鏈斗卸船機卸料頭上部卸料軌跡設計與分析

邵海林

南通潤邦重機有限公司

1 引言

鏈斗卸船機以其連續、高效、節能、環保、自動化程度高的優勢在大型、專業化散貨碼頭得到越來越廣泛的應用。隨著技術的不斷成熟，鏈斗卸船機取代抓斗卸船機已成為必然的趨勢，是港機設備產業升級的首選卸船機型。

BE提升部分是鏈斗卸船機設計的核心內容，本部分機構繁多、設計計算復雜，來料情況不確定。BE提升部件的設計和制造水平，直接決定了鏈斗卸船機的使用性能以及卸船效率。

從BE上部的卸料狀態入手，分析斗內物料的受力、速度、加速度和物料的運動軌跡，給出詳盡的設計算法，并提出BE上部鏈條曲線優化辦法用以解決凹弧段鏈斗干涉的問題。

2 鏈斗卸船機及其BE總成概述

鏈斗卸船機由BE提升總成、臂架皮帶機、俯仰機構、回轉機構、大車行走機構、卸料皮帶機、中心鏈斗裝置、防塵灑水裝置、液壓系統、電控系統等組成(見圖1)[1]。

1.BE總成 2.臂架鋼結構 3.臂架皮帶機 4.上部平衡鋼結構 5.中心料槽裝置 6.回轉立柱 7.回轉機構 8.液壓系統 9.電氣房 10.門架鋼結構 11.卸料系統 12.大車走行機構圖1 鏈斗卸船機總圖

其中BE總成部分的機構主要有BE下部、BE鏈斗提升、BE圓盤給料器、BE回轉等部分(見圖2)。各機構的功能是：BE下部負責從船艙內挖掘物料，隨后由提升機構提升，回轉給料器負責將提升上來的物料轉接到臂架皮帶機。BE回轉機構使BE部分整體旋轉，實現旋轉取料或者使挖掘部垂直于艙壁，同時配合大車走行機構、臂架回轉機構來實現設定的取料掃略路徑[2]。BE部分的所有各機構均由L型鋼結構來支撐。

1.BE回轉機構 2.回轉給料器 3.上部機殼 4.鏈條鏈斗機構 5.BE提升機構 6.BE電氣室 7.液壓站 8.BE鋼結構 9.出料漏斗圖2 BE上部結構圖

在鏈斗卸船過程中，BE下部挖掘艙內物料，進入小斗內的物料經過鏈斗提升后倒入回轉給料器內，通過回轉給料器的回轉送料，進入臂架皮帶機；再向回轉中心方向運行，將物料送入位于整機回轉中心的中心料斗中，落到門架上的卸料皮帶機上，由卸料皮帶機轉載進入系統皮帶機，最后送往碼頭后方堆場儲存。整個卸船過程為連續式，效率高。

3 BE上部的鏈輪布置和卸料狀態分析

與普通的鏈斗式提升機不同，鏈斗卸船機的BE上部增加了改向鏈輪，物料經過驅動鏈輪的提升后，在最頂端將物料倒入正面的漏斗中，然后進入盤式給料器。為了保證以上過程順利地進行，并且物料無返料(斗內物料進入回程分支)，必須滿足以下條件：

(1)后一鏈斗內的物料不能打在前一鏈斗的斗背上。

(2)合理布置改向鏈輪位置，確保鏈條運行時鏈斗之間不發生干涉和碰撞，尤其注意凹弧段，凹弧段成型于改向鏈輪處。

(3)提升鏈輪要有足夠的包角，斗容需與卸船效率相匹配。

(4)單個鏈斗的形狀與物料的拋射軌跡相適應。

3.1 BE提升驅動裝置的相關參數

以2 000 t/h鏈斗式卸船機BE總成為例，已知參數選型如下。

(1)BE提升電機轉速n=991 r/min;BE提升減速機速比i=81.12。

(2)提升鏈輪轉速n=991/81.12=12.22 r/min。

(3)提升鏈輪角速度ω=2πn/60=(2×π×12.22)/60=1.28 r/min。

3.2 改向鏈輪的位置確定

如果改向鏈輪的位置過高，鏈條回程段上傾斜段與豎直段的夾角增大，在鏈條運行的過程中鏈斗的轉向突然，導致鏈斗運行到凹弧段時會發生碰撞，并伴隨振擺。所以改向鏈輪必須選擇合適的位置，使鏈斗傾斜段與豎直段的夾角變小，轉向比較平緩圓順，前后鏈斗不能發生干涉。

選擇改向鏈輪的兩種距離(L)情況進行對比來論證，分別取2 110 mm和2 500 mm，經作圖對比，可知當L=2 110 mm時，前后鏈斗干涉；當L=2 500 mm時，鏈斗平滑過渡，既避免了前后鏈斗的干涉，又保證了提升鏈輪具有足夠的包角(見圖3)。

圖3 改向鏈輪不同位置的斗形圖

3.3 極距和極點的確定

圖4中，斗內物料的重心到提升鏈輪中心的距離為r。斗內物料受到重力和離心力的共同作用,其合力N與提升鏈輪垂直中心線延長線相交于一點，該點稱作極點P，極點到鏈輪中心的距離OP稱為極距H。

圖4 極距求解示意圖

由△OPA與△NBA是相似三角形，可知H/BN=OA/AB,即H/mg=r/mrω2,化簡求得：

H=g/ω2

(1)

將ω=2πn/60,g=9.81 m/s2帶入得：

H=894.56/n2

(2)

