/3.564=1165.37kN=116.537t （16）

P上仰=（F上仰/2）/S有桿腔面積=11.89 MPa （17）

下俯時，重心在回轉(zhuǎn)中心前方，液壓缸整體受壓力，下俯時液壓缸合壓力、下俯時液壓缸壓強分別如公式（18）、公式（19）所示。

F下俯=∑M下俯/L下俯液壓缸力矩=4101.596/3264=125.662 t （18）

P下俯=（F下俯/2）/S無桿腔面積=7.8 MPa （19）

液壓缸系統(tǒng)壓力等級為6.3MPa、16MPa、25MPa等[3]，根據(jù)計算，油缸壓力等級選用16MPa。

3 結(jié)語

本文從斗輪堆取料機的結(jié)構(gòu)及運動特性入手，運用實際案例，重點闡述了斗輪堆取料機的堆取料工藝、斗輪重心計算以及液壓缸壓力等級選擇，對其他斗輪堆取料機設(shè)計有一定的參考價值。

參考文獻

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[2]李樹軍.機械原理[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2000.

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