履帶刮板取料機變幅機構的2種方案比選

曹云改

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

履帶式刮板取料機是應用于散料堆場的1種連續取卸料的高效專用設備。它具有重心低、接地比壓小、行走無需軌道、運轉靈活以及機動性強等特點。它主要是以刮板為取料工具，通過刮板連續旋轉，經溜槽導料，出料皮帶機輸送、回轉、變幅機構及履帶式行走等各種運動的配合，實現連續、高效的集成化動作與功能。變幅機構的作用為支撐懸臂刮板機臂架的重量，并且可以改變臂架高度，完成取料機在不同高度下的取料作業。目前，履帶刮板取料機的變幅機構采用鋼絲繩卷揚[1]的形式。它是由卷揚機、動滑輪組、定滑輪組以及鋼絲繩等組成的，其中卷揚機為動力源。

根據散料場的地面狀況，為了增強履帶式取料機的通過性能，需要在滿足設備構件強度和剛度的前提下盡量減輕取料機的自重，降低履帶的接地比壓[3]。刮板取料機構是設備組成中的基本模塊之一，它的自重對整機的質量影響是非常關鍵的。由于刮板取料機構的自重取決于其結構件的質量，即取決于刮板臂架的橫截面的大小，因此使刮板臂架橫截面變小是減輕取料機自重的途徑之一。在設計過程中，對取料機的變幅機構制定了2種可行性方案。該文通過對該變幅機構的這2種方案做進一步的結構分析，篩選出了更加合理的變幅機構，從而滿足履帶式取料機的通過性。

1 變幅機構方案一

變幅機構方案一是在刮板機臂架長度距懸臂頭部1/3處設1處起吊點，鋼絲繩通過吊點架上的動滑輪組經過在取料機門架上固定的定滑輪組纏繞至卷揚機的卷筒上，如圖1所示。刮板機構通過鋼絲繩的拽拉達到自身的平衡。卷揚機驅動卷筒螺旋轉動，使纏繞其上的鋼絲繩進行收繩、放繩，帶動吊點架上的動滑輪上升或下降，從而拉拽著刮板臂抬起和放下，達到刮板機構的變幅。如圖1所示，對低位工況下的刮板機構臂架進行受力分析。

圖1 變幅機構方案一（低位）

刮板機臂架受力為鋼絲繩的拉力（F）和本身的自重（G）。

根據力矩平衡原理[2]，刮板機臂架處于水平位置。公式（1）為計算鋼絲繩拉力的方程。

式中：F為鋼絲繩拉力；G為刮板機自重。

通過計算得出F=1.62G。根據上述工況受力分析的結果，確定臂架的橫截面尺寸。懸臂架受力簡圖如圖2所示，以此求出懸臂鉸支梁的最大剪力（Q）和最大彎矩（M），從而得到臂架的橫截面尺寸和最大變形量。

圖2 方案一懸臂架受力簡圖

臂架總長L=24.57 m，臂架的質量按均載（q）考慮，單位為kN，如公式（2）所示。

根據梁的靜力平衡方程[2]，確定梁在C點、B點、A點處的約束力，根據剪力方程[2]、彎矩方程，計算出A、B、C點的剪力Q（A）、Q（B）、Q（C）和彎矩M（A）、M（B）、M（C）。得出方案一的剪力圖和彎矩圖，如圖3、圖4所示。

圖3 方案一懸壁架剪力圖

圖4 方案一懸壁架彎矩圖

從圖中可看出，全梁最大剪力Qmax=0.409G kN；最大彎矩Mmax=1.196 G kN·m。

刮板臂架選用Q355B材料，薄壁圓管結構型式，根據履帶取料機常用工況和工作制，設備的安全系數按1.5考慮，材料的許用應力[σ]=230 MPa，許用剪應力[τ]=130 MPa。按照刮板臂架梁截面圓管外徑D=500 mm，壁厚t=4 mm，圓管內徑d=492 mm，臂架梁自重G=140 kN。則：Mmax=1.196G=167.4 kN·m，抗彎截面模量WZ=π（D4-d4）/32D=0.77×106mm3。其中π為圓周率，取π=3.14。

