堆取料機自動平衡配重系統設計研究

宋希亮

（本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117000）

0 引言

由于堆取料機的配重對于堆取料機的平衡至關重要，如果配重過大，相對系統的不平衡力矩變小或使不平衡力矩小于零容易使俯仰系統發生振動或傾覆（配重落地）；如果配重過小，會使相對系統的不平衡力矩過大，導致俯仰驅動鋼絲繩或油缸受力過大，并使驅動額外負載加大，而我國北方地區在冬季生產時斗輪凍料嚴重，增加了前端重量，造成堆取料機俯仰難度增加，影響堆取料機的作業效率、安全性能及液壓系統的穩定性[1]。

堆取料機的自動平衡配重設計研究，通過俯仰的角度、油缸拉力傳感器檢測懸臂上下俯仰、油缸受力情況，反饋至控制系統，控制配重塊的驅動電機動作，進而隨著堆取料機懸臂上下俯仰情況時刻改變配重位置，改變平衡系統的力矩，保證堆取料機的懸臂無論俯仰至高空極限點還是下降至最低極限點，其驅動系統輸出力最小，設備運行穩定，高空極限點處設備穩定安全，不發生傾覆的重大事故。

1 設計原理

1.1 堆取料機的自動平衡配重機械設計原理

堆取料機的自動平衡配重裝置，包括配重塊、驅動電機、齒輪、齒條、輔助支撐輪、行走軌道等結構組成，見圖1。

圖1 堆取料機整體簡圖

配重塊的驅動動力來自于驅動電機，通過驅動電機正反轉帶動齒輪在齒條上前后行走，進而實現了配重塊的前后移動，使其力矩根據堆取料機懸臂上下俯仰角度，實時調節配重的前后距離，保證系統平衡，油缸受力最小，系統壓力負荷最小[2]。其工作狀態見圖2。

圖2 堆取料機工作狀態示意圖

1.2 堆取料機的自動平衡配重電氣設計原理

自動平衡配重系統在自動配重方面，采用傳感器和自動控制技術。在堆取料機俯仰油缸與懸臂梁之間安裝檢測儀和傳感器。檢測儀通過傳感器與微型計算機連接。本系統采用角度、壓力傳感器安裝在堆取料機俯仰油缸與懸臂梁之間。角度、壓力傳感器通過對俯仰油缸的平衡情況輸出一個角度及壓力的數據，再通過采樣保持和A/D轉換后傳人到微型計算機控制器內部，由微型計算機進行數據處理。微控制器根據平衡函數對力矩的變化進行分析處理后輸出控制信號[3]。使配重按照控制信號，由驅動裝置驅動堆取料機配重沿著配重梁滑動，從而控制堆取料機配重與俯仰支點的中心距離，使配重與斗輪懸臂實現動平衡狀態。

堆取料機的自動平衡配重裝置及其方法的動作原理細節為：控制系統接到角度、油缸壓力傳感器檢測角度反饋信號控制驅動電機運轉，驅動電機帶動齒輪轉動，以齒條為行走軌道，使配重塊在齒條上面前后移動，進而實現自動平衡配重的功能[4]。

狀態一：當堆取料機懸臂處于平衡位向下位運動時，角度、油缸壓力傳感器檢測角度反饋，由于懸臂向下位動作系統平衡力矩變大，此時配重塊位于平衡位置在驅動電機的作用下向后運到，進而保證系統平衡，油缸受力最小，系統壓力負荷最小。

狀態二：當堆取料機懸臂處于平衡位向上位運動時，角度、油缸壓力傳感器檢測角度反饋，由于懸臂向上位動作系統平衡力矩變小，此時配重塊在驅動電機的作用下向前運到，進而保證系統平衡穩定，杜絕發生懸臂傾覆的事故發生。

狀態三：當堆取料機懸臂處于下位向上位運動時，懸臂的移動軌跡為：下位到平衡位；平衡位到上位，配重塊的具體動作步驟為：配重塊處于平衡梁最后位置在驅動電機作用下隨懸臂的抬高時刻向前方移動。

狀態四：當堆取料機懸臂處于上位向下位運動時，懸臂的移動軌跡為：上位到平衡位；平衡位到下位，配重塊的具體動作步驟為：配重塊處于平衡梁最前位置在驅動電機作用下隨懸臂的降低時刻向后方移動。

2 數學建模

以DQL-800/1000-30型號堆取料機為例，通過受力平衡分析簡化堆取料機懸臂、俯仰油缸及配重的受力情況，根據力矩平衡原理建立數學模型，其簡化圖見圖3。已 知：G1=8050kg，G0=9414kg，L0=30m，L1=3.279m，L2=12.2m，θ＝27.32°。

圖3 堆取料機力矩示意圖

2.1 固定配重時液壓缸受力

圖中t為俯仰液壓缸受力，設固定配重時為t1，根據力矩平衡原理建立數學模型其方程為：

將已知量代入分解得：

式中：△θ為堆取料機懸臂上下俯仰夾角θ的變化量，其說明書顯示△θ=（-14.93°～11.14°）。

2.2 自動平衡配重時液壓缸受力

設固定配重時為t2，根據力矩平衡原理建立數學模型其方程為：

式中：△L為堆取料機懸臂上下俯仰時配重前后自動平衡的變化量，△L=（0～15.45），將已知量代入分解得：

3 仿真分析

3.1 模型建立

根據堆取料機平衡力矩及以上數學模型，應用Matlab仿真軟件，搭建系統仿真模型，見圖4。設定配重移動的變化量△L靠近支點方向為負值，遠離支點方向為正值；懸臂俯仰大臂角度變化量△θ上仰時為正值，下仰時為負值。通過Matlab軟件仿真俯仰油缸受力t隨著懸臂俯仰角度△θ和自動配重移動距離△L的變換量之間的關系，通過仿真可看出配重不移動時俯仰油缸受力t1隨著懸臂的下降而增加；配重移動即自動平衡配重工作時俯仰油缸受力t2隨著懸臂下仰角度變化△θ為負值而自動配重移動距離變化△L為正值；懸臂上仰角度變化△θ為正值而自動配重移動距離變化△L為負值的平衡改變使液壓缸受力t2在小范圍內趨于穩定值。

圖4 堆取料機自動配重工作油缸受力Matlab仿真模型

3.2 不同因素對自動平衡系統的影響分析

堆取料機在冬季生產作業時，斗輪粘料嚴重，進而增加了前端的額外負載，在電氣系統設計時傳感器同時檢測油缸壓力情況，通過分析正向壓力與負向壓力調節配重的移動方向，進而保證系統受力平衡，減小油缸受力，確保設備安全穩定、降低液壓系統故障、提高工作效率。

4 結論

設計了一種滿足堆取料機工作要求的自動平衡系統，其能夠隨時檢測堆取料機的工作狀態，實時調節配重位置，改變力矩，保證系統受力平衡。

通過建立俯仰油缸受力數學模型和仿真模型，研究了不同工作狀態下自動配重及油缸的受力情況，分析仿真結果顯示，設計合理有效，為堆取料機的設計和使用提供了一定的理論和現實指導意義。