式中，n為提升鏈輪的轉速。

由公式可知極距只與提升鏈輪的轉速有關，與鏈斗的位置、鏈斗質量、斗內物料的特性等均無關。

計算得H=5.991 m，取整H=6 m。

3.4 卸料方式的判定

將極距H與圖4中的r1、r2進行比較以判斷屬于哪一種卸料方式。r1為鏈斗外邊緣軌跡半徑，r2為提升鏈輪的半徑。

當H>r1時，極點位于鏈斗外緣軌跡之外，物料靠重力沿著鏈斗的底板流動卸出，這種卸料方式稱為重力式卸料。

當H

當r2

本例中H=6m，r1=1.84m,H>r1為重力式卸料。重力式卸料方式適用于塊狀及顆粒狀、堆積密度較大、磨琢性較強的物料，本例中處理的物料為煤炭、礦石等重質散料，采用重力式卸料最為適合。

4 斗內物料運動軌跡分析

4.1 卸料的兩個典型位置定義

為了簡化分析，提升機構頭部的卸料狀態可按相位A和相位B兩個典型位置進行分析計算(見圖5)。

圖5 卸料狀態圖

將處于卸料位置的鏈斗內物料分為Ⅰ區和Ⅱ區，以極點到鏈斗下角點的連線作為I、II區的分界線(見圖6)。

圖6 鏈斗內物料分區示意

當斗1從其最高位置向相位A的位置旋轉過程中，Ⅰ區將物料逐漸拋出，重力克服物料內摩擦，打破物料平衡狀態，到相位A位置時，Ⅰ區物料基本卸載完畢；該時間段內Ⅱ區的物料的合力指向鏈斗底部，物料被底部封閉不會卸出，到相位A位置以后開始出現物料卸出的傾向。當斗1從相位A到相位B旋轉過程中，Ⅱ區開始逐漸拋出，到相位B位置時Ⅱ區物料基本卸載完畢。

隨后的斗2、斗3、斗4…等各斗會依次進入相位A、相位B,重復斗1的卸料過程。

4.2 Ⅰ區物料拋料軌跡圖

4.2.1 Ⅰ區物料的速度和加速度

Ⅰ區物料的初速度VⅠ=Rω=1.481×1.28=1.9 m/s。

斗內物料受到重力和離心力兩個作用力，加速度取g=9.8 m/s2,rω2=2.425 m/s2，根據力合成的三角形法則作圖，求得aⅠ=8.043 m/s2。

4.2.2 速度、加速度的分解

在相位A中，以Ⅰ區物料的速度方向為x軸,Ⅰ區物料的重心到鏈輪中心的半徑為y軸。將Ⅰ區物料加速度aⅠ=8.043 m/s2按坐標軸分解為aⅠx=6.058 m/s2,aⅠy=5.291 m/s2,見圖7。

圖7 Ⅰ區物料速度、加速度圖解

將Ⅰ區物料的重心設為原點(0,0),初速度為：VⅠx=1.9 m/s,VⅠy=0，按時間增量0.05 s，計算出0～0.65 s各瞬時的x速度分量、y速度分量、x位移分量、y位移分量(見表1)。

根據表1繪制出對應的Ⅰ區物料運行軌跡圖，見圖8。

圖8 Ⅰ區物料運行軌跡圖

表1 Ⅰ區物料運動位移表

4.3 Ⅱ區物料拋料軌跡圖

4.3.1 Ⅱ區物料的速度和加速度

Ⅱ區物料的初速度VⅡ=Rω=1.181×1.28=1.51 m/s，斗內物料受到重力和離心力兩個作用力，加速度分別為g=9.81 m/s2,離心力rω2=1.935 m/s2，根據力合成的三角形法則作圖,求得aⅡ=8.989 m/s2。

4.3.2 速度、加速度的分解

在相位B中，以Ⅱ區物料的速度方向為x軸,Ⅱ區物料的重心到鏈輪中心的半徑為y軸。將Ⅱ區物料加速度aⅡ=8.989 m/s2按坐標軸分解為aⅡx=8.465 m/s2,aⅡy=3.024 m/s2(見圖9)。

圖9 Ⅱ區物料速度、加速度圖解

將Ⅱ區物料的重心設為原點(0,0),初速度為：VⅡx=1.51 m/s,VⅡy=0，按時間增量0.05 s，計算出0～0.65 s各瞬時的x速度分量、y速度分量、x位移分量、y位移分量(見表2)。

根據表2的位移數據繪制出Ⅱ區物料運行軌跡圖(見圖10)。

表2 Ⅱ區物料運動位移表

圖10 Ⅱ區物料運行軌跡圖

結合A、B兩個相位物料運動軌跡圖疊加，得到圖11。可以看出在物料卸載的過程中料流整體沒有打在前面的鏈斗背部，而且順暢地進入了出料漏斗中。

圖11 物料運動軌跡圖

5 結語

在BE鏈斗提升的方案設計階段，按本方法繪制料流軌跡圖，驗證斗內物料是否能順利流入前方的漏斗中，不沖擊前面的鏈斗，而且無回料返料。如不滿足，可通過調整鏈斗間距、鏈輪齒數、鏈速等來改變料流拋射軌跡。且鏈條運行的過程中，在整個鏈條回路的凹弧段上不允許發生鏈斗干涉碰撞的現象，通過將改向輪位置下移有效地解決了該問題。

BE上部卸料是整機設計的核心內容，確定物料運動軌跡對BE總成設計至關重要。通過對BE上部物料運動軌跡和鏈條運行回路的設計計算與分析，為鏈斗卸船機的設計提供參考。