最大正應力σmax=Mmax/WZ=217 MPa，σmax≤[σ]；滿足要求。

最大剪應力τmax=2Qmax/π（D-t）t；Qmax=57.3 kN。

τmax=19.4 kN/m2，τmax≤[τ]；滿足要求。

2 變幅機構方案二

方案二是在方案一的基礎上增加一副吊點和旋桿裝置，如圖5所示。即在刮板機臂架上再增設1個起吊點，并且滿足臂架上的2個起吊點將臂架大致分成3等分段。臂架寬度方向2側與吊點架的連接板鉸接，中間橫梁中部有1套動滑輪組。將1根鋼絲繩II通過2個吊點架上的動滑輪組把2個吊點架串連在一起。再增加1套由2個滑輪組、轉動桿和連接板組成的旋桿裝置，其中連接板將2個滑輪組連接在一起，旋桿裝置中的1套滑輪組I與轉動桿1端鉸接在一起。把刮板臂架內吊點架上的鋼絲繩II套入到旋桿裝置中的另1套滑輪組II內，轉動桿另1端與刮板機臂架頭部鉸接軸連接，旋桿裝置中的滑輪組I與定滑輪、卷揚機卷筒通過鋼絲繩I串接在一起。通過鋼絲繩II將吊點架上的動滑輪組和旋桿裝置纏繞在一起；通過鋼絲繩I將卷揚機卷筒、定滑輪組和變幅機構纏繞在一起。

當卷揚機驅動時，卷筒螺旋轉動，鋼絲繩I進行收放繩，旋轉裝置的滑輪組I以及連著的轉動桿跟隨鋼絲繩I以刮板機臂架頭部鉸接軸為圓心進行轉動上升或下降，滑輪組I通過的連接板帶動滑輪組II以及套在上面的鋼絲繩II和吊點架一起運動，刮板臂架也隨之以刮板機臂架頭部鉸接軸為圓心進行轉動上升或下降，從而實現刮板機構的變幅。

如圖6所示，當刮板機構臂架在低位水平位置工況下時，對卷揚鋼絲繩拉力再次進行受力分析。

圖5 旋桿裝置

圖6 變幅機構方案二（低位）

根據力矩平衡原理，刮板機臂架處于水平位置，此時鋼絲繩拉力如公式（4）所示。

式中：N為變幅機構滑輪組拉力；G為刮板機自重。

由上式得N=0.77G。

圖7為懸臂架受力簡圖，可以求出方案二懸臂鉸支梁的最大剪力（Q）和最大彎矩（M），從而得到方案二臂架的橫截面尺寸以及最大變形量。

臂架總長L=24.57 m，臂架的質量按均載（q）考慮，單位kN，則q=G/24.57。

由梁的靜力平衡方程[2]，確定梁在D點、C點、B點、A點處的約束力，根據剪力方程[2]和彎矩方程，計算出A、B、C、D點的剪力Q（A）、Q（B）、Q（C）、Q（D）和彎矩M（A）、M（B）、M（C）M（D）。方案二的剪力圖如圖8所示，彎矩圖如圖9所示。

圖7 方案二懸臂架受力簡圖

圖8 方案二懸臂架剪力圖

圖9 方案二懸臂架彎矩圖

從圖中可看出，全梁最大剪力Qmax=0.416G kN；最大彎矩Mmax=2.06G kN·m。

刮板臂架材料和結構型式的選用與方案一一致。因此材料的許用應力[σ]=230 MPa，許用剪應力[τ]=130 MPa。由于方案一刮板臂架梁截面尺寸不變，圓管外徑D=500 mm，壁厚t=4 mm，圓管內徑d=492 mm，臂架梁自重G=140 kN。因此得出，Mmax=2.06G=288.4 kN·m，抗彎截面模量WZ=π（D4-d4）/32D=0.77×106mm3。其中π為圓周率，取π=3.14。

最大正應力σmax=Mmax/WZ=374.5 MPa，σmax＞[σ]；不滿足要求。

重新選取梁截面圓管外徑D=650 mm，壁厚t=4 mm，圓管內徑d=642 mm，臂架梁自重G=144 kN。

則：Mmax=2.06G=296.6 kN·m，抗彎截面模量WZ=π（D4-d4）/32D=1.3×106mm3。其中π為圓周率，取π=3.14。

最大正應力σmax=Mmax/WZ=228.2 MPa，σmax≤［σ］；滿足要求。

最大剪應力τmax=2Qmax/π（D-t）t；Qmax=59.9 kN。

τmax=14.76 kN/m2，τmax≤［τ］；滿足要求。

3 結語

將以上履帶式刮板取料機變幅機構的2種方案得出來的數據進行分析比較，可以看出，方案二在刮板機臂架梁增加一處吊點，梁的彎曲應力反而加大，臂架梁截面外徑需要650 mm才能滿足強度要求；而方案一臂架梁截面外徑只需要500 mm就能滿足強度要求。由以上分析得出，刮板取料機變幅機構應該選用方案一的型式，其結構簡單，梁結構重量輕，是變幅機構較為合理的方案。

選用方案一的變幅機構，刮板取料機的自身質量會減少，履帶的接地比壓會降低，履帶式刮板取料機的通過性能將進一步提